李建力，黃乃寶

（1.山西晉煤太鋼能源有限公司，山西 晉城 048006；2.晉城澤祥勘探測繪有限公司，山西 晉城 048006）

煤炭資源從地下采出后，周圍巖體的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)會遭到破壞，從而誘發(fā)地表沉陷，并可能導(dǎo)致出現(xiàn)一系列的環(huán)境災(zāi)害問題。因此，開采后地表沉陷損害治理與地表環(huán)境保護問題一直是世界范圍內(nèi)亟待解決的問題[1]。目前，關(guān)于開采引起的覆巖與地表移動規(guī)律等方面已有大量的研究成果[2]，但是大采高淺埋煤層開采引起的覆巖與地表移動規(guī)律具有自身的特點，需要進一步系統(tǒng)研究。本文以寺河煤礦5304 大采高工作面為例，建立地表移動觀測站，對地表移動變形規(guī)律及巖層角值參數(shù)進行研究分析。研究成果對寺河礦區(qū)的保護煤柱設(shè)計以及“三下”開采具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)采礦條件

山西晉城寺河礦是國家“九五”期間重點建設(shè)項目，年生產(chǎn)能力為10.80 Mt。礦井位于沁水煤田東南邊緣，工業(yè)場地位于沁水縣嘉峰鎮(zhèn)殷莊村。全井田可采煤層由二疊系至石炭系分為3#、9#、15#共3 層，總厚度10.32 m。其中，主采3#煤層厚度5.0～7.22 m，平均厚度6.21 m。

1.1 工作面位置

寺河礦5304 工作面位于東五盤區(qū)，工作面走向為1 050 m，傾向長300 m。始采時間2017年2月、結(jié)束回采時間2017年6月。底板標高為+294～+348 m，地面標高為+570～+660 m。工作面平均采厚為5.82 m，平均采深為288 m。煤層走向270°，傾角為0°～10°，為近水平煤層。工作面采用綜合機械化采煤方法開采，全部垮落法管理頂板，工作面位置見圖1。

圖1 寺河礦5304 工作面位置

1.2 煤層頂、底板情況

3#煤層，煤質(zhì)堅硬，為穩(wěn)定煤層，f=1～2。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 巖層移動觀測站設(shè)計

為對地表移動變形的情況進行全過程的監(jiān)測，結(jié)合工作面地質(zhì)采礦條件和地表上方的地形地貌特點，根據(jù)文獻[3]在5304 工作面地表上方建立剖面線狀地表移動觀測站。觀測站共布置三條測線，其中沿工作面推進方向上布置一條A線，長為775 m，測點間距為25 m，共32 個測點；在垂直于工作面推進方向上一條B線，長為775 m，測點間距25 m，共32 個測點（含AB交點）；在靠近停采線位置布置一條X線，長為457 m，間距65 m，共8 個測點，見圖2。

圖2 寺河礦5304 工作面地表巖移觀測站布置

3 地表移動變形規(guī)律及角值參數(shù)分析

3.1 地表觀測站觀測成果分析

從2017年1月21日開始對寺河礦5304 工作面對應(yīng)的地面測點進行第一次全面觀測，獲取了觀測點的初始平面坐標和高程坐標。截止到2017年9月26日，工作面回采結(jié)束3 個月后，三條測線A線、B線分別測量了12 次，X線測量了8 次。根據(jù)各測點下沉值繪制成下沉曲線，見圖3。

圖3 觀測線下沉曲線

從圖3可以看出，隨著工作面的開采，下沉值會越來越大，最大下沉點也會隨之前移。在最后一次觀測時，5304 工作面已達到充分采動，最大下沉點為A19 測點，最大值為4 365.6 mm。此時該工作面已達到穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖3（a）看出，在停采線位置附近，地表下沉較小，靠近工作面，下沉曲線急劇變陡。這是由于大采高開采造成大開采空間，上覆巖層隨著工作面推進位置“隨采隨垮”，繼而影響到地表。

