缓斜中厚煤层采空区地表移动变形规律研究

王焕明 何立菊 袁伟强 范凯 唐忠亮 卓军

摘 要：以龙滩矿井3115南工作面为工程背景，对缓斜中厚煤层采空区地表移动变形规律进行了研究，通过采用理论分析、现场实测方法，得到了岩移参数，并与现场踏勘进行了对比，得出了在地表下沉盆地内地表建筑物的破坏程度与地下开采区域直接相关的结论；研究得到了地表下沉盆地的主断面范围；可以依据工作面尺寸，判别下沉盆地的采动程度。

关键词：开采沉陷；下沉盆地；移动变形

前言

地下煤层开采后，原岩应力重新分布，直接顶冒落，基本顶发生初次断裂和周期断裂，上覆岩层断裂、弯曲，引起地表沉陷，破坏地下水系。华蓥山龙滩矿井在首采工作面开展过顶板垮落过程后“三带”研究，其中弯曲下沉带是指裂隙带以上至地表的整个范围内岩体，该层岩体发生弯曲下沉的整体变形，引起地表形成移动下沉盆地。华蓥山地区属于喀斯特地貌，地下岩溶发育，水文地质条件复杂，单一煤层开采、大埋深，地表地形以山区为主，但尚无实测岩移参数，龙滩矿井开采条件具有大埋深，一般开采沉陷研究埋深在300m以内，而龙滩矿井的3115工作面埋深约550m，可填补这方面研究空白。311采区东北角有一地表较大水体——彭家大堰塘，水下采煤可行性和煤柱留设方案，需要更为准确且符合自身实际的岩层移动角、裂缝角参数；龙滩煤矿经过多年的地下开采，地表已诱发多处塌陷坑、开采裂缝等地质灾害，需要地表沉陷区范围、沉降量、移动边界、裂缝边界等重要参数，为居民搬迁赔偿提供科学依据。因此，本此以龙滩矿井3115南工作面为工程背景，对缓斜中厚煤层采空区地表移动变形规律进行研究。

1工作面地质概况

3115南工作面煤层标高+418m～+484m，对应地面高程+997m～+1047.2m，平均埋深596m，煤厚1.4m～2.39m，平均1.90m，煤层倾角介于8°～12°之间，平均倾角10°，工作面走向长约820m，倾斜长约240m，面积19.36万平方米，地质储量51.72万吨，采用走向长壁采煤法进行回采，采用MG250/600-AWD采煤机机械落煤，ZY3000/12/30掩护式液压支架支护，全部冒落法管理顶板。

3115南工作面为龙滩煤矿龙王洞背斜东翼首采工作面，工作面对应地表以坡地，溶蚀山、溶蚀洼地等地貌为主，植被以茅草、灌木为主，多数地表基岩直接出露，出露岩层为三叠系飞仙关泥岩、泥灰岩，松散层厚度不计。

3115南工作面位于龙王洞背斜东翼，工作面顶板岩层性质分别为：飞仙关组（T1f）中下部由灰色细晶灰岩、厚层状鲕粒灰岩、灰质泥岩及中厚层状粉晶灰岩。长兴组（P2c）灰色、深灰色中～厚层状泥晶灰岩及粉晶灰岩，局部为生物礁灰岩。龙潭组（P2l）中厚层状粉晶石灰岩，与上覆地层长兴组整合接触。岩性由灰岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、铝质泥岩及煤层组成。

整个煤系地层可划分为五段。各段岩层岩性及厚度见表1。

2研究思路

选定3115南工作面作为地表岩移观测站，3115南工作面周边均处于未开采阶段，3115南工作面煤层埋深有代表性；由于走向观测线全程两翼控制点不会产生移动变形，故采动前用静态GPS观测，保证观测站控制网精度；展开理论研究，用概率积分法理论预计下沉系数、边界角、移动角、裂缝角参数，再结合临近矿井和国内观测成果资料对比分析，来确定岩移观测站的设计参考值；在采动过程中，实时监测测点变化情况，完成回采后，全面观测测点平面及高程变化，对比分析采动前数据，测定下沉系数、水平移动系数、开采影响的传播系数、最大下沉角、边界角、移动角、裂缝角、拐点移动距等地表移动变形参数。

3观测方案

地表移动观测站布设在3115南工作面地表，设计布置走向、倾向两条观测线，控制网点设置在绿水洞地表观测成果的边界角外，GPS静态控制网点作为控制点，保证控制网精度，GPS静态相对定位，GPS接收机在观测站上45分钟，内业使用GPS接收机的随机软件对外业观测数据进行处理，解算出6个控制点的坐标。依据规范，观测站点间距25m，观测前采集测点坐标和高程数据，全面观测在联测之后、地表开始移动之前，应以6个控制点为准对走向、倾向两条观测线的所有测点按一级导线精度要求进行2次全面观测（首次），2次测得的同一点高程差不大于10mm，同一边的长度差不大于4mm时，取平均值作为观测站的原始观测数据，并记录地表、民房原有的裂缝，拍摄照片。工作面开采后引起地表出现移动至移动活跃期，只进行高程观测，采动过程中，不仅要及时地记录和描述地表出现的裂缝，塌陷的形态和时间，还要记载每次观测时的相应工作面位置、实际采厚、工作面推进速度、顶板陷落情况、煤层产状、地质构造、水文条件等有关情况；移动活跃期间至少进行4次以上全面观测（全面观测均同首次），移动活跃期至衰退期只进行高程观测，在地表移动稳定后再进行2次全面观测。

