厚煤层机械化放顶煤开采沉陷规律研究*

任传建，雷 勇，汪李辉，王志红

（贵州工程应用技术学院 矿业工程学院，贵州 毕节 551700）

引言

作为采煤大国，开采沉陷是我国目前煤矿开采面临的重要问题之一[1]。地下煤炭的采出，使岩体的原始力学平衡状态受到破坏，上覆岩层产生移动与变形，当开采面积达到一定范围后，移动与变形将扩展到地表，使地表发生移动和变形，形成开采沉陷问题[2]。由于开采沉陷受矿山地质条件和采矿技术等诸多因素影响，开采沉陷及其引发的地表移动规律的研究涉及的学科众多，是十分复杂的动力学问题[3]，从岩体采动初期应力变化到岩体冒落、断裂、离层，直到地表移动甚至地表塌陷的整个过程，都呈现出明显的非线性机制和规律。为保护井巷、地面设施和水体等，使其免受开采的有害影响，必须掌握地表与覆岩受采动影响的移动和变形规律。煤层开采后所引起的地表移动变形规律的特点已引起广大采矿工作者和有关部门的高度重视[4-5]。

1 概况

选取的实验工作面位于-810 水平，工作面地面投影为农田、一水沟从工作面南部流过，地面标高为+43.61～+43.95m，以西为尚未开采的1303N 工作面，以东为开采完毕的1301N 工作面，以北是未开采的三采区，工作面平均走向长度为2570m，倾斜宽度258m，工作面开采面积663060m2；可采煤层为三层煤，煤层倾角 2°～6°，煤平均厚度为9.4m。煤层较稳定，但结构复杂，属于厚煤层放顶煤开采。

2 地面观测

2.1 观测站设计

由于实验工作面采用综合机械化放顶煤开采技术，沉陷变形规律特殊，还要兼顾留设煤柱的安全性，因此地表移动观测站设计时，应根据现场的实际情况，灵活地进行观测线布设。本文在进行观测站设计时，主要考虑了以下几个方面：

（1）观测站沿工作面的走向和倾向成线状布置。

（2）尽量选取平坦地势区布置观测线。

（3）为了使测点能够更有效地反映地表移动的特征，充分结合工作面的地质条件、采矿条件以及相邻工作面的地表移动参考资料。

（4）考虑到占用农田可能引发的土地征用、农作物补偿以及植被对视线的遮挡影响等因素，进行了开采前的观测，选择适当的观测频次。

2.2 观测站的布设形式

为保证观测站点不受工作面采动下沉影响，在移动盆地以外选取了6 个点建立GPS 监测网，监测网的点分布在测区周围并临近观测线，点位稳定有利于保存。水准基点是为了测定工作测点的高程而建立的，其要求与控制点一样，也设置在移动盆地范围以外，在条件合适的地方，可与控制点合二为一。本观测站这六个点均为水准基点。

图1 P01-P40（走向）实测与预计下沉曲线图

图2 P01-P40（倾向）实测与预计下沉曲线图

由于初步预计的采空区最大下沉达3200mm，会导致地面积水，为了在此条件下能够顺利进行测量，根据测点在移动盆地中的位置和预计下沉量决定采用合适的点结构，对部分测点需作特别处理，甚至部分点需要进行接高。所有测点均为预制混凝土桩，桩中间的钢筋（直径为20mm）作标志（其底部为人字形，顶部为球形），在球形顶部为直径小于2mm，深度为5mm 的钻孔，在钻孔中嵌入铜芯，以此作为测点标志中心。

2.3 GPS 监测网的建立及观测站的联测

观测站联测的目的是将矿区坐标系统按一定的精度要求传递到地表移动观测站，根据《煤矿测量规程》，传统的观测站联测方法是：根据矿区地面控制网，按近井点测量的要求测量观测线交点或某一控制点的平面坐标和高程。其余控制点的平面坐标可用一级导线的方法求得。由于本观测站设计采用全球定位系统（GPS）进行观测，因此可采用建立监测网方式进行观测站联测，即联测矿区地面控制网中的 N1、N2、N3、W1、W2、W3 六个平面控制点和 N1、N2、N3、W1、W2、W3 六个高程控制点（这些点均位于移动影响范围外的稳定地区），与观测站的控制点和水准基点一起组成监测网，监测网用GPS 测量方法按D 级平面控制网的要求进行观测。采用三等水准要求进行矿区高程控制点与观测站水准基点联测。

接下来在设置观测站地区未受采动影响之前，进行了两次独立的全面观测，获得各测点的高程及其相应的平面位置，并且记录原有的地表破坏，对破坏情况进行详细描述。该部分的工作在联测之后而地表尚未移动之前进行，要求两次测量的同一观测点的高程差小于10mm，同一边长差值小于4mm，求取这两次观测的平均值作为初次观测数据。

而在有采动影响，产生地表移动的过程中，需要求得地表下沉的最大速度，最终确定地表移动的停止时间。该阶段日常观测工作采取重复水准测量，按四等水准测量的精度要求用单程的附合水准或水准支线进行往返测量，其时间间隔根据地表下沉的速度确定（地表下沉活跃期观测周期约为15 天；衰退期可延长至30 天）。日常观测中，需在采掘工程平面图上将观测日期和工作面位置及时标定。若出现地表移动异常，需要及时进行记录发生时间和描述其详细情况，以便更准确和真实地获得矿井的地表移动规律。

3 地表移动观测资料整理分析

工作面自回采以来，地表下沉量逐渐增大，形成下沉盆地。最近一次的观测，地表最大下沉值约6131mm（位P19 处）。根据观测数据，使用概率积分法计算获得了以下参数：下沉系数q=0.80，水平移动系数b=0.35，主要影响角正切值 tgβ=2.2，最大下沉角 θ=90°-0.5α（0.5 为开采影响系数），拐点平移距s=50m。为检验参数的正确性，首先运用概率积分法对工作面进行地表下沉预计，然后将得到的下沉曲线与最后一期的观测结果进行拟合比较，结果显示两者拟合情况良好，说明求得的计算参数符合实际，图1、图2为实测与预计下沉曲线图。

地表移动速度的变化及其与工作面的相应关系。地表任意一点在下沉过程中是规律变化的，下沉初期，下沉速度较慢，但随着时间推移，速度变大，最终达到一个最大值，达到最大值之后，速度开始减慢直至停止。因此，在时间和空间上下沉点速度变化是连续和渐变的。

根据计算，在观测期间，p19 点具有最大下沉值，达到6130mm，故选取地表p19 号测点作为研究对象，图3 中的B 实线表示地表P19 号测点在整个移动过程中的下沉值变化，A 实线表示测点的下沉速度变化。从曲线的分布可看出，地表点的下沉速度在整个移动过程中是有规律变化的，其数值是先由小到大。地表点的下沉速度在整个移动过程中具有的最大下沉速度为36.5mm/d，最大下沉速度后，下沉速度变化将逐渐平缓，最终基本达到稳定状态。

4 结论

通过厚煤层机械化放顶煤实验工作面观测数据的整理分析，获得了该地区工作面开采后引起的地表变形的各项参数，进而根据下沉速度曲线分析地表点的动态移动变化规律，丰富了该区的地表沉陷理论，为该区的矿区安全开采提供了供参考的技术参数和变形预计方法，对于厚煤层机械化放顶煤的开采和研究具有一定实践意义。