三元中能矿2306工作面地表沉陷变形规律研究

秘 鑫

(长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046000)

深入了解、掌握地表沉陷变形规律是安全进行“三下”采煤的基础[1-2]。近几十年来，我国工程技术人员通过建立大量观测站，对地表沉陷变形进行了深入研究，但随着采深的增加，以及一次采全高、综放等采煤方法的广泛应用，该条件下的岩层移动及地表沉降已呈现出不同规律特征，因此，对综放或一次采全高等采煤方法下的工作面地表沉降及变形规律开展深入研究，变得十分必要[3-5]。

对于地表沉陷规律，国外学者先后提出了二等分线、圆拱、斜面等理论[6-7]，从宏观上对沉降作出理论描述。我国学者自20世纪50年代起，在多地建立了数千个观测站[8]，进行了大量观测研究，并结合数值模拟、相似模拟方法，开展了一系列微观研究，提出了概率积分法、负指数函数法、曲线法等理论方法[9-10]，从沉降量、岩移、曲率、移动角等微观数据上，对地表沉降及岩移规律进行了描述。本文通过在2306工作面对应地表沿走向与倾向分别设置观测线，经长时间大量观测，采用概率积分法对所得数据进行理论分析，提出该工作面一次采全高条件下的地表沉陷变形规律，为安全进行“三下”采煤提供数据支撑，为同类型“三下”采煤的现场管理提供参考。

1 工程概况

1.1 矿井概况

三元中能矿位于长子县东南一带，距县城约8 km，井田范围约40.8 km2，其中，南北向约6.6 km，东西向约7.5 km。该矿设计生产能力240万t/a，全区采用单水平开拓。

1.2 观测工作面概况

此次地表沉降观测的2306工作面，平均煤层厚度4.30～5.12 m，东西走向长1 760 m，南北倾斜长249.5 m，倾角0～10°，埋深474 m，使用放顶煤开采法、全部垮落法管理顶板。回采工作从2018年3月开始，到2019年7月结束。区域内地质情况整体相对简单，仅存在几条落差不大的小断层。

工作面对应地表整体平坦，标高介于+939～+950 m之间，平均标高+942 m，上部主要是砂岩、泥岩和黄土层。直接顶主要是砂质泥岩、泥岩，质地松软、强度差；老顶呈现半坚硬-坚硬状，主是是中-细粒砂岩；直接底以砂质泥岩、泥岩为主，老底为中厚细砂岩，质地坚硬。

2 工程实践

2.1 观测站布置

根据现场条件，结合《煤矿测量规程》相关要求，为方便数据观测及分析处理，在2306工作面对应地表，分别沿走向和倾向布置观测线，其中，沿走向东西布置A线，沿着倾斜方向南北布置B线，A、B两线相互垂直，均处于移动盆地主断面中轴线上。为保证控制点稳定可靠，计算得出地表移动影响盆地范围边界，在边界外部设置控制点。B线设置控制点3个、观测点45个，控制点编号为R1～R3，观测点编号为1～45，控制点处于1号观测点北侧。A线同样设置控制点3个，编号R4～R6；观测点41个，编号46～86，控制点位于观测点西侧。全站设置控制点6个，观测点86个，走向测线长1 104.9 m，倾斜测线长1 264.2 m。控制点及观测点的设置情况见表1和图1。

表1 2306工作面地表沉陷观测点布置汇总

图1 工作面地表沉陷观测站布置

根据有关规程规定，为确保观测点稳定可靠，各测点使用混凝土桩埋入基土层0.5 m深，确保测点可以随沉降和岩移吻合移动，以此来确保观测数据的准确可靠。

2.2 变形观测

2306工作面于2018年3月13日开始回采，首次全面观测于2018年3月26日完成，保证了基准数据的准确性。至2019年7月16日回采结束，历时1年零4个月，工作面推进1 760 m，平均每天推进3.8 m。期间，每月进行1次全面观测，累计完成18次导线测量和18次日常水准观测，获得大量数据资料，可以及时、完整、准确地反映沉降变形的真实变化规律。

3 地表沉陷变形规律分析

从现场地表沉陷变形及数据整体情况来看，2306工作面因采深较大，煤层较厚，且使用一次采全高采煤法开采、全部垮落法管理顶板，回采效率高、强度大，地表沉降变形十分剧烈。

3.1 主要参数

根据目前较为常用的分析方法，通过计算采动过程中不同时间的地表下沉量、倾斜率、曲率、水平移动量和水平变形值等参数，来反映和描述地表移动变形的整体规律。

其中，下沉量通过n次观测高程值与初始高程值的差值来得出；倾斜率由两点间的下沉量除以两点间距得出；三点间的曲率，由相邻两段的倾斜率之差除以两端水平距离之和得出；水平移动数值由某点第n次观测到控制点的水平距离与首次观测时该点到控制点的距离之差得出；水平变形值由第n次观测两点间水平距离变化量除以两点间首次观测水平距离得出。

