厚松散层下倾斜煤层开采地表移动规律研究

骆兴鸽

(徐州矿务集团有限公司 征迁处，江苏 徐州 221000)

“三下”压煤开采是国内外采煤业中的重要研究课题[1]。自二十世纪五十年代开始，我国一些主要矿区先后建立了地表移动观测站，开展了地表沉陷变形的观测与研究工作，基本掌握了一般条件下的地表沉陷变形规律[2]。但在厚松散层、倾斜煤层开采条件下，地表移动变形表现出新的特征，有待进一步深入研究[3-4]。本文基于某矿地表移动观测站实测资料，对厚松散层下倾斜煤层开采的地表移动规律及特点做了有益的探讨[5-7]。

1 工作面开采条件

研究地点位于徐矿能源某矿北四采区，试验工作面4204面为北四采区东侧第二个工作面，北侧为4202工作面采空区，其它方向均未开采。工作面沿煤层走向布置，走向长380 m，倾斜长160 m，开采下石盒子组2煤，煤层采厚1.8 m，倾角38°，平均采深210 m。煤层上覆基岩厚度约为150 m，主要由砂质页岩、泥岩、页岩及砂岩组成，岩性中硬偏软；第四系松散层厚度为59.7 m，主要为亚砂土、粘土、砂质粘土。

4204工作面总体上呈一走向近东西、向南倾斜的单斜构造，由西向东推进，平均月推进速度为32 m，历时12个月回采完毕，采用单一走向长壁炮采，全部陷落法管理顶板。

2 地表移动观测站

4204工作面地表以耕地为主，地势平坦，观测站的布置和数据的采集均较为便利。工作面上方布设了一条半走向观测线和一条全倾向观测线，观测线的布设情况见图1。倾向线垂直于工作面走向方向布设，共设工作测点40个，测线两端各设控制点2个；走向线沿工作面走向布置，布工作测点20个，测线西端设控制点3个；工作测点间距20 m左右，控制点间距约45 m。所有测点均采用混泥土浇灌，埋深0.7～0.8 m。

图1 观测站平面位置示意图

在采动期间，共进行了2次全面观测和12次水准测量，全面观测采用5″导线精度要求施测，首次、末次水准测量按三等水准精度要求施测，日常水准测量按四等水准精度要求施测。

3 观测数据分析

3.1 下沉盆地形态

根据实测资料整理分析，给出了观测站的最大移动变形值及其最大值出现的位置，见表1，图2为倾向线和走向线的实测最终地表移动变形分布曲线。

由地表移动变形分布曲线图可看出，采空区上方出现了明显的下沉盆地，但下沉盆地没有出现在采空区正上方，而是整体向下山方向偏移了一段距离；地表下沉盆地的形态较为平缓，在外缘部分下沉值较小，但向外延伸较远，影响范围较大；下山方向地表水平变形较为发育，上山方向地表水平变形明显轻微。

表1 实测地表移动变形最大值及其出现位置

图2 地表移动变形综合曲线图

3.2 地表移动角值参数

根据地表移动变形实测曲线，采用图解法求取相关角值参数，参见图2，其中松散层移动角采用类比法选取，为φ=42°。

(1)边界角

在地表移动盆地倾向与走向断面图上，找出最终下沉值为10 mm的位置作为采动影响边界点，该边界点与采空区边界连线，连线与水平线在煤柱一侧夹角即为边界角[8-10]，分别为：走向边界角δ0=65°、下山边界角β0=47°、上山边界角γ0=48°。

(2)移动角

在地表移动盆地倾向与走向断面图上，找出最外一个临界变形值的点(即倾斜值3 mm/m、曲率值0.2×10-3/m或水平变形值2 mm/m)，临界点与采空区边界连线，连线与水平线在煤柱一侧的夹角即为移动角，分别为：走向移动角δ=72°、下山移动角β=55°，上山移动角γ因工作测点遭破坏，无法获得。

(3)充分采动角

4204工作面走向方向为充分采动，倾斜方向没有达到充分采动，故只能求出走向充分采动角ψ3，根据走向下沉曲线图可得：ψ3=77°。

(4)最大下沉角

工作面上方松散层厚度59.7 m，大于0.1H，在倾斜主断面上，将地表最大下沉点经过松散层垂直投影至基岩面上，再与采空区中点连线，该连线和水平线在下山方向的夹角为最大下沉角：θ=62°，则采动影响传播系数为K=0.74。

3.3 地表动态变形参数

根据实测资料，绘制了地表动态下沉、下沉速度变化曲线图，见图3。从图中可看出，地表测点的下沉过程是连续渐变的，地表最大下沉速度值为10 mm/d。

根据地表下沉速度曲线，求得测点与其达到最大下沉速度时的工作面推进位置的连线与水平线在采空区一侧的夹角，即最大下沉速度滞后角为：φ=arctan(210/72)= 71°。

根据下沉速度曲线，取测点开始下沉值为10 mm时的位置至当时工作面回采位置的连线，该连线与水平线在煤柱一侧的夹角，即超前影响角为：ω=arctan(210/96)=65°。

经综合分析确定，4204工作面开采后，地表移动延续时间为14个月，其中初始期为30 d左右，活跃期为140 d，衰退期为255 d，活跃期时间占地表移动延续时间的28.6%，活跃期下沉量占总下沉量的87%。

图3 地表动态下沉、下沉速度变化曲线图

3.4 地表移动预计参数

根据最终的地表下沉曲线形态分布，本区地表移动基本符合概率积分模型，因此选用概率积分模型作为地表移动预测模型。采用曲线拟合法进行求参分析，获得了概率积分法地表移动预计参数，见表2，图4为下沉曲线拟合图。

表2 地表移动预计参数

图4 观测线下沉拟合曲线

4 结 论

通过对4204工作面地表移动变形观测资料的分析研究，可以得出以下结论：

(1)实测地表最大下沉值为842 mm，最大倾斜值为5.4 mm/m，最大曲率值为-0.17～0.14×10-3/m，最大水平移动值464 mm，最大水平变形值为-6.4～5.0 mm/m，地表下沉盆地偏向于煤层下山方向一侧，地表最大下沉点亦位于采空区下山方向一侧。

(2)采空区上覆地层整体向煤层上山方向移动明显，上山方向的地层竖向移动较水平移动显著，下山方向的水平移动较竖向移动显著，表现为上山方向倾斜变形、曲率变形较为发育，下山方向水平移动和水平变形则更为突出。

(3)地表下沉盆地的形态较为平缓，影响范围较大；求得走向边界角δ0=65°、下山边界角β0=47°、上山边界角γ0=48°,上、下山边界角较小，这与松散层厚度大、煤层倾角大及附近采空区等因素有直接关系。

(4)获得地表最大下沉速度V为10 mm/d，最大下沉速度滞后角φ为 71°，超前影响角ω为65°，得出地表移动延续时间为14个月，其中初始期为30 d左右，活跃期为140 d，衰退期为255 d，活跃期地表下沉量占总下沉量的87%。

(5)求得概率积分法预计参数：下沉系数q=0.71，水平移动系数b=0.22，主要影响角正切tgβ=1.55，开采影响传播角系数K=0.74，拐点偏移距S1=-0.18H、S2=0.19H、S3=0.01H。