莒山煤矿ZF306 综放工作面开采地表移动变形规律研究

杨 树 才

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城048002）

煤炭开采后造成的地表沉陷发展过程十分复杂，地表沉陷与采矿条件、地质条件等因素密切相关[1-2]。现阶段地表沉陷分析主要通过在地表布置测站对地面下沉进行实时观测，后对观测数据进行综合分析，从而掌握地表变形规律[3-5]。莒山煤矿开采的ZF306 综放工作面位于矿区东830～1350m 处，附近分布有部分的构筑物，采面回采过程中引起的地表位移可能会给部分构筑物使用安全带来一定影响。为此，在ZF306 综放工作面对应地表上构建观测站，以期掌握开采引起的地表移动规律，并指导ZF306 综放工作面后续开采。

1 工程概况及地表测站布置

1.1 工程地质概况

莒山煤矿ZF306 综放工作面为3#煤层大巷煤柱回采工作面，主采的3#煤厚度介于5.51～6.16m，平均厚5.83m，中间夹杂有2～3 层泥岩矸石，煤层结构整体较为简单。3#煤层赋存较为稳定，埋深平均120m，为全区可采煤层，上覆存在的赋存不稳定的薄层泥岩伪顶，直接顶为细砂岩、粉砂岩为主，基本顶为粗砂岩为主，直接底为砂质泥岩。ZF306 综放工作面设计回采距离为950m、采面切眼长度为90m，采煤高度为2.0～2.5m，放煤高度3.0～5.68m。采面推进速度在1.8～4.8m/d，平均推进速度为3.6m/d。

1.2 地表测站布置

图1 测点布置示意图

在ZF306 综放工作面对应地表上布置4 条测线，其中走向测站1 条、倾向测线3 条，具体布置见图1 所示。其中倾向每隔50m 布置1 条测线，共有A、B、C3 条测线，测点编号分别为A1-A8、B1-B8、C1-C8；走向测线每隔80m 布置1 个测点，共计布置12 个，编号依次为Z1～Z12。地面测点观测高程测量采用水准仪实现、平面坐标测量采用全站仪观测。

2 地表变形移动规律分析

2.1 地表变形形态分析

地面变形可能呈现的形式主要有地表裂隙、地表沉陷盆地[6]。ZF306 综放工作面回采后，根据现场地表岩层移动观测发现地表变形形态为地表沉陷盆地且发育有地表裂缝。地表裂缝分布形态多为台阶裂缝，最大落差为220mm、裂缝宽度最大110mm、发育深度约为3.0m，地表裂缝发育位置集中在采面回采巷道两侧，整体分布呈椭圆形分布。

2.2 地表变形规律分析

ZF306 综放工作面开采后地表变形沉陷呈现连续渐变特征，地表移动变形位置集中在采空区对应地表，在采空区两侧对应地表至地面下沉盆地边缘范围内地表下沉以及水平移动值呈降低趋势，且变形量值均较小。经过10 个月持续监测，具体获取到的地表测点最大变形量值见表1。

表1 地表最大移动变形量实测结果

ZF306 综放工作面在回采过程中，监测发现地表最大下沉量值、最大倾斜值分别为2 562mm、-43.2mm/m; 最大水平位移以及最大水平变形值分别为1437mm、-23.1mm/m

为直观表达地表沉陷情况，以A2 测点为坐标原点，设定地表高程为+1 200mm，通过对监测数据处理分析，具体得到采面各测线对应走向、倾向变化曲线，具体见图2、3 所示。

图2 工作面走向观测线沉降曲线

经过数据测试分析，发现下沉量最大位置出现在Z6 点位置，最大下沉量达到2 562mm，通过与矿井地质资料对比分析，发现该位置对应有X3 陷落柱，陷落柱影响宽、长分别为8、5m，陷落柱内胶结性较差，从而使得地表下下沉量增加。

图3 倾向观测线沉降变化曲线

3 地表移动参数

地表移动参数是表征地面移动变形特征、程度的数值，主要表征参数包括有移动角、最大下沉角、地表移动启动距以及地表移动延续时间等[6～8]。

3.1 移动角

根据地面测点变形监测结果，在采面走向方向上曲率为0.2×10-3/m 的临界点位于Z2、Z3 测点间，约为采面切眼正上方位置，因此认为采面走向移动角δ=90°；在倾向方向上曲率为0.2×10-3/m 的临界点位于B7、B8 测点间，与ZF306 主运巷间距约为10～25m，据此可判定下山移动角β=85°。

3.2 最大下沉角

在ZF306 工作面地表最大下沉点为Z6 点位置，但该位置下沉量较大主要原因是受到陷落柱影响，从而导致下沉量有所增加。因此，根据将陷落柱影响区域以外的测点（Z8）下沉量求解最大下沉角。Z8 点位于采面采空区对应中心位置，因而求得最大下沉角θ=90°。

3.3 地表移动启动距

一般情况下采面回采时地表移动启动距约为0.25 倍～0.5 倍煤层埋深（H），在ZF306 工作面推进88m 时地表测点表现出一定下沉，其中最大下沉点为Z4 测点，下沉量为11mm，因此可断定ZF306 回采时地表移动启动距为88m，约为0.28H。

3.4 地表变形时间

从监测结果得知，地表下沉量最大的测点为Z5～Z9，分析上述测点变化趋势发现：

Z5～Z9 测点在下沉速度表现出前缓慢增加、后持续快速增加、最终趋于平稳趋势。地表移动初始时间较短，仅为5d，后快速进入到地表下沉活跃期，其中活跃期持续时间约为90d，平均下沉量达到21.5mm/d。地表变形活跃期下沉量可达到下沉总量的93%。

4 结束语

1）对ZF306 综放工作面开采期间引起的地表变形进行现场测试，从而得到该矿3# 煤层开采期间的地表变形规律，可为地表构筑物保护提供一定数据支撑。

2）在监测期间Z6 测点下沉量最大，通过比对地质资料，发现该测点收到X3 陷落柱影响，从而导致下沉量值有所增加，表明地质构造对地表位移变化有一定影响。

3）在ZF306 综放工作面回采期间地表变形总体呈现逐渐变化趋势，但在某个阶段地表下沉量呈现快速增加趋势。地表下沉主要集中在活跃期期间，活跃期下沉量占地表总下沉量约为93%。