母杜柴登煤矿地表动态移动变形规律研究*

程显亮，王依雷，刘月华，王国文，徐茂恩，高 超，张玉军，田国灿

(1.鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中煤科工集团开采研究院有限公司，北京 100013)

井下煤炭资源采出后，岩层将自下而上发生弯曲、下沉和破断，覆岩移动逐层传播至地表，地表宏观范围内将发生下沉，形成盆地，并在开采影响范围内出现大面积地表裂缝和沉陷，严重威胁到地面建(构)筑物的使用安全[1-3]。不同的地质采矿条件，地表的移动变形程度和范围等均有一定的差异，对地面建筑物、水体、环境等造成的影响也有所不同[4-6]。同时，地表移动变形是一个动态的移动变形过程，不同地质采矿条件下的地表动态变形及剧烈程度均有所差异。对于生态环境比较脆弱、地面零星分布有抗采动能力较差的房屋及其它工业构筑物的鄂尔多斯矿区，研究其地表动态移动变形规律显得尤为重要。

本研究针对内蒙古鄂尔多斯母杜柴登煤矿厚基岩、大埋深的地质采矿条件，通过设置地表移动观测站，并对实测数据进行分析，初步掌握了该地质采矿条件下的地表动态变形情况，探究了该矿区的地表动态沉陷规律。本文所得出的结论对指导该地区今后的“三下”采煤、保护煤柱留设、工作面布置与地面建筑物保护都具有十分重要的意义[7-9]，对相似地质采矿条件地区也具有指导意义。

1 工程概况

1.1 井田位置与地表特征

母杜柴登井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜煤田的西南部，呼吉尔特矿区的东南部，行政区划分隶属于鄂尔多斯市乌审旗图克镇。地表具备典型的高原堆积型丘陵地貌特征，地表全部被第四系风积沙所覆盖，植被稀疏，属沙漠、半沙漠地区。区内地形总体趋势为东南部较高，西北部较低，最大地形高差为24.1 m。井田内受开采影响的地面建(构)筑物和设施主要有拟建于矿井西部的矿区专用铁路、工业场地进场公路、井田东部的油气井、矿井工业场地及零星村庄。

1.2 地层概况

井田范围内基本全区覆盖有一定厚度的风积沙，主要由砂和亚砂土组成，据钻孔资料统计，厚度27.13～135.50 m，平均95.26 m。下部为湖积物，主要由淤泥、各种粒级的砂组成，厚度一般小于3 m。最上部基岩层属白垩系下统志丹群，岩性组合为细砂岩与中-细砂岩互层；中部属侏罗系中统直罗组，岩性组合上部为泥岩，中砂质泥岩、粉砂岩呈互层;下部为中-粗砂岩，中夹粉砂岩、砂质泥岩。侏罗系中统延安组为主要含煤组地层，下部为粗粒砂岩和含砾粗粒砂岩；中部为厚层状砂岩，薄层粉砂岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩；上部为高岭土质胶结的细砂岩、粉砂岩，局部相变为砂质泥岩和泥岩。

1.3 工作面概况

井田设一个主水平面和五个辅助水平面进行开采，首先开采主水平面3-1煤层及以上的2-2中煤层，并将其分别划分为3个盘区，标记为301、302、303和201、202、203盘区。将2-2中煤层的201盘区和3-1煤层的302盘区作为首采盘区。30201工作面为盘区首采面，地表标高+1 279～+1 289 m，无大的工业及民用设施，仅有零星建筑物分布。

首采30201工作面的煤层厚度为3.65～6.22 m，平均煤厚5.21 m，平均煤层倾角为2°，采深620～655 m，平均采深约640 m，设计工作面长度约为240 m，设计工作面推进长度约为3 417 m，采煤机截深0.865 m，日推进进度为7.785 m。

30202工作面位于井田东南部302盘区东翼3-1煤层内，紧邻30201首采工作面，西邻未开采煤体的30203工作面，南邻井田边界保护煤柱，北邻工广保护煤柱线。30202工作面范围内煤层厚度处于4.74～6.32 m之间，平均煤厚5.68 m，平均煤层倾角为2°，设计工作面长度约为268 m，设计工作面推进长度约为3 718 m。

2 地表移动观测站布设及观测

地表移动变形是井下煤层开采所引起的一个复杂且具有一定周期性的运动过程，设置地表移动观测站，对观测点进行实时监测是认识地表移动最为直接的方法[10-11]。由于地表移动变形是多种因素综合影响的结果，观测站的实地监测可获取地表移动变形的第一手资料。经综合分析后，便可确定各因素对上覆岩层移动的影响规律，为留设保护煤柱和压煤开采设计等提供科学依据，减少开采造成的地面影响和压煤资源的损失[12]。

