鸿兴煤矿29106 工作面开采地表沉降量观测研究

李鹏

（六盘水市应急管理局，贵州 六盘水 553000）

煤矿开采过程中伴随着岩层移动和变形，造成了地表一定程度的沉陷。掌握地表移动的规律对于防治地表沉陷具有重要的意义。为了保护地表上的建筑物、水体和铁路等设施的安全，必须要合理地设计保护煤柱，这就需要用到地表移动的一些参数。为了研究和掌握山西古县西山鸿兴煤业有限公司29106 回采工作面开采引起的地表移动变形基本规律，获取该矿区内铁路、公路、水体以及工业民用建筑物保护煤柱留设参数，指导各种受护对象的保护煤柱设计，于2018 年12 月至2021 年6 月，在29106 工作面上方地表设计建立剖面线形式的开采沉陷观测站，通过监测其变形破坏，研究鸿兴煤矿采煤引起的地表沉降数值。

1 概 况

山西古县西山鸿兴煤业有限公司井田位于古县北平镇上、下宝丰村一带，井田呈一不规则多边形，南北宽3.58 km，东西长3.915 km，面积为6.543 4 km2。井田南距古县县城约65 km，西南距洪洞发煤站约97 km，内有土石路与县级公路相通，至北平镇可与323 省道相接，交通运输条件便利。

鸿兴煤业29106 回采工作面地面位于该矿区西南部，工作面总体为一单斜构造，煤层倾角为2°～6°。回风顺槽、运输顺槽各存在2 处褶曲，褶曲倾角均小于5°，对工作面回采影响不大。断层较少，除F40、F42 断层，其余规模一般不大。发育有陷落柱。根据回采工作面坑透、物探成果资料显示，该工作面同层存在3 处物探高阻异常区、4处物探低阻异常区，经钻探验证均为正常煤层，暂未发现隐伏陷落柱情况。临近轨道巷、运输、回风顺槽等顶板为K2 灰岩，坚硬，存在裂隙较少，推测该面顶板节理不发育（间距在1 m 以上），按面裂隙率分类属弱裂隙性，但顶板易破碎。井田内未发现岩浆岩。井田构造属于简单类型。

29106 工作面采用走向壁综采放顶煤方法，全部垮落法管理顶板。在煤层开采过程中，相邻工作面的采动情况对其影响较大，不可忽略，其往往导致下沉值偏大，或者盆地中心偏移等，也可能使给采动带来一些突发事件和造成采动移动过程参数变化等。29106 工作面东北为矿井9 号煤集中轨道巷；东南为实体煤区域，未进行过开采；其它区域为矿井保安煤柱。工作面四邻无采空区、小窑破坏区、煤层露头等。9 号煤上覆3 号煤层为小窑采空区，层间距平均76.6 m，如图1 所示。

图1 29106 工作面位置示意Fig.1 The location of No.29106 Face

2 地表观测站的布置

2.1 观测站设置

地表移动观测站设计所用的开采沉陷参数有走向移动角δ、倾向下山移动角β、倾向上山移动角γ，移动角修正值△δ、△β、△γ 及最大下沉角θ 等。

地表移动观测站设计时所用到的开采沉陷参数，结合晋城矿区各矿地表开采沉陷实际观测资料确定，尤其是29106 开采时地表的观测资料。

地表移动观测站设计的开采沉陷参数取值如下：①基岩移动角（走向δ，倾向上山γ，倾向下山β），其中δ=72°，γ=72°，β=68°；②表土层移动角φ=45°；③移动角修正值（走向△δ，倾向上 山△γ， 倾 向 下 山△β）， 其 中△γ=20° 、△β=17°、△δ=20°；④煤层倾角α=4°最大下沉角θ=84.4°；⑤走向充分采动角φ3=19°。

根据实地考察和分析研究，并参照结合晋城矿区各矿地表开采沉陷实际观测资料，设置29106 工作面的观测站。各观测线的总长度和点数见表1，观测站的具体位置如图2 所示。

表1 观测线长度和点数Table 1 Observation line length and points

图2 29106 工作面地表观测站布设Fig.2 The surface observation station layout of No.29106 Face

如图2 所示，观测站布设为2 条观测线，每条观测线一端设置1 组控制点，控制点距离采空区边界的水平距离都大于0.7 H（H 为开采深度）。

2.2 实际测点构造及埋设

工作测点间距离为20 m。观测站的控制点和工作测点采用混凝土灌注埋设。测点规格和埋设要求如图3 所示。

图3 测点设计标志示意Fig.3 The design symbol of measuring point

在进行灌埋时，首先，在标记的位置挖1 个深度不小于0.6 m 的深坑，坑的尺寸取决标记的大小，通常是直径0.2～0.3 m 的圆；然后，将预制的标准混凝土桩埋入到坑内，并将坑周围用混凝土填实。在进行测量时，以混凝土桩的中心点作为观测的标志点。根据地形情况测点也可以采用木桩，木桩长50 cm，直径5 cm，木桩上钉上小钢钉，小钢钉长3 cm，直径2 mm。

