煤矿开采覆岩与地表地质变化分析

曹桂芳

（大同煤矿集团有限公司煤峪口矿地测科，山西 大同 037041）

煤矿开采对当地生态环境的影响一直以来都是备注关注的问题。由于煤矿开采导致地下覆岩发生变化，跟随着地表的地质也发生变化，主要变现为地面植被覆盖率低、出现塌陷、滑坡等自然灾害。为避免煤矿开采所导致生态环境被破坏以及影响煤矿可持续开采的问题，需对开采过程中的覆岩和地表地质变化进行详细分析，并针对性的提出合理的调控技术和建议[1]。

1 工程概况

本文以同煤某矿工作面为例对其覆岩及地表地质变化进行分析，该工作面的走向长度为3224 m，其中倾斜工作面的总长度为284.3 m。经探测，工作面的煤层结构相对简单，属于稳定性煤层，该工作面的顶底板情况如表1所示。

表1 同煤某矿工作面顶底板情况

经探测，该工作面上方覆岩的厚度范围为35 m至98.5 m，覆岩的平均厚度为42 m。该工作面的平均涌水量为75 m3/h；相对瓦斯涌出量为0.08 m3/t。目前，在实际开采中工作面采用锚杆+锚索与金属网联合支护方式进行支护。经对对该工作面矿压观测可知，其最大来压强度为48.7 MPa，周期来压的最大强度值为49.5 MPa。而且，在工作面存在风沙渗透的情况，说明地表可能存在裂隙[2]。因此，急需对该工作面开采的覆岩和地表地质变化进行分析。

2 工作面覆岩变化分析

本文采用模拟实验的方式对覆岩的变化情况进行分析。结合同煤某矿工作面的地质、煤层等条件建立试验模型，根据实际情况所设计试验模型的岩层数量总计为20层。为了保证基于试验所获取结果的准确性，要求所搭建的试验模型具有足够的刚度，即保证整个试验模型的稳定性。为此，建立试验模型的高度为4 m，宽度为0.3 m，高度为2.2 m。为了保证所监测数据的全面性，在所建立表面设置7条观测线，且每条观测线上分布有26个观测点。

本次试验采用电子全站仪对各个观测点随着煤层开采时的位移变化进行监测。根据该工作面的推进速度为15 m/d，换算所得试验模型的开采速度为15 cm/2.4 h；对于240 m工作面开采所需时间为16 d，换算所得试验模型开采完成所需时间为1.6 d。根据实际生产情况，对于所建立的模型每天开挖四次，共需开挖4 d后完成，对应每天开挖时间分别为8点整、10点30分、15点整以及17点30分[3]。每次开挖后均需仔细记录工作面顶板的破坏记录，并详细记录地表裂隙出现的时间和顶板下沉量，每次开挖后的试验结果如表1所示。

如下页图1所示，本次模拟试验中覆岩下沉量最大值为3500 mm；工作面不同顶板的破断距离和最大控顶距离如下页表2所示。

表2 顶板破断距离及最大控顶距离 m

结合图1的试验结果，对应到实际工作面覆岩的变形可总结：在工作面煤层顶板上方84 m位置的覆岩出现严重跨落和离层的现象，且对应地表出现缝隙的发育平均角度为53°。

图1 覆岩下沉曲线

3 工作面地表变形分析

为获取工作面地表变形的精准数据，在工作面停采附近的位置设立地表移动观测站对地表变形情况进行监测。结合“2”中所得覆岩变形结果，在停采线附近总共布置23个观测点，且每个观测点之间的间距为15 m[4]。整个观测从2019年11月至2020年9月结束，期间共完成水准测量十一次，平面测量十次，主要对地表变化的稳态参数和动态参数进行监测。

3.1 稳态参数的分析

监测的稳态参数包括有边界角、移动角、裂缝角以及充分采动角等。各个稳态参数的检测结果及分析阐述如下：

1）对于边界角而言，包括有上山综合边界角和下山综合边界角。其中，在不考虑煤层倾角的情况下综合边界角为60.02°；综合考虑煤层倾角的关系，得出上山和下山综合边界角为43.92°。

2）对于移动角，着重对主断面和倾向断面的移动角进行监测。其中，主断面综合移动角为67.07°，倾向主断面移动角为58.39°。

3）地表综合走向裂缝角为67.07°，而且上山裂缝角和下山裂缝角均为63.08°。

4）地表综合充分采动角为51.07°，上山和下山的充分采动角均为43.92°。

3.2 动态参数的分析

动态参数表征的是随着开采的进行地表在活跃其的参数变化，包括有超前影响距、超前影响角和最大下沉速度[5]。在将近一年的测量中，得出如表3所示的结果。

表3 动态参数测量

4 结论

煤矿实际开采过程中会对当地生态环境造成影响，在影响当地居民日常正常生活的同时还极大制约了煤矿的可持续发展。本文对同煤某矿工作面的覆岩及地表地质变化情况进行分析得出如下结论：

1）在工作面煤层上方84 m的位置会出现覆岩垮落以及离层等现象，且明确了该工作面的直接顶和老顶的最大控顶距离和破断距离。

2）得出工作面稳态和动态参数的变化情况，为后续煤矿开采地表及覆岩变化提供依据。