井下采动对地表岩层移动的影响研究

梁福兵，武亚男，王静波

（山西长治联盛首阳山煤业有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

随着煤层开采效率的提升，工作面在经过采动的剧烈影响后，将会造成地表位置的岩层移动。生产矿井为确保煤炭开采的合理性和煤柱留设的具体尺寸，将会对矿区内的围岩及地表移动规律及有关参数进行观测分析，掌握地表和岩层移动的基本规律[1-3]。为了削弱煤炭开采对地表构筑物等造成的影响，根据首阳山煤业3 号煤层具体地质条件，将在首阳山某矿3102（全文简称3102）工作面建立地表移动观测站，从2020 年1 月—2020 年10 月对地表沉陷进行现场观测。目的在于从而在最大限度地采出煤炭资源的前提下，又能有效保护地表建筑物。因此，本项目对提高煤炭资源采出率和开采效益等均具有十分重要的理论和实际意义。

1 矿井概况及工作面条件

首阳山煤矿位于山西省长治市，井田面积为6.68 km2，目前所开采的3 号煤层平均厚度为4.6 m，煤层平均倾角4°。本次所监测的3102 回采工作面宽90 m，长807 m（实际开切眼与停采线距离），平均采深98 m。设站工作面为本矿3 号煤层顶板岩性为灰岩、泥岩等煤系地层，属中硬-坚硬岩石，采煤方法设计为走向长壁综合机械化综采放顶煤采煤法。

2 地表移动观测站设计

2.1 观测站的布置

观测站的布置方式主要分为网状观测站和剖面线状观测站，目前更多矿井地面采用的是剖面线状观测站。当回采工作面处于充分采动的前提下，观测线可以设置在盆地的平底部分；如果采动不充分，观测线通常设在移动盆地的主断面位置。观测中将于采动影响范围内设置观测点，在采动过程中该点应与地表同时移动。根据矿区地形特点，选择剖面型线状普通地表移动观测站进行布置，并设计走向观测线和倾斜观测线互相垂直。

2.2 观测线位置的确定

3102 工作面长807 m，平均埋深为98 m，沿着倾向推进，则判断倾斜方向为充分采动、走向方向为非充分采动。参照首阳山煤业3102 工作面地质采矿条件以及《煤矿测量规程》的规定，共在地表移动盆地的主断面布置一条走向观测线及两条倾斜观测线，并按规定垂直布置。

2.2.1 倾斜观测线位置的确定

剖面线状观测站的设计图如图1 所示。

图1 观测站平面设计图

为使倾向观测线处于充分采动区域，且不受周边采动的影响，倾向观测线到开切眼的距离D1应按公式（1）进行计算

式中：H0为平均开采深度，96.5 m；h 为松散层厚度，15.83 m；φ 为松散层移动角，45°；δ 为走向移动角，72°；Δδ 为移动角修正值，20°。

将3102 回采工作面的已知数据及已取得的该地区的开采沉陷参数分别代入式（1）得到D1=78.86 m。

倾向观测线到停采线的距离D2应根据式（2）计算：

式中：φ3为走向充分采动角，50°。

将3102 回采工作面的已知数据及已取得的该地区的开采沉陷参数分别代入公式得到D2=80.97 m。

综上所述，可以得到3102 回采工作面内倾向观测线距离开切眼的距离范围为：

式中：l 为工作面走向长度，283 m。

计算得：L≈202 m。

故最终倾向观测线B、C 线的位置分别取距3102回采工作面开切眼165 m、120 m 处。

2.2.2 走向观测线位置的确定

走向观测线应按设计将布置在移动盆地的走向主断面上。以采空区中心用最大下沉角与地表相交处的O 点作平行煤层走向的垂直断面，标注走向观测线的位置。

2.3 倾向观测线长度的确定

根据钻空资料，采区下山边界开采深度为106 m，采区上山边界的开采深度为87 m，经过对角度、表土层数据的修正，实际布设时，3102 回采工作面上倾向观测线B、C 线长度取300 m。

2.4 走向观测线长度的确定

为了保证观测线位于移动盆地主断面且不受邻近区域采动的影响，将在工作面开切眼和停采线处设置一条走向观测线。实际布设时，3102 回采工作面上走向观测线A 线长度取525 m。

2.5 测点数目及密度

3102 开采深度98 m 左右，根据《煤矿测量规程》，在观测线工作长度以外设置观测站布控点，点间距布置为15 m。布控点沿观测线排列，前后两端不少于两个。在观测站存在期间，以布控点的原坐标作为观测原点，为保证观测数据的持续稳定，将定期对岩层移动进行记录。

3 岩层移动结果

3102 工作面地表移动观测站于2020 年1 月正式建立并进行了首次全面监测。同时作为原始数据进行记录，直至当年10 月30 日结束观测。期间共进行了12 次岩层移动观测，最终汇总见表1。

表1 3102 工作面开采后地表移动和变形最大值

由表1 可知，当回采工作面自切眼向前推进时，会逐步形成地表移动盆地。工作面推进至开采深度的25%～50%时，地表处将会受到影响出现下沉。随后，在工作面的不断推进中，采空区面积随之增大，地表的影响范围不断扩大，下沉值呈上升态势。

图2-1 为走向方向下沉曲线图，可以看出当非充分采动时，下沉值随工作面的推进而增大，下沉极点随之前移，地表移动盆地的范围和移动量呈上升状态；当采动逐步活跃后，下沉曲线斜率也较大，下沉变化剧烈且更为集中。当工作面的回采至充分采动时区时，最大下沉值不再增加，在工作面回采结束后，工作面开采所形成的地表移动盆地的剖面形状呈盆状。最后一次观测结束后，走向观测线最大下沉值发生在为3 292 mm。

图2-2，图2-3 为2 条倾向方向下沉曲线图，给出了倾向B 线、C 线上的各测点的下沉值。

从倾向方向的下沉曲线图2-2 和图2-3 可以看出：下沉值随着工作面的推进而增大，最大下沉点位于走向主断面上。C 线、B 线分别距离开切眼为170.6 m、215.6 m，所以工作面此时已达到充分采动。两条线的下沉趋势趋于一致，其中C 线、B 线最大下沉值分别为3 284 mm、3 369 mm。曲线符合地表下沉规律。

4 结论

在收集首阳山煤业3102 工作面的地质采矿资料和图纸的基础上，设计了岩移观测站，获得了比较准确、可靠的观测资料进行了分析研究，主要得出以下结论：

1）根据首阳山煤业的地质采矿条件和上覆岩层结构，建立了地表移动观测站，观测线沿走向和倾向各一条，实际共埋设78 个测点，分别得出了工作面开采后三条测线最大下沉值、最大倾斜值等特征值。实测结果与预期值相吻合，回采工作完成后地表虽存在一定变形，但仍可满足后续开采的要求。

2）根据对观测数据的分析研究，总结给出了3102工作面岩层与地表移动规律及其参数，获得了岩层移动角、边界角等角量参数。