官地矿重复采动造成地表破坏程度分析

康新亮

(西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030053)

·问题探讨·

官地矿重复采动造成地表破坏程度分析

康新亮

(西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030053)

依据官地矿29401工作面上方地表沉陷观测站的监测数据，结合该工作面的地质采矿条件，分析了该矿重复采动造成的地表移动最大速度、地表移动的初始期和活跃期，得出了该地质采矿条件下重复采动对地表移动破坏造成的剧烈程度和持续时间，及在进行采煤沉陷治理时，需地表移动变形稳定后再治理更加合理，为该矿防治开采沉陷提供了科学的参考依据。

开采沉陷；重复采动；角量参数

西山煤电集团公司官地矿于1960年正式建矿，是由地方煤矿经过多次扩建而成的国有大型矿井，多年的开采引起地表塌陷、变形的问题日益严重，尤其现阶段重复采动对地表的破坏影响巨大，采煤沉陷治理已是目前工作的重点之一。在对井下采煤造成的地表破坏进行维护治理时，因不清楚地表遭受破坏的剧烈程度和持续时间，往往施工维护治理后地表还会变形，造成了治理工程浪费，有时在治理过程中还会发生工作人员的安全事故，严重影响了矿区安全生产。因此，研究井下采煤对地表破坏的剧烈程度和持续时间对矿区安全生产非常迫切和必要。

1 工作面地质采矿条件

官地矿29401工作面地表标高1 270～1 375 m，盖山厚度225～304 m. 工作面四周均为9号煤未采区，标高1 045～1 071 m. 上部2号、3号、6号煤层均为采空区，8号煤层结构为(1.07(1.27)3.41)，上分层部分开采。8号煤与9号煤层间距0.4～1.2 m，9号煤2.6～3.6 m,平均3.31 m. 该工作面采用高支架放顶煤回采技术(即采9号煤放8号煤)，平均回采厚度约7.5 m. 工作面开采参数见表1.

表1 工作面采矿条件表

2 观测站布置情况

2.1 设计参数

因29401工作面是在上部采空区下重复采动，根据《西山矿区保护煤柱设计规程》(试行)选取29401观测站设计参数时，结合重复采动基本规律，将各角值参数减少了5°，以保证重复采动对地表破坏更加严重时能够监测到其分布规律，合理分析其造成地表移动剧烈程度及持续时间[1]. 得出设计所采用的岩层移动角值为下山移动角50°，上山移动角50°，走向移动角50°，最大下沉角87°.

2.2 观测线位置

1) 29401工作面为规则矩形工作面，在其地表可沿工作面走向和倾向布设两条相互垂直的工作线[2].

走向观测线到工作面下山方向边界的距离为：

L×cosα/2-H0/tgθ=81.7-13.6=68.1 m

式中：

L—工作面倾向长，m；

H0—平均采深，m；

α—煤层倾角，(°)；

θ—最大下沉角，(°).

2) 倾斜观测线到开切眼的距离D应满足公式：

D≥(H0-h)ctg(δ-Δδ)+hctgφ且D≥H0ctgφ.综合地形情况确定为309 m.

式中：

h—表土层厚度，m；

H0—平均采深，m；

φ—松散层移动角，(°)；

φ—走向充分采动角，(°)；

δ—走向移动角，(°)；

Δδ—走向移动角修正值。

2.3 观测线长度

1) 走向观测线长度确定。

工作面走向可采长度L=571 m，而0.9H0=0.9×260 m=234 m，L>0.9H0为此走向观测线设半条观测线。走向观测线工作测点段的长度根据公式：

h×ctgφ+(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+L/2+S，计算得走向线长577 m.

式中：

h—表土层厚度,m；

H0—平均采深，m；

φ—松散层移动角，(°)；

L—工作面走向可采长度，m；

δ—走向移动角，(°)；

Δδ—走向移动角修正值；

S—走向线与倾向线相交点向停采线的延长距离，m.

2) 倾向观测线长度确定。

工作面的倾向观测线工作测点段长度根据下面公式计算：

2×h×ctgφ+(H1-h)×ctg(β-Δβ)+(H2-h)×ctg(γ-Δγ)+L×cosα，得倾向观测线长600 m.

式中：

H1—下山采深，m；

L—工作面斜长，m；

a—煤层倾角，(°)；

H2—上山采深，m；

β—下山移动角，(°)；

γ—上山移动角，(°)；

Δβ—下山移动角修正值；

Δγ—上山移动角修正值。

考虑到重复采动比初采移动角要小，应在计算结果上加长一定距离。但结合实际地形较复杂，部分地形区域无法布点，最终调整走向观测线长度为625 m，倾向观测线长度为575 m.

观测站与工作面对照平面图见图1.

图1 观测站与工作面对照平面图

3 地表移动破坏剧烈程度及持续时间分析

在地表下沉速度曲线上，最大下沉速度总是滞后于回采工作面一个固定距离，此固定距离称为最大下沉速度滞后距，把地表最大下沉速度点与相应的回采工作面连线，此连线和煤层(水平线)在采空区一侧的夹角，称为最大下沉速度滞后角。地表出现最大下沉速度的地点是该时刻地表移动最剧烈的地点。掌握了滞后角的变化规律，便可在工作面推进过程中随时确定地表移动最剧烈的地区[3].

