开采后复杂地形地表下沉变形规律研究

耿高峰

（西山煤电股份有限公司镇城底矿，山西 古交 030203）

镇城底矿井田位于吕梁山脉中段的东翼，属中低山区，区内沟谷纵横，切割剧烈，除山顶部分为黄土覆盖外，其余大部均为基岩裸露，地形较为复杂。为解决复杂地形条件下“三下”开采问题，在22618 工作面设置地表移动观测站，开展22618 工作面皮带基础沉陷、沿皮带走向方向的水平位移和地表移动规律研究。

1 工作面概况

22618 工作面井下位于南六采区，北为760 东一总回风巷、皮带巷、轨道巷，南邻矿界，东邻22620 工作面、22620-1 工作面（已采），其他为未采区。22618 工作面采用综合机械化采煤，走向长2092 m，工作面倾向宽152 m，2.3 号煤层厚度2.70～3.85 m，平均厚度3.40 m，平均煤层倾角4°。地面标高1135～1250 m，工作面标高721～800 m。

2 工作面地表岩移观测站的布设

2.1 观测站设计开采沉陷角量参数

地表移动观测站设计时所用参数依据《西山矿区保护煤柱设计规程》（试行）确定，取值如下[1]。

（1）基岩移动角 β=γ=δ=75°（其中，δ：走向移动角；β：倾向下山移动角；γ：倾向上山移动角）。

（2）松散层移动角φ：h=20～40 m，φ=55°。移动角修正值：△δ=△γ=△β=20º（其中，△δ：走向移动角修正值；△γ：倾向上山移动角修正值；△β：倾向下山移动角修正值）。

（3）充分采动角（走向ψ）：开采深厚比H/M ＞ 50，取 ψ=55º。

（4）最大下沉角 θ ：θ=90º～0.6α（α 为煤层倾角）。

2.2 观测线及观测点的确定

根据采矿引起的地表移动变形监测的需要，22618 工作面地表共设3 条观测线，如图1，一条走向观测线（A-A’线）、一条倾向观测线（B-B’线）和一条皮带下方地表移动观测线（C-C’线）。

图1 22618 工作面观测线平面示意图

根据地表移动变形的一般规律，倾斜观测线到开切眼的距离应为：

式中：H 为工作面边界开采深度，m；h 为表土层厚度[2]，m。

由于22618 工作面所采2.3 号煤层属于近水平煤层，所以走向观测线（即A-A’线）拟布置在工作面的上方正中央处。为保证倾向观测线位于走向方向的充分采动区域内，倾向线的位置结合公式（1）的计算结果，在沉陷影响区以外布设了三个控制点，其点位可根据地形来选择，尽可能视野开阔。见表1。

式中：D 为倾向线距离开切眼的位置，m；55°为西山矿区充分采动角[3]。

表1 设计地表移动观测线长度控制点、监测点及方位

3 皮带移动结果与数据分析

3.1 观测站的观测数据说明

为准确掌握22618 工作面的开采对其皮带运输走廊的影响，研究中对皮带运输走廊基础进行变形监测。在2019 年10 月25 日进行首次全面监测，最后一次监测是在2019 年12 月19 日。

3.2 结果与数据分析

3.2.1 皮带运输走廊基础

由图2 皮带运输走廊基础各期监测点下沉情况可知，截至2019 年12 月19 日，地表最大下沉值为638 mm，位于22618 工作面右巷右侧40 m 处。从该点所处的位置来看，该点并不是位于22618 采空区上方地表正中央，而是位于22618 工作面和22620 工作面之间保护煤柱上方地表。同时，该点位于坡体上，位于山坡体上的监测点所处的位置坡度越小，那么该监测点的下沉值也越小。由此可知，山区地表坡体滑移对地表下沉有一定的影响。

图2 皮带运输走廊基础各期监测点下沉

因此，山坡体对地表下沉有较大的影响。在山区复杂地形的影响下，地表下沉开始阶段主要受地形的影响较大，当地表下沉趋于稳定以后，采空区对地表下沉曲线形状的影响开始显现。

3.2.2 皮带水平位移分析

由图3 沿皮带走向水平位移可知，截至2019年12 月19 日，最大水平位移是位于22618 工作面左巷上方地表内侧14 m 处，位移距离达209 mm，此点是位于22618 工作面的拉伸区。从2019 年10月25 日到2019 年11 月27 日，皮带基础监测点的水平位移基本上都是向左的。监测点沿皮带走向水平移动自2019 年12 月05 日以后（工作面开采过皮带120 m 以上），均沿皮带方向向右位移，之前均沿皮带方向向左移动。结果表明：在山区复杂地形的影响下，采矿引起的地表水平移动具有一定的滞后性。

3.3 观测结论

（1）在开采初始阶段，山区坡体对地表移动变形有较大的影响，尤其是当坡体位于下沉盆地的边缘时，其影响更加明显。在山区由于地形的影响，开采引起的地表移动变形具有一定的滞后性，且地表移动变形的活跃期比一般地质采矿条件长。

（2）在山区复杂地形和采矿扰动下，沿皮带运输走廊走向方向，皮带基础最大倾斜曲率均超过“三下采煤规程”中给定的三个临界变形值。在该方向上皮带运输走廊遭受比较严重的采动损害，表现为挤压变形，即遭受地表负曲率变形的影响，由于山区复杂地形的影响，在该方向上正曲率的影响较小。

图3 沿皮带走向水平位移

4 结语

研究中获取的地表岩移参数有效补充和完善了该类矿区的开采沉陷资料，为该类矿区实施“三下”采煤，为保护煤柱设计提供了科学依据。