王 維

(潞安集團 潞陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

1 工程概況

麥捷煤業(yè)公司開采的15號煤為全井田可采的較穩(wěn)定煤層。根據(jù)DS1、DS2和D173鉆孔提供的數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段正在回采的150502工作面，煤厚為6.0～6.6 m，平均6.3 m，煤層傾角0～10°，煤層賦存穩(wěn)定，煤體容重1.45 t/m3，含一層夾矸約0.4 m，局部地段含兩層夾矸(0.2 m、0.2 m)，夾矸為砂質(zhì)泥巖或泥巖，頂板為石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖。工作面地面標高為+1 163～+1 183.5 m，工作面標高為962～1 024.7 m，埋藏深度為107～235 m，可采長度728 m(以軌道聯(lián)絡巷交叉口為起點)，傾斜長度205 m，面積149 240 m2，采用綜采放頂煤開采，工作面布置如圖1所示。150502工作面南部為實體煤，北部為150501工作面采空區(qū)，東鄰實體煤(礦界)，西鄰15號南回風大巷，采用U形通風方式。15號煤層150501首采工作面回采后造成地表有塌陷，為了獲取15號煤層開采引起的地表沉陷規(guī)律，需進行地表位移觀測，而150502工作面位于井田中部，方山腳下荒山溝谷內(nèi)，地面無建筑物與水體，非常有利于地表移動觀測站的布置，因此決定在150502工作面開展地表位移監(jiān)測，以獲取15號煤層開采上覆巖層的巖移規(guī)律和相關(guān)參數(shù)。

圖1 150502工作面平面布置

2 150502工作面覆巖運動規(guī)律鉆孔原位探測研究

為了解150502工作面回采時，其上覆巖層的運動規(guī)律及地面沉降的機理，在工作面端部的DS1鉆孔內(nèi)進行原位探測實驗[1]。根據(jù)錢鳴高院士的工作面上覆巖層關(guān)鍵層理論，煤層頂板內(nèi)存在一層或多層對于上覆巖層運移規(guī)律起控制性作用的巖層，首先需要對關(guān)鍵層進行識別，根據(jù)150502工作面DS1鉆孔得到的巖層柱狀圖，采用關(guān)鍵層判別軟件對關(guān)鍵層進行辯別[2-3]，結(jié)果表明，150502工作面埋深為150 m，頂板內(nèi)存在三個關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層：埋深35 m，厚度8.96 m的粉砂巖；亞關(guān)鍵層2：埋深65 m，厚度24.3 m的中砂巖；亞關(guān)鍵層1：埋深138 m，厚度為12.69的粗砂巖。在DS1鉆孔內(nèi)共布置4個位移探測點，測點布置見圖2。由于亞關(guān)鍵層1處圍巖破碎嚴重，測點安裝困難，將測點1布置在距離亞關(guān)鍵層13 m處，一定程度上代表亞關(guān)鍵層1的運動。

圖2 巖移內(nèi)部測點布置

150502工作面回采期間，實時記錄DS1鉆孔超前工作面150 m和滯后工作面180 m過程中，頂板巖層的運移規(guī)律。DS1鉆孔位于采煤工作面前方時，頂板巖層不發(fā)生任何垂直位移，因此僅將DS1鉆孔位于工作面后方20～180 m范圍內(nèi)的巖移數(shù)據(jù)給出，位移計記錄的為頂板巖層和地表的相對位移，根據(jù)地表的沉陷值進行修正后，得到各測點處巖層的絕對下沉量變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 工作面回采過程中覆巖絕對位移量變化規(guī)律

由圖3可以看出，工作面推過DS1鉆孔30 m范圍內(nèi)，上覆巖層的下沉基本同步，當超過30 m時，測點1和測點2處巖層的下沉量劇增至1 200 mm，由此可知，此時亞關(guān)鍵層1發(fā)生斷裂下沉，且上覆巖層基本上同步下沉；當工作面推過DS1鉆孔60 m時，測點3處巖層下沉速度加快，表明此時亞關(guān)鍵層2斷裂，盡管此時亞關(guān)鍵層1已斷裂，然而亞關(guān)鍵層1處的下沉速度仍較大，由此可知，亞關(guān)鍵層2下方可能會存在較大的離層空間；測點4的下沉量變化基本與地面同步，亞關(guān)鍵層2、主關(guān)鍵層和地表發(fā)生同步下沉。綜上分析可知，亞關(guān)鍵層1控制著亞關(guān)鍵層2和1之間巖層的運移規(guī)律，亞關(guān)鍵層2下部至少存在1 500 mm的離層空間，亞關(guān)鍵層2控制著亞關(guān)鍵層2和主關(guān)鍵層及地面間巖層的運移規(guī)律，主關(guān)鍵層下部至少存在300 mm的離層空間，監(jiān)測結(jié)果很好地驗證了覆巖關(guān)鍵層對上覆巖層的控制作用。