在圖3（b）垂直于工作面推進方向B線下沉曲線上明顯看出，下沉盆地呈陡峭盆地型，最大下沉值并沒有在工作面中心，而是向下順槽偏移。

3.2 角值參數(shù)分析

（1）移動角

根據(jù)移動角的定義，從曲率、傾斜和水平變形的數(shù)值上，求取傾斜3 mm/m、曲率0.2 mm/m2、水平變形2 mm/m 的最外點。

在工作面推進方向上（走向方向），經(jīng)過計算水平變形量為2 mm/m 的位置約在距停采線80 m處，由于停采線附近采深約253 m，所以計算出走向綜合移動角約為72.5°；考慮松散層移動角，一般取為45°，松散層的厚度約為5.2 m，因此根據(jù)求取移動角的定義，計算得走向移動角約為73.2°。

同理，在垂直于工作面推進方向上（傾向方向），計算出傾向綜合移動角為73.6°，傾向移動角為73.8°。

（2）邊界角

根據(jù)邊界角的定義，可從實測的下沉數(shù)據(jù)中尋求下沉量為10 mm 點的位置。

在工作面推進方向上（走向方向），分析實測數(shù)據(jù)可知，下沉量為10 mm 的位置約在圖2、圖3上應(yīng)標出A6 附近，此點距離工作面停采線的距離約為106 m，工作面停采線附近采深約為253 m，計算出走向綜合邊界角約為67.3°，走向邊界角約為67.8°。

同理，在垂直于工作面推進方向上（傾向方向），計算出傾向綜合邊界角為69.9°，傾向移動角為70.2°。

（3）充分采動角

由實測下沉數(shù)據(jù)可知，最大下沉點為A19 號測點，該點到停采線的距離約為218.5 m，平均采深約為288 m。根據(jù)充分采動角的定義，充分采動角約為52.8°。

4 地表移動變形預(yù)計結(jié)果及分析

為了分析地下開采引起的地表移動、變形值和影響范圍，以及對地表建筑物的影響程度，必須進行地表移動和變形計算。本文采用概率積分法對5304 工作面開采區(qū)域進行地表移動變形預(yù)計。

4.1 預(yù)計參數(shù)的選取

預(yù)計所需參數(shù)為：下沉系數(shù)q、水平移動系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、拐點偏移距s等。結(jié)合現(xiàn)場實際資料以及經(jīng)驗取值，預(yù)計參數(shù)選取見表2。

表2 5304 工作面地表移動預(yù)計參數(shù)

4.2 地表移動變形預(yù)計結(jié)果

根據(jù)以上所確定的預(yù)計參數(shù)，對5304 工作面回采穩(wěn)定后引起的地表沉陷進行預(yù)計，其中下沉等值線見圖4，工作面開采后引起地表移動、變形值預(yù)計和實測最大值見表3。

表3 5304 工作面開采后地表移動、變形值

圖4 5304 工作面開采后地表下沉等值線

4.3 地表移動變形最大值

根據(jù)表3可知，當工作面開采后，預(yù)計和實測之間的最大下沉值誤差只有15 mm 左右，其余相對誤差很小，證明了概率積分法的可行性。

5 結(jié)語

基于地表移動觀測站實測資料，對寺河礦厚煤層大采高5304 工作面開采后引起的地表移動變形規(guī)律及巖層角值參數(shù)進行了研究分析，研究結(jié)果表明：

由于大采高開采造成大開采空間，引起地表下沉盆地比較陡峭，地表傾斜值較大；根據(jù)觀測站實測數(shù)據(jù)，得到該礦工作面開采后引起的地表最大下沉值為4 365.6 mm，最大傾斜值為37.2 mm。礦區(qū)傾向移動角為73.8°，邊界角為70.2°，走向移動角為73.2°，邊界角為67.8°，充分采動角為52.8°，最大下沉角為86.6°；通過實測資料分析，得到了該礦的概率積分法預(yù)計參數(shù)：下沉系數(shù)為0.83、水平移動系數(shù)為0.21、主要影響角正切為2.4 等。預(yù)計結(jié)果與實測結(jié)果相對誤差全在10%以內(nèi)，誤差很小，證明了概率積分法的可行性。