3.1 地表最大下沉速度

地表观测点两次观测高程差除以两次测量的时间间隔，得出的值为采动影响范围内地表点在此时间间隔内的平均下沉速度。

观测线观测次数为10次，最大下沉点各期观测值及计算结果见表2，下沉速度及地表移动持续时间见图2.

表2 最大下沉点下沉速度计算表

图2 地表移动变形下沉速度曲线图

根据表2可以看出：2010年11月02日—2010年12月07日两次观测的下沉差为ΔW=2 577 mm，观测间隔天数为t=35(d)，故地表最大下沉速度可按下式计算，即：

如图2所示，地表点和下沉速度曲线(1)与下沉曲线(2)在时间上和空间上是连续的渐变的，说明工作面推进速度是影响地表下沉速度和地表移动持续时间的主要因素。

3.2 下沉速度系数K

实践证明，工作面推进速度是影响地表下沉速度和地表移动持续时间的主要因素。一般单一工作面最大下沉速度的经验公式可由下式表示：

式中：

K—下沉速度系数；

c—工作面推进速度，m/d；

H0—平均开采深度，m；

Wmax—本工作面最大下沉值，mm.

将最大下沉值、平均开采深度和工作面推进速度代入上式可反求出下沉速度系数K，本工作面最大下沉值Wmax=4 600 mm，工作面平均推进速度c=1.813 m/d，平均开采深度H0=260 m，Vmax=73.6 mm/日，代入得下沉速度系数为：2.29.

3.3 最大下沉速度滞后角φ

图2中直线(3)反映了地表整个移动过程中最大下沉点到各时刻工作面相对位置变化关系，由此可从图中求出滞后距L=28 m，则最大下沉速度滞后角φ，即：

由数据得出，滞后距较小及φ值偏大可能是因开采速度不均匀等因素引起。

3.4 地表移动持续时间

地表移动持续时间是指在充分或接近充分采动的情况下，地表最大下沉点从开始移动到移动稳定所持续的时间，包括：1) 移动变形初始阶段：从移动开始至下沉速度刚达到1.67mm/d(或每月下沉量50mm). 2) 移动变形活跃阶段：下沉速度大于1.67mm/d的阶段 (或每月下沉量大于50mm). 3) 移动变形衰退阶段：下沉速度刚小于1.67mm/d起至连续六个月内下沉总量不超过30mm时的阶段。移动衰退阶段以后，地表则处于稳定状态。

从表2和图2可以得出，观测点从开始移动时间2010年6月17日到8月7号观测期间，开始下沉且下沉速度比较缓慢，开始阶段为20天；活跃阶段从2010年8月7日至2011年2月13日，活跃期约为186天；衰退阶段从2011年2月13日开始，由于观测时间仅观测到2011年06月08日，因而不能准确地确定衰退期的时间和地表移动变形持续的总时间。

根据一般的移动变形规律可知，活跃期约占总移动时间的25%，但下沉量占总沉降量的85%以上，衰退期较长，但下沉量很小。按活跃期186天计算可推知矿区地表移动变形的总时间大约为744天。

4 研究结论

1) 结合矿区的地质采矿条件，通过分析29401工作面监测数据，初步得出了官地矿地质采矿条件下重复采动引起地表破坏的剧烈程度及持续时间。

2) 通过分析，得出该工作面地表受采动影响的地表最大下沉速度滞后角，可以在类似工作面回采时随时找到地表破坏最剧烈的地区，以便合理进行维护，做好防范工作。

3) 通过观测数据，分析得出该工作面活跃期时间达到半年，可知在进行采煤沉陷治理时，需要等到地表移动变形稳定以后再治理才更加合理。

[1] 崔希民，陈立武.沉陷大变形动态监测与力学分析[M].北京：煤炭工业出版社，2004:52.

[2] 国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000：5-20.

[3] 何国清，杨 伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995：1.

Analysis on Surface Damage Caused by Repeated Mining in Same Location in Guandi Coal Mine

KANG Xinliang

Based on the monitoring data on surface subsidence observation above the No.29401 working face in Guangi Coal Mine, combined with the onsite geological mining conditions, the maximum surface movement speed and the rule in the initial and active stage caused by repeated mining are analyzed. It is concluded that the severity and duration of surface movement damage caused by repeated mining under the conditions of geological mining are obtained, and it is more reasonable to treat the surface after movement come to stable. The paper provides a scientific basis for reference.

Mining subsidence; Repeated mining; Angle parameter

2016-12-01

康新亮(1982—)，男，山西古交人，2009年毕业于中国矿业大学，硕士研究生，工程师，主要从事矿山开采沉陷方面的研究工作

(E-mail)kangxinliang@aliyun.com

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1672-0652(2017)01-0024-04