3.2 数据分析

依据上述算法，得出了采动过程中不同时间的地表下沉量、倾斜率、曲率、水平移动量和水平变形值及相应曲线图。据此得出各测线最大移动变形值见表2，部分变形曲线见图2和图3。

表2 各测线最大移动变形值

图2 地表实测沉陷与变形曲线走向(A走向)

图3 地表实测沉陷与变形曲线倾向(B倾向)

根据数据汇总分析，从下沉图中可以看出，A测线中间测点下沉量较大，而控制点附近测点下沉量相对较小，当工作面推进约400 m时，80号测点下沉量趋于稳定，且地表移动变形曲线随回采面的向前推动向前平移，并逐步趋于稳定；而从倾向B观测线的沉陷变形曲线来看，中间测点变形较大，两边测点变形较小，并且在第20、27号测点处变形曲线分别出现两个拐点；从下沉量图中可以看出，在开采初期地面下沉量较小，并且全线下沉量相差不大，但当工作面推进到约300 m时，中间测点下沉量增大，随着回采面的推进，地表移动变形数据逐渐增大到一定数值后趋向稳定。以上规律说明，地表的沉陷变形具有连续重复特点，符合开采沉降的理论规律，从而证实了此次沉陷变形观测的数据是真实可信的，该观测成果是真实可靠的。

3.3 规律分析

根据现场观测，结合数据分析，在回采进程中，地表沉陷变形十分活跃。回采约400 m，最大沉降量已达3 300 mm，是最终下沉量的90%，地表已沉陷，盆地已然清晰可见。最大下沉点在盆地中部，向边界处逐渐减小，影响范围较大。具体呈现以下规律：

1) 地表沉陷变形十分活跃，移动变形整体上分布较为集中。分析可知，因回采速度快，上覆岩层垮落沉降速度同样加速，带动采空区周围板块的时间及荷载均较小，进而形成分布集中的沉降盆地。

2) 沉陷变形呈现出一定的厚松散层特征。根据曲线可知，移动变形量以拐点为分界线，内侧沉降量大、斜率大，而在拐点外侧沉降量小、斜率较小，沉降变形台阶不明显。

3) 地表沉陷速率大，地表沉陷变形时间段较为集中。地表沉陷变形速度与回采速率呈正相关。根据观测，地表移动变形整体上分为初始期、活跃期和衰退期，其中，以活跃期变形量最为明显，沉陷量占到总沉陷量的98.0%左右，初始期及衰退期沉降量降较小。根据日常观测数据可确定，初始期、活跃期和衰退期时间段分别占有28 d、161 d和199 d。

4) 地表裂隙裂缝比较发育，下沉台阶不够明显。第一种情况，随回采进行，走向因动态拉伸而形成与工作面几乎平行的裂缝，也会随工作面回采而闭合；第二种情况，工作面边界区域形成裂缝，一旦形成便固定下来。

5 结 语

深入研究地表沉陷变形规律对于有效保护地表建构筑物、减少“三下”压煤具有重要意义，通过一年多的现场观测及数据分析，深入了解、掌握了一次采全高条件下的地表沉陷变形规律。

1) 根据沉陷观测变形曲线，A测线中间测点下沉量较大，而控制点附近测点下沉量相对较小，当工作面推进约400 m时，80号测点下沉量趋于稳定，且地表移动变形曲线随回采面的向前推动而向前平移，并逐步趋于稳定；从倾向B观测线的沉陷变形曲线图来看，中间测点变形较大，两边测点变形较小，并且在第20号、27号测点处变形曲线分别出现两个拐点；从下沉量图中可以看出，在开采初期地面下沉量较小，并且全线下沉量相差不大，但当工作面推进到约300 m时，中间测点下沉量增大，随着回采面的推进，地表移动变形数据逐渐增大到一定数值后，趋向稳定。

2) 2306工作面地表沉陷变形呈现出一定的厚松散层特征。根据曲线可知，移动变形量以拐点为分界线，内侧沉降量大、斜率大，而在拐点外侧沉降量小、斜率较小，沉降变形台阶不明显。

3) 地表移动变形整体上分为初始期、活跃期和衰退期，时间段分别占有28 d、161 d和199 d。其中，以活跃期变形量最为明显，时间上仅占41.5%，但此阶段内沉陷量占到总沉陷量的98.0%左右。