3 150502工作面地表沉陷規(guī)律實測

為具體掌握150502工作面回采引起的地表沉陷規(guī)律，與DS1鉆孔監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行對比分析，在150502工作面對應地面布置地表下沉測線，進行地表下沉實時觀測研究[4]。沿150502工作面長度方向和推進方向各布置一條測線，分別為A測線和B測線，工作面長度方向的A測線共布置22個測點，測線與工作面推進方向垂直，并且經(jīng)過DS1鉆孔(監(jiān)測鉆孔位置地表的下沉量)，測點間距30 m，測線總長630 m。工作面推進方向的B測線，位于150502工作面中部，且沿DS1鉆孔兩側(cè)對稱布置，共布置9個測點，測點間距30 m，測線長240 m。

測線B的中間位置與DS1鉆孔在工作面長度方向上位于同一直線，因此地面沉陷觀測時，以工作面推過鉆孔的距離為標準，表示工作面與測線B相對位置。整理后得到150502工作面走向動態(tài)下沉結(jié)果。第一次進行數(shù)據(jù)測量統(tǒng)計時，工作面已經(jīng)回采過B6～B9，故首次統(tǒng)計時這些測點已有不同程度的下沉，工作面推過鉆孔32.89～45.09 m范圍內(nèi)時，地表下沉值增長速度緩慢，對應于上文的研究結(jié)果，表明此時頂板巖層內(nèi)亞關(guān)鍵層1斷裂，而亞關(guān)鍵層2未斷裂，下方逐漸產(chǎn)生離層，工作面推過鉆孔達到58.99 m時，地表下沉量開始快速增大，表明此時亞關(guān)鍵層2發(fā)生斷裂，而工作面推過鉆孔90.99～103.49 m處主關(guān)鍵層的斷裂，對于地表下沉速度的影響并不顯著。觀測至工作面停采兩個月后，測點B9處地表下沉值達到1 200 mm，B8處下沉約3 000 mm，其余測點地表下沉量均在3 500 mm左右，B5處下沉量達到3 660 mm，150502工作面煤層均厚6.3 m，可得地表沉陷的最大系數(shù)為0.58。根據(jù)地表下沉曲線計算可得，150502工作面超前影響距離平均為53.4 m，工作面埋深150 m，平均超前影響角為69.2°。

整體而言，150502工作面回采引起的地面下沉主要集中在工作面正上方的地面，地面下沉值最大的區(qū)域位于工作面中部偏采空區(qū)側(cè)(測點A11處)，工作面與測線A距離在45.09 m之內(nèi)時，地表下沉值小于500 mm，工作面與鉆孔距離達到58.99 m時，頂板巖層內(nèi)的亞關(guān)鍵層2斷裂后，地面下沉值快速增大，由此可知，麥捷煤業(yè)15號煤層開采時，距離埋深65 m的亞關(guān)鍵層2對地面的下沉起控制作用。

4 結(jié) 語

根據(jù)麥捷煤業(yè)150502工作面具體的地質(zhì)條件，通過理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法研究表明，150502工作面頂板存在3層關(guān)鍵層，分別為主關(guān)鍵層：埋深35 m，厚度8.96 m的粉砂巖；亞關(guān)鍵層2：埋深65 m，厚度24.3 m的中砂巖；亞關(guān)鍵層1：埋深138 m，厚度為12.69的粗砂巖；其中亞關(guān)鍵層2對地表的下沉起控制性作用。地表沉陷實測結(jié)果表明，150502工作面回采引起的地面最大下沉值為3 660 mm，地表最大下沉系數(shù)為0.58，地表沉陷超前影響距離平均為53.4 m，平均超前影響角為69.2°，工作面采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱上方地表沉陷的范圍和下沉量比實體煤側(cè)要大。