煤矿开采沉陷区地表岩层移动对公路的影响

李海深 ， 徐茂恩 ，李曦滨

(1.鄂尔多斯市乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 017307； 2.鄂尔多斯市伊化矿业有限责任公司，内蒙古 017307； 3.中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

0 引言

神华大雁矿业集团有限责任公司第二煤矿五采区处于国家一级公路G301线(以下简称公路)正下方。为了提高煤炭资源的回采率，减少地下煤炭资源的浪费，将压覆在公路下煤炭资源合理的进行开采，并确保不影响公路正常安全运行和使用。回采工作面在通过公路下方时采取一系列应对避让措施，降低对公路造成的破坏程度和沉陷深度。在开采的同时，布设公路地表岩层移动观测站进行动态观测，及时确定地表公路沉降速率，进行准确维护保养，确保回采过程中公路的安全运行，取得了较好的效果，为今后公路下采煤提供了借鉴。

1 工程背景

国家一级公路(G301线)在该井田正上方通过，其保护煤柱压覆原煤1600余万吨，给国家和煤矿企业造成了极大的经济损失。

井田地形较为简单，地势东高西低，为低山丘陵，标高在650～750m。 根据岩性特征、岩石组合及含煤情况，井田内地层可分为上中下三段(表1)。

矿区内岩石主要由煤层、中砂岩、粉砂岩及细砂岩组成，仅有少量粗砂岩、含烁砂岩。 煤层和岩层的物性差异比较明显，各岩层间密度差别较小，岩石硬度多数为中等硬度的砂岩类(表2)。

表2 岩石主要物理力学性质Table 2 Main rock physical and mechanical properties

2 回采工作面及开采技术措施

五采区是该井田内煤矿第五个回采盘区，其采场范围主要是公路下覆压煤层，其首选开采煤层平均可采厚度14.3m，采场平均开采深度634m，是该井田内厚度最大，煤质最好的可采煤层，且煤层内无夹矸，开采经济效益显著。

2.1 回采工作面

五采区30-Ⅳ工作面是该采场第Ⅳ个综放工作面，采用综采放顶煤工艺进行回采，平均放顶煤高度约为9.0m，工作面走向长688m，倾向宽176m，平均开采厚度为13.3m，走向方位289°00′00″。

五采区30-Ⅳ工作面开始回采后，由于地层应力破坏，将会引起地表岩层移动、下沉，使地表形成一个较大的移动盆地。公路由东向西方向通过移动盆地中心。

2.2 开采技术措施

为确保在工作面回采过程中减少对公路造成的破坏，经充分研究确定，采场及回采工作面采取以下措施：

1)将盘区设计成两翼开采，且将工作面布设成横、纵向回采，为一级公路(G301线)留设成三角形块段保安煤柱，减少地表移动盆地的沉降系数(图1)。

2)该采煤工作面在通过公路下时，降低工作面回采高度，即一次性开采高度约为4.2m，不再进行二次放顶煤，按井田内地层岩性，地表沉降在非充分采动情况下，并结合其他采区地表移动盆地沉降经验，地表最大下沉系数≈0.53m，预计地表最大沉陷深度为2.2～2.3m。

图1 五采区30-Ⅳ回采工作面地表移动盆地对照Figure 1 Winning district No.5 coal face No.30-IV surface displacement basin cross reference

3)严格进行岩层移动沉陷观测，随时掌握公路路面沉陷幅度，以便及时对该区段公路进行维护、保养，确保公路上的车辆安全运行。

3 岩层移动观测站的布设及观测

3.1 建站目的

在五采区30-Ⅳ工作面回采前，该采区30-Ⅲ工作面已采终，公路通过该回采工作面地表移动盆地正上方，并经实测，该段公路最大下沉点沉陷深度为50mm，下沉量极小，对公路影响不大，现该处地表移动正处于衰退期。

