巨厚岩浆岩影响区域地表沉降监测数据分析与预测

王绪奎 刘 浩

（济宁矿业集团有限公司安居煤矿，山东 济宁 272059）

1 区域基本情况

1.1 区域概况

安居煤矿一二采区南部块段以FX23 断层为采区边界，该联合区域面积约2.7 km²，如图1，采用条带开采，仰斜长壁采煤法，全垮落法管理顶板，可采煤层为3上煤，煤厚平均厚度约2.5 m，煤层倾角为4°～13°，地面标高为+34～+36 m，开采标高为-1100～-930 m。

图1 区域示意图

图2 地表沉降监测线布置图

安居煤矿村庄压煤严重，以一、二采区为例，保有地质储量3 249.8 万t，去除工广、断层等各类煤柱后，可采储量仅为1 658.96 万t，其中建（构）筑物下压覆可采储量1 549.76 万t。一、二采区地表大部分为建筑物，有孙井、单庙、茹行等18个村庄，还有多层住宅楼、商业房、加油站、甲醛仓库、京杭大运河、孙井小学、运河西庭小区等。如果留设保护煤柱，安居煤矿一、二采区将无资源可采，造成大量的资源呆滞和浪费。如果不采取措施直接开采势必会引起地表剧烈的移动与变形，导致建（构）筑物变形，严重时将遭到破坏，引发工农矛盾，影响社会稳定。因此加强地表沉降监测工作意义重大。

1.2 地层

安居煤矿开采范围属济宁煤田，为华北型全隐蔽井田，含煤地层为石炭、二叠系，上覆第四系和上侏罗统蒙阴组，煤系基盘为奥陶系中、下统。区域地层详见表1。

1.3 区域岩浆岩覆存情况

该区域内共有5 个钻孔揭露岩浆岩全厚，厚度135.0～145.5 m，平均141.25 m；距离3上煤层396.77～439.00 m，平均426.3 m。详见表2。

安居煤矿3上煤层以上400 m 位置存在侵入岩浆岩，厚度约240 m，根据附近的X30、X12 及BK-1 钻孔的探测结果显示，上覆岩浆岩厚度分别为139.4 m、143.0 m 及142.25 m，厚度分布稳定。

2 巨厚岩浆岩影响区域监测数据分析

2.1 二采区地表沉降分析

在2311 工作面共回采十二个月。在回采过程中，安居煤矿进行了二十余次地表沉降观测工作。通过2311 及2313 工作面沉降观测数据进行统计分析，可以尝试寻找一定的规律。

根据概率积分法，主断面开采沉陷值可近似计算为：

式中：η为工作面的充分采动程度，η=415/1050×760/1050=0.27；k为下沉系数，取值为0.40～0.95；m为煤层厚度；α为煤层倾角。

该区域的经验最大下沉值Wmax根据概率积分法可计算得到该区域下沉的经验范围，具体如下：

当q=0.40 时，Wmax=ηqmcosα=0.27×0.4×2.7×cos6°=290 mm；

当q=0.95 时，Wmax=ηqmcosα=0.27×0.95×2.7×cos6°=689 mm；

综上，根据概率积分法计算得到该区域最大下沉值的经验范围为：290 mm

根据实测数据，2311 工作面结束回采之后，M测线与N 测线上计算得出的最大下沉量分别为46 mm、32 mm，远小于该区域经验下沉的最大值。对比分析2311 工作面回采阶段的地表下沉量，以此作为基准，可以发现2311 工作面在回采阶段并未出现明显的下沉变化，而且2311 工作面在实体煤和煤柱阶段均未产生明显的沉降值，只有当工作面双次见方后，随着采空区扩大，地表沉降值缓慢增大，但下沉量远小于理论值，并未出现数量级的下沉量突变，而且下沉数值远小于煤层的高度，因此可推知回采阶段上覆巨厚岩浆岩未破断，起到了良好的支承效果。

2.2 一采区地表沉降分析

安居煤矿1309 工作面于2017 年7 月开始回采，于2018 年8 月回采结束。安居煤矿对1309 工作面回采过程中及回采结束后分别进行了地表沉降观测工作。安居煤矿于2017 年7 月至2018 年8 月间在1309 工作面回采期间进行了十余次地表沉降观测工作，详见图3 至图5。

图3 1309 工作面周围测点位置示意图

图4 C 测线测点地表下沉图

图5 D 测线测点地表下沉图

根据概率积分法，主断面开采沉陷值可计算为：

式中：η为工作面充分采动程度，η=1050/1000×100/1000=0.105；q为下沉系数，取值为0.40～0.95；m为煤层厚度；α为煤层倾角。

根据概率积分法可计算得到该区域最大下沉值Wmax的经验范围，具体如下：

当q=0.40 时，Wmax=ηqmcosα=0.105×0.4×2.7×cos6°=113 mm；

当q=0.95 时，Wmax=ηqmcosα=0.105×0.95×2.7×cos6°=268 mm。

综上，根据概率积分法计算得到该区域最大下沉值的经验范围为：113 mm

3 结论

1309 工作面回采后C 测线与D 测线上最大下沉量分别为106 mm、97 mm，该数据小于该区域经验下沉最大值，此时处于非充分采动时期；从D 剖面与C 测线多次地表下沉观测数据分析，大部分测点随着工作面采空区面积逐步扩大而产生较为均匀的地表下沉量，并未出现数量级的下沉量数值突变。故分析认为工作面开采后上覆巨厚岩浆岩仍处于弯曲变形过程中，未发生破断。

另外，由于FX23 断层将一二采区分割为两个相对独立的块体，类比二采区2311 与2313 组合采空区（走向长760 m，倾向长415 m）上方岩浆岩处于稳定下沉阶段，可以推测1311-2 回采结束后与1309 采空区形成的组合采空区（走向长290 m，倾向长200 m）上方巨厚岩浆岩会发生稳定下沉，不会破断失稳。

4 建议

1）为安全起见，后续工作面回采过程中必须加强管理，严格按照开采设计进行开采；开采过程中加强地面巡逻和地面变形监测，如遇地面损坏超出报告预计结果的情况及时将工作面缩小至合理宽度，确保安全。

2）在开采过程中，对落差较大的断层应按《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》、安居煤矿《初步设计》等要求留设保护煤柱，尽量避免断层的活化对地面村庄民房的影响。另外，在井下巷道工程的施工过程中，应密切关注揭露的地质构造的实际情况，必要时调整相关开采方案。

3）在开采过程中保持工作面的正常推进，防止出现工作面长期停留状况。

4）煤层埋深大，条带开采存在残留煤柱，在生产过程中要加强冲击地压的预防预报监测工作。

5）由于其上部有巨厚岩浆岩侵入，虽然工作面实际下沉较预计数值要偏小，但随着开采面积的逐步增大，岩浆岩下部离层越来越发育，应监测，确保无发生突然断裂的危险。

6）应充分论证分析断层活化、顶板坚硬岩浆岩稳定性、冲击地压等其他影响因素，确保开采安全。