3 观测内容及方法

地表移动观测站建立后，要分别进行与观测矿区控制网连测、全面观测等测量工作，由于受地形影响，使用的仪器及测量内容见表2。

表2 地表变形观测站所使用的仪器及测量内容Table 2 The instruments and measurement contents used in surface deformation observation station

地表移动观测站建立后即要进行观测，在开采过程中不同的时间内进行不同的观测内容，观测时间和次数可按采动前、移动初始期、移动活跃期和移动衰退期阶段安排，具体见表3，如工作面推进有变化，应按实际情况进行调整。

表3 地表移动观测站观测时间及观测内容Table 3 The observation time and observation content of surface movement observation station

观测数据的处理步骤如下。

（1） 观测成果的检查和计算。每次观测后应及时进行检查。如发现粗差或超限，应及时重测，直至全部观测数据符合要求为止。各点高程计算时先进行平差，然后计算高程，并将所得的各点的高程填入综合计算表中。各点间沿观测线方向的水平距离由实测数据加入各种距离改正后求得。

（2） 各观测点的三维坐标计算。开采沉陷观测站的所有控制点和监测点，每次外业观测完成后，其点位坐标及高程运用测量平差软件进行计算，检查其计算精度符合技术规范要求。经平差计算得出各监测点的三维坐标（x，y，H）。

（3） 观测资料整理的主要目的是求得各测点的下沉变形，可由2 次不同的水准测量或三角高程测量的高程差来计算。

（4） 地表点移动变形计算。观测数据经过整理改正后，便可计算观测线上各测点和各测点间和沿测线方向的变形。

m次观测时n 点的下沉可用下式计算：

式中：Wn为地表点的下沉值；Hn0和Hnm分别为地表n 点在首次和m 次观测时的高程。

4 观测结果分析

29106 工作面地表下沉规律曲线如图4 所示。

图4 下沉曲线Fig.4 The sinking curve

由图4（a） 可以看出，走向观测Z 线最低点地面标高为1 204.775 m，最高点地面标高为1 386.836 m，最大相对高差182.061 m，相比观测线长度，其地势起伏相较大。随着工作面的推进，地表下沉逐渐增大，到第8 次观测地表最大下沉在Z39 处达到2 112 mm，在第8 次观测范围内出现了基本稳定平底，说明走向方向达到充分采动，整体曲线规律性较好。

由图4（b） 分析及观测数据计算可知，倾向观测Q 线最低点地面标高为1 229.481 m，最高点地面标高为1 357.417 m，最大相对高差127.936 m，相比观测线长度，其地势起伏相较小。大部分在采空区范围内沉陷值最大，到第五次观测地表最大下沉在Q17 处达到1 222 mm，整体曲线规律性较好。

选择29106 观测站观测资料较为完整且有代表性的位于观测Z 线Z39 号测点作为下沉速度计算点，计算结果见表4。按表4 计算结果制作该点的下沉速度和下沉过程曲线，如图5 所示。

表4 29106 观测站Z 线Z39 号测点下沉速度计算Table 4 Calculation of sinking velocity of Z39 measuring point on Z line of No.29106 observation station

图5 观测Z 线Z39 号点的下沉速度及下沉曲线Fig.5 The sinking velocity and sinking curve of observation Z line Z39 point

由图4 观测Z 线Z39 号点的下沉速度及下沉曲线图分析可得，从2019 年2 月开始回采20106工作面，从此时开始计入下沉开始阶段，地表移动下沉量主要集中在活跃期，衰退期还未结束。

移动初始期（TC） 为地表点开始下沉至下沉速度50 mm/月（1.67 mm/d），TC=14 d；移动活跃期（Th） 为地表点下沉速度大于等于50 mm/月（1.67 mm/d），Th=330 d；移动衰退期（TS） 为地表点连续6 个月下沉量小于50 mm/月（1.67 mm/d） 且下沉累计不超过30 mm 时止的阶段，TS=466 d；移动总延续时间（TZ） 为810 d。

Z39 号点最大下沉速度发生在2019 年6 月和2019 年10 月，在此期间该点平均最大下沉速度为12.591 7 mm/d。按Z39 号点求取的最大下沉速度Vm=89.272 7 mm/，Z39 号点在移动期内的最大下沉值Wm=2 112 mm，Z39 号点的采深H=275 m，该工作面总共长740 m，共计开采900 d，由此求得下沉速度系数为1.996。

5 结 语

通过建立的29106 工作面的走向和倾向观测站，获得了回采期间的岩层移动规律。观测结果表明，地表的下沉值较大，且岩层运动时间较长，这对于地表建筑物十分不利。为此，在开采过程中，必需要做好地面采动区设施的保护工作。