为了及时掌握该段公路受30-Ⅳ工作面采动影响波及地表移动范围和沉陷深度、速率和破坏程度，以及为将来“三下采煤”积累地表岩层移动第一手数据，须在“30-Ⅳ工作面”预计地表移动盆地区段内，沿地表实际地物公路上，建立地表岩层移动观测站，以准确掌握在井下30-Ⅳ工作面回采过程中，公路的变化情况，及时采取安全措施，确保公路在井下回采过程中安全运行、畅通、使用。

3.2 观测站布设方法及要求

在30-Ⅳ工作面回采之前，须将该地表岩层移动观测站布设完成，且考虑30-Ⅲ工作面地表移动盆地衰退期的地表移动，并同时进行监测，确保数据的整体性。

30-Ⅳ工作面地表岩层移动公路(301线)观测站为单一“沉陷”观测站，在布设前进行了预计，沉陷范围预计所采用本矿区地表沉陷移动参数圈定：其走向移动边界角δ0=57°、移动角δ=61°，上山方向移动边界角γ0=47°、移动角γ=50°，下山方向移动边界角β0=47°、移动角β=55°，四季层移动角φ=48°。

为防止控制点及工作测点受到人为和自然的破坏，测点采用15cm钢钉，直接标设在公路(301线)南侧的路面上。观测站工作测点东部与原30-Ⅲ工作面地表岩层移动观测站工作测点21号点相接，由此向西顺序布设34个测点，终点点号55号，其点间距为30m。原30-Ⅲ工作面地表岩层移动观测站工作测点3～21号，点间距为25m。

观测站控制点布设在该区域非受采动影响范围的公路上，即在观测站工作测点的东西两侧各布设4个沉陷观测控制点为：东部B4、B3、B2、B1，西部K1、K2、K3、K4共计8个控制点，点间距50m。

五采区30—Ⅲ、Ⅳ工作面地表移动观测站，公路区段共布设工作测点共计53个、测量控制点8个，该观测站观测线全长为1.5km，观测线方向为公路走向，其地理方位约为250°(图2)。

图2 五采区30-Ⅳ回采工作面地表岩移观测站布点平面Figure 2 Winning district No.5 coal face No.30-IV surface strata displacement observation station layout plan

3.3 观测站标定

观测站控制点K1、K2、K3、K4、B1、B2、B3、B4的施测，使用3台GPS接收机，采取静态定位模式，按《全球定位系统(GPS)测量规范》中E级GPS点的精度要求施测，利用已知的国家Ⅲ、Ⅳ等控制点作为观测的起算数据。观测数据经过配套的GPS数据软件解算，精度较好，满足技术要求。

3.4 采动前全面观测

3.5 观测站的观测

3.5.1 工作测点的观测

该观测站在采动前必须独立进行两次全面观测，稳定后(六个月地表累计下沉值小于30 mm)进行一次全面观测，鉴于该观测站的主要目的是监测公路在井下回采期间的变化情况，因此，在沉降活跃期须每隔7d进行一次全面沉陷观测，观测方法为：

1)各工作测点平面位置以观测站东部控制点B4、B3为起算点，然后闭合到K3、K4西部控制点上，按地面二级导线要求进行联测。

2)高程测量采用S3级水准仪，以观测站东部控制点B4、B3为起算点，按四等水准测量要求进行观测，然后闭合到K3、K4西部控制点。

3.5.2 日常观测

1)初始期观测。当该综放工作面开始回采即进入到沉陷初始期，初始期观测每月须进行一次沉陷观测。

2)活跃期观测。当综放工作面的回采推进一定距离后，地表下沉速度大于50mm/月(煤层倾角小于45°)， 即进入到沉陷活跃期， 活跃期观测每月须进行2～3次沉陷观测，直至每月地表下沉值小于50 mm时为止。