4项目取得的成果

采用理论分析、现场实测方法，取得以下技術成果：

（1）依据地表特征点的最大下沉值、下沉速度，判定出下沉盆地移动变形的开始阶段、活跃阶段、衰退阶段。地表下沉盆地移动变形时间共计613天，其中开始阶段254天，活跃阶段206天，衰退阶段153天。三个阶段时间划分，对井下采掘活动和井上井下避灾安置有重大意义。（2）地表移动盆地是否能达到充分下沉，可根据长深比D1/H0、宽深比D3/H0来判断，D1/H0、D3/H0<1.0时地表为非充分采动；D1/H0、D3/H0=1.0～1.5时地表为充分采动；D1/H0、D3/H0≥1.5时地表为超充分采动。（3）研究得到了地表下沉盆地的主断面范围。走向上，下沉边界距离采空区边界443m，移动边界距离采空区边界280m，裂缝边界距离采空区边界135m。倾向下山，下沉边界距离采空区边界398m，移动边界距离采空区边界325m，裂缝边界距离采空区边界106m。倾向上山，下沉边界距离采空区边界257m，移动边界距离采空区边界197m，裂缝边界距离采空区边界109m。（4）测定出的地表移动盆地各项岩层移动变形参数值，最大下沉角为80.1°，最大下沉值为833mm，下沉系数为0.34，工作面启动距为142m，超前影响角为80.5°，超前影响距为99.4m，走向边界角δ。=52.7°，走向移动角δ= 64.7°，走向裂缝角δ″=77.3°；倾向下山边界角β。=55.9°，倾向下山移动角β=61.5°，倾向下山裂缝角β″=79.6°；倾向上山边界角γ。=64.9°，倾向上山移动角γ=70.5°，倾向上山裂缝角γ″=86.1°。（5）通过实测数据和现场踏勘对比结果分析，得出地表下沉盆地内，地表建筑物破坏程度与地下开采区域的直接相关。下沉边界与移动边界之间的建筑物为I级破坏，一般采取局部维修裂缝；移动边界与裂缝边界之间的建筑物一般为Ⅱ级破坏，一般采取简单加固维修墙体、门窗等；裂缝边界内部，即移动盆地中间的建筑物一般为Ⅲ级破坏，一般采取中等加固维修横梁、圈梁等；裂缝边界上的房屋Ⅳ级破坏，需对承重结构增设基础应力板或搬迁安置。（6）通过研究龙潭组煤系地层分布和采空区顶板三带发育高度，表明不同采动程度，龙潭组煤层顶板起控制作用的关键层的变化，即龙潭组煤系地层在非充分采动时上覆关键层为龙潭组四段；充分采动时主关键层为长兴组三、四段，次关键层为龙潭组四段。

5 效益

5.1 经济效益

通过地表现场踏勘，地表移动盆地处于非充分沉降时，地表破坏性较小，对地表建筑物、水体无较大安全威胁，实测的裂缝角比彭家大堰塘煤柱留设方案的裂缝角值大，证明煤柱留设方案和“三下”采煤可行性方案安全可行，可实现多回采岩溶湖下压煤和延长矿井服务年限，具有显著的经济效益。

5.2 社会效益

项目开展期间，通过测定的超前影响角，启动距等参数，开展因采矿活动避让临时安置工作10次，而开采过程中地面出现塌陷坑5处，其中包括直径30m左右塌陷坑，由于及时采取避让搬迁安置措施，未发生人员伤亡事故，具有明显的安全效益。

5.3 社会效益

从项目开展以来，长期驻扎测量技术人员在采空区从事测量，安全巡视，地表调查等工作，虽然地表房屋出现了开裂，生产生活用水短缺，从未出现较大冲突事件，促进了矿井的维稳工作，具有巨大的社会效益。

6 结论

在特殊地质条件开采的山区，测定出的地表移动盆地各项岩层移动变形参数值，能为采煤沉陷区治理、留设保安煤柱等提供科学依据；下沉盆地移动变形三个阶段时间划分，对井下采掘活动和井上井下避灾安置有重大意义。项目已在实践中运用，证明彭家大堰塘煤柱留设方案和“三下”采煤是安全可行的，项目经济效益和社会安全效益明显，将显著促进行业科技进步，在条件相似的矿井具有广泛推广应用价值。

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作者简介：

王焕明（1964-），男，四川大竹人，采矿高级工程师，主要从事煤矿安全生产技术及管理工作。