母杜柴登煤矿30201和30202工作面地表移动观测站观测点间距设定为25 m，控制点间距设定为50 m，测点的埋设为现场混凝土灌注，共布置4条测线(如图1所示)，分别为：30201面切眼侧走向半盆地观测线(A测线)、30201与30202面联合布置倾向全盆地线(BC测线)、30201和30202面切眼侧走向半盆地观测线(B测线)、30202面切眼侧走向半盆地观测线(C测线)。地表移动观测站各测线布设总长度约为7 006 m，测线点数共计232个。

图1 母杜柴登30201和30202工作面地表移动观测站分布图

母杜柴登煤矿地表各观测线及观测概况如表1所示。

表1 地表各观测线概况

3 地表移动变形及动态参数分析

3.1 开采过程中地表下沉与倾斜变形研究

由图2中A测线的下沉曲线(观测次数较多，绘制曲线过程中进行了选择性绘制)可以看出，由于采深较大，下沉速度较小，下沉量增加速率较平缓。随工作面向前推进，地表下沉盆地范围逐渐扩大，地表下沉值也逐渐增大，在A24#测点～A47#测点附近出现了最大下沉值，并逐渐趋于平缓，采空区上方地表出现了下沉盆地的平底。分析其最终下沉曲线，盆地边缘坡度较小、较平缓，即地表下沉值较小，A45#测点的地表最大下沉值为1 687 mm。盆地内边缘倾斜变形值较小，A测线上地表最大倾斜值约为9.72 mm/m(A22#点)，地表沉陷具有常见的“盆形”盆地的特征。

图2 A测线各次测量的下沉曲线

3.2 地表移动变形动态参数分析

在此，系统研究了地表移动变形的起动距、最大下沉速度滞后角、最大下沉速度滞后距、超前影响角、超前影响距等的动态变化规律，有利于提前确定回采过程中下沉、倾斜等地表动态移动的剧烈程度和工作面的位置关系，对地面保护具有实践指导意义[9-11]。

3.2.1 起动距

研究地表移动的起动距可了解地表何时受井下的采动影响，并根据该规律指导“三下”采煤工作。由A测线观测并找出地表首次受采动影响并出现下沉值为10 mm的点为2017年1月23日，采深记为H0，测得起动距为227.7 m≈0.361H0，即约为埋深的36.1%，基岩厚度的45.9%。

3.2.2 最大下沉速度滞后距与滞后角

研究地表的最大下沉速度滞后距与滞后角可掌握地表何时受到最大下沉速度的影响，判断受沉陷影响最剧烈的区域。

(1)由A测线A30#测点得到最大下沉速度为-13.4 mm/d，此时工作面位于A30#测点西侧的30202工作面，受相邻工作面的采动影响；在30201工作面内部，由A23#测点得到最大下沉速度为-4.9 mm/d，测得最大下沉速度滞后距L=319 m，计算得最大下沉速度滞后角Ф=arctan(H0/L)=63.1°。

(2)C测线地表移动变形监测点观测得到最大下沉速度为-15.4 mm/d，测量得最大下沉速度滞后距L=396 m，求得最大下沉速度滞后角Ф=arctan(H0/L)=57.8°。

(3)BC测线地表移动变形监测点观测得到最大下沉速度为-9.0 mm/d，测量得最大下沉速度滞后距L=387 m，求得最大下沉速度滞后角Ф=arctan(H0/L)=58.4°。

由实测数据求得的最大下沉速度滞后角可知，该角值的变化范围为57.8°～63.1°。

3.2.3 超前影响距与超前影响角

受观测时间、测线长度、测点间距的客观条件限制，应用差值法可知：A测线A21#测点于2017年1月23日捕捉到地表下沉10 mm，但此时工作面已经推过并超前于该测点；后续A21#测点、A30#测点、A33#测点均有捕捉到地表下沉10 mm，但这些点均是在工作面推过并超前于地表测点后地表才开始下沉。

母杜柴登煤矿30201与30202工作面平均采深约640 m，同时覆岩层内有多个厚度大于20 m的坚硬砂岩层，该地质采矿条件下的超前影响距与超前影响角存在一定的特殊性(超前影响角大于90°)，需要进一步实测分析、研究后确定。

根据实测数据计算得到的母杜柴登30201与30202工作面的地表移动起动距、最大下沉速度滞后距与滞后角、超前影响距与影响角，如表2所示。

表2 地表移动变形动态参数

4 结 论

(1)母杜柴登煤矿30201与30202工作面对应地表共布设4条观测线，总长度约为7 006 m，测线点数共计232个，各测线的观测次数处于33～77次之间。由于埋深较大，地表下沉速度较小，下沉量增加速率较平缓，观测得到地表最大下沉值为1 687 mm，最大倾斜变形值为9.72 mm/m。

(2)母杜柴登煤矿30201与30202工作面地质采矿条件下的起动距为227.7 m，约为埋深的36.1%，基岩厚度的45.9%。

(3)母杜柴登煤矿地表移动观测站实测得到最大下沉速度滞后距L的变化范围为319～396 m，最大下沉速度滞后角Ф变化范围为57.8°～63.1°。