3)衰退期观测。衰退期每月进行一次沉陷观测，直至六月累计下沉量小于30mm，稳定后进行一次最终全面观测。

4 成果整理及分析

根据地表岩层移动及“三下采煤”相关规定，对地表岩层移动观测数据进行整理分析。

4.1 数据整理计算

主要日常观测数据的计算结果：

1)m次观测时n点的下沉值。计算公式为

Wn=Hn0-Hnm

式中：Wn—n点下沉值；Hn0、Hnm—分别为首次和m次观测时n点高程。

该回采工作面地表观测站最大下沉点为43号工作测点，最大下沉值W43=2 133mm，各点下沉值见图3。

2)n号点下沉速度。计算公式为

V=(Wnm-Wnm-1)/t

式中：Wnm-1、Wnm——分别表示m-1次和m次观测时下沉值；t——两次观测的间隔天数。

该回采工作面地表观测站地表岩层移动时间约为200d，最大下沉点为43号工作测点。最大下沉速度为V43=53.22mm/d。

3)n号点下沉系数。计算公式为

q≈W0/(Mcosα)≈W0/M

式中：W0—n号点下沉值；M—回采工作面采高；α—回采工作面煤层倾角。

该回采工作面地表观测站最大下沉点为43号工作测点，最大下沉系数q=0.7。4)最大下沉角。计算公式为

θ≈90°-0.5α

式中：θ—最大下沉角；α—煤层倾角取20°～21°。

该回采工作面地表观测站最大下沉角θ=79°。

4.2 数据分析

该综放回采工作面从开始回采，到地表岩层移动沉陷进入到活跃期，其最大下沉点为43号点，最大下沉值W为2 133 mm；最大下沉速V为53.22mm/d。

根据地表岩层沉陷求得的各项参数并结合地表沉陷曲线图和观测站地表沉陷剖面图，只计算出沿煤层倾斜方向非充分采动上山方向边界角γ0、 下山方向边界角β0和最大下沉角θ，而不能计算出上、下山方向移动角，并考虑表土层厚度。

表土层厚度为61.7m时，表土层移动角φ=48°，下山方向移动角边缘β0=53°，最大下沉角θ0=79°。根据求得各项沉陷数据，绘制地表岩层移动下沉曲线变形图并圈定实际边界范围(图3)。

图3 地表实际沉陷与预计沉陷范围对比剖面Figure 3 Contrast section of surface actual subsidence and expected subsidence range

由于观测线各工作测点均布设在实际地物上(即公路路面上南侧)，所求的各项参数受到公路板块整体移动等各种不利因素影响。

5 结语

通过及时准确的观测，在地表岩层移动沉陷过程中，确保了公路的维护和安全运行，达到了预期目的。

1)取得了在该地质条件下采矿，地表移动盆地内，地表构筑物沉陷破坏规律：在该移动盆地中心通过的公路正处于丘陵沟谷地段，随着移动盆地缓慢下沉，该段公路也随之缓慢下沉，路面呈现出法向段裂和受公路断裂板块挤压影响产生局部法向突起等。开采沉陷对公路主要影响表现在：

①缓慢加大该段公路东、西两侧的上下坡度，增大坡度值在1°范围内；

②公路路面局部产生众多法向裂隙；

③公路体内部法向断裂，并随地表岩层移动形成板块挤压等影响，使该段公路路面局部出现法向突起、破碎等现象。

可见地表构筑物破坏程度与地表实际构筑物的整体形态有直接关系。

2)通过图4中k4控制点、k1点、55工作测点、43工作测点(最大下沉点)、20、18工作测点、B4控制点的下沉值分别为：0、7、21、2133、15、6、0mm，实际沉降范围下山方向边界角β0=53°，上山方向边界角γ0=50°， 与按已有本矿区地表移动参数进行预计的地表沉降范围进行比较可以看出，实际边界范围比预计边界范围略大，表明该区地表移动角值中的下山方向的边界角β0可靠。

3)五采区30-Ⅳ工作面地表岩层移动沉陷区段，正处于地表丘陵沟谷地段，对地表、植被破坏程度较少，该区域内公路在正确的维护、保养下，正常运转，其主要构筑物维护工程量少、费率低，煤炭资源回采率显著，为煤炭企业在该地层地质条件下“三下采煤”提供了数据支持。

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