单一煤层连续开采地表移动规律研究

庞庆刚

(开滦(集团)有限责任公司钱家营矿业分公司，河北 唐山 063000)

厚松散层是开滦(集团)有限责任公司地质开采条件的特点之一，从20世纪八九十年代，开滦集团已经建立了各类地表移动观测站，这些观测站松散层厚度一般在67～300 m内变化，为研究开滦矿区厚松散层地表移动规律提供了大量的资料[1-5]。但是，随着开采深度的逐步增大，矿井开采地质力学环境与浅部开采相比发生明显改变，深部开采地表移动也呈现不同于浅部开采地表移动和变形规律[6-7]。目前开滦集团大部分矿井平均采深在600 m以下，但至今尚没有该岩层条件下较完整的岩移观测站资料和各种地表与岩层移动参数。

2012～2014年，开滦集团(钱家营)矿业分公司和中煤科工集团唐山研究院有限公司合作进行了十采区2075西工作面观测站的建立、观测及总结，并于2014年通过了开滦集团有限责任公司的课题鉴定，取得了较好的应用效果、经济效益和社会效益。为继续深入研究厚冲积层大采深下煤层连续开采地表移动规律，在十采区2075西工作面观测站的基础上继续对2076西工作面观测数据进行总结分析。

1 项目区概况

1.1 地质采矿条件

钱家营矿十采区目前主采七煤层，煤层倾角1°～9°，平均为7°；煤层平均开采厚度4.0 m，煤层平均开采深度-660 m，老顶为浅灰色细砂岩，顶板岩性为深灰色粉砂岩，底板岩性为深灰-灰褐色粉砂岩，该采区松散层厚度平均100 m，主要为砂土卵石和粘土卵石组成，基岩厚度约600 m，主要由泥岩和砂质泥岩组成。走向长壁式采煤法、全部垮落法管理顶板，2076西工作面位于十采区西翼，走向长1 270 m，倾向长196 m，南侧为同煤层倾斜上方的2075西工作面已回采完毕。

1.2 观测站设置与观测概况

本观测站继续沿用2075西工作面的观测线，即沿铁路布置的一条倾向观测线，并向北延伸200 m，新建控制点2个，利用原控制点1个；新建工作测点5个，利用原控制点1个。观测线长约2.0 km，共有73个工作测点，平均间距25 m ；北边控制点设3个，平均间距100 m。具体见图1，观测站布置示意图。

图1 观测站布置示意图

观测站自2012年5月建成，2012年7月进行了连接测量和首次全面观测，至2075西工作面回采完毕后于2014年4月进行了最后一次全面观测，工作面上方累积下沉644 mm，地表未发现明显的地裂缝。钱家营矿于2015年5月开始对2076西工作面进行回采，至2016年5月整个工作面回采完毕，初始观测工作于2015年8月～2016年11月共对铁路观测线进行了11次水准测量。

2 地表观测站观测数据分析

2.1 观测站受2076西单一工作面开采影响分析

矿方于2015年8月完成了观测站的首次全面观测，至9月11日第一次沉降观测时，最大下沉点位于28号点，下沉值50 mm；随着2076西工作面不断推进，当推至2015年11月份观测站正下方时，最大下沉位置位于27号点，最大下沉623 mm；至2016年1月份，工作面推进920 m，远离观测站265 m时，最大下沉值位于26号点，最大下沉值为1.172 m，最大下沉速度达到20.9 mm/d；至3月9日，26号点继续下沉至1.519 m。期间由于地表下沉较大，为确保铁路的安全运行，铁路部门对铁路进行了维修，对地基重新进行了起坡压实，造成处于盆地中央的27～30测点点位被埋而无法观测，因此根据实测数据无法确定最终地表累计下沉值，只能根据现有测点的下沉趋势预计最终地表累计下沉值，预计2076西工作面开采完毕后最终地表最大下沉值为1.5～1.6 m。

2.2 观测站受2075西、2076西工作面连续重复开采影响分析

该观测站是2075西工作面观测站的延续，至2014年4月最后一次沉降观测，工作面倾向方向远没有达到充分采动所需的宽度尺寸，最大下沉点31号点的累计沉降值仅为644 mm。之后2076西工作面接续开采，观测站受2075西工作面的残余影响和2076西工作面的接续开采影响。

为了分析十采区单一煤层连续开采影响下地表移动变形规律，以2075西工作面未开采时2012年7月14日观测结果为初始值，重新计算2076西工作面开采时的观测站的沉降情况。取31号测点前后共21测个点2012年7月14日的沉降值和2015年8月25日首次全面观测期间的沉降值，计算地表在2075西工作面的残余影响、地表未受到2076西工作面回采波及的情况下地表的沉降值，地表已平均累计下沉约500 mm，因此以2012年7月14日观测结果为初始值计算每次观测时的沉降值，至2076西工作面回采完毕时，受煤层连续开采的影响，预计地表最大下沉值约为2.0～2.1 m。

3 地表移动规律研究

3.1 最大下沉点下沉规律

综合分析观测线上测点主要受2076西工作面的采动影响和2075西工作面采后波及影响，最大下沉点呈现不充分采动时下沉规律：最大下沉点由2075西工作面盆地中央31号点向工作面推进方向移动，至2076西工作面开采时，最大下沉点移动至采空区边缘28号点，随着2076西工作面回采完毕，最大下沉点移向倾向观测站中心23号点，最大下沉值也由2075西工作面采后最大下沉值644 m逐渐下沉，至2076西工作面回采完毕时，受煤层连续开采的影响，推算最大下沉值约为2.0～2.1 m。地表移动盆地形成过程见下图2。

图2 地表移动盆地形成过程

3.2 岩移参数变化规律

(1)根据观测站实测数据求取了2076西工作面开采下综合边界角为51°，下沉系数0.91，主要影响角正切为2.0，通过岩移参数发现该煤层连续开采后的地表移动符合重复采动影响的规律，即移动过程剧烈，地表下沉值增大，地表移动速度加大等。

(2)重复采动时，受初次开采破坏的岩体进一步破坏，使岩层和地表的破坏程度加剧，破坏范围加大，地表出现地裂缝，使地表不连续，附近村庄的民房墙上出现明显的裂缝。

3.3 地表移动特性分析

地表移动特征包括沉陷盆地形态、动态发育过程以及变形曲线特征等[8-10]，2075西工作面采后地表移动盆地范围远大于工作面开采范围，沉陷盆地呈“椭圆”形态，且随着距工作面的距离增加，这种形态愈加明显。由于工作面倾向开采尺寸未达到1.2～1.4H0(为平均开采深度)，地表沉陷未到该地质采矿条件下的最大值，最大下沉值为644 mm，只占到平均采厚(4 m)的16%，与工作面开采尺寸比(倾向长/走向长)成正比(2075西工作面实际开采尺寸195/1 200为16%)，随着2076西工作面的开采，工作面沿倾向方向尺寸加大，最大下沉值为2.0～2.1 m，占平均开采厚度(4.0 m)的45%～48%，此时，2075西与2076西工作面在倾向上的尺寸达到了400 m，工作面开采尺寸比约为35%。

4 结 论

本文根据对现场数据的实测分析得出厚松散层大采深单一煤层连续开采下地表移动规律，反映了煤层重复开采时的地表移动情况，对于指导工作面接续开采时的地表移动情况具有重要的意义。