駱興鴿

(徐州礦務(wù)集團有限公司 征遷處，江蘇 徐州 221000)

“三下”壓煤開采是國內(nèi)外采煤業(yè)中的重要研究課題[1]。自二十世紀五十年代開始，我國一些主要礦區(qū)先后建立了地表移動觀測站，開展了地表沉陷變形的觀測與研究工作，基本掌握了一般條件下的地表沉陷變形規(guī)律[2]。但在厚松散層、傾斜煤層開采條件下，地表移動變形表現(xiàn)出新的特征，有待進一步深入研究[3-4]。本文基于某礦地表移動觀測站實測資料，對厚松散層下傾斜煤層開采的地表移動規(guī)律及特點做了有益的探討[5-7]。

1 工作面開采條件

研究地點位于徐礦能源某礦北四采區(qū)，試驗工作面4204面為北四采區(qū)東側(cè)第二個工作面，北側(cè)為4202工作面采空區(qū)，其它方向均未開采。工作面沿煤層走向布置，走向長380 m，傾斜長160 m，開采下石盒子組2煤，煤層采厚1.8 m，傾角38°，平均采深210 m。煤層上覆基巖厚度約為150 m，主要由砂質(zhì)頁巖、泥巖、頁巖及砂巖組成，巖性中硬偏軟；第四系松散層厚度為59.7 m，主要為亞砂土、粘土、砂質(zhì)粘土。

4204工作面總體上呈一走向近東西、向南傾斜的單斜構(gòu)造，由西向東推進，平均月推進速度為32 m，歷時12個月回采完畢，采用單一走向長壁炮采，全部陷落法管理頂板。

2 地表移動觀測站

4204工作面地表以耕地為主，地勢平坦，觀測站的布置和數(shù)據(jù)的采集均較為便利。工作面上方布設(shè)了一條半走向觀測線和一條全傾向觀測線，觀測線的布設(shè)情況見圖1。傾向線垂直于工作面走向方向布設(shè)，共設(shè)工作測點40個，測線兩端各設(shè)控制點2個；走向線沿工作面走向布置，布工作測點20個，測線西端設(shè)控制點3個；工作測點間距20 m左右，控制點間距約45 m。所有測點均采用混泥土澆灌，埋深0.7～0.8 m。

圖1 觀測站平面位置示意圖

在采動期間，共進行了2次全面觀測和12次水準測量，全面觀測采用5″導(dǎo)線精度要求施測，首次、末次水準測量按三等水準精度要求施測，日常水準測量按四等水準精度要求施測。

3 觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 下沉盆地形態(tài)

根據(jù)實測資料整理分析，給出了觀測站的最大移動變形值及其最大值出現(xiàn)的位置，見表1，圖2為傾向線和走向線的實測最終地表移動變形分布曲線。

由地表移動變形分布曲線圖可看出，采空區(qū)上方出現(xiàn)了明顯的下沉盆地，但下沉盆地沒有出現(xiàn)在采空區(qū)正上方，而是整體向下山方向偏移了一段距離；地表下沉盆地的形態(tài)較為平緩，在外緣部分下沉值較小，但向外延伸較遠，影響范圍較大；下山方向地表水平變形較為發(fā)育，上山方向地表水平變形明顯輕微。

表1 實測地表移動變形最大值及其出現(xiàn)位置

圖2 地表移動變形綜合曲線圖

3.2 地表移動角值參數(shù)

根據(jù)地表移動變形實測曲線，采用圖解法求取相關(guān)角值參數(shù)，參見圖2，其中松散層移動角采用類比法選取，為φ=42°。

(1)邊界角

在地表移動盆地傾向與走向斷面圖上，找出最終下沉值為10 mm的位置作為采動影響邊界點，該邊界點與采空區(qū)邊界連線，連線與水平線在煤柱一側(cè)夾角即為邊界角[8-10]，分別為：走向邊界角δ0=65°、下山邊界角β0=47°、上山邊界角γ0=48°。

(2)移動角

在地表移動盆地傾向與走向斷面圖上，找出最外一個臨界變形值的點(即傾斜值3 mm/m、曲率值0.2×10-3/m或水平變形值2 mm/m)，臨界點與采空區(qū)邊界連線，連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角即為移動角，分別為：走向移動角δ=72°、下山移動角β=55°，上山移動角γ因工作測點遭破壞，無法獲得。

(3)充分采動角

4204工作面走向方向為充分采動，傾斜方向沒有達到充分采動，故只能求出走向充分采動角ψ3，根據(jù)走向下沉曲線圖可得：ψ3=77°。

(4)最大下沉角

工作面上方松散層厚度59.7 m，大于0.1H，在傾斜主斷面上，將地表最大下沉點經(jīng)過松散層垂直投影至基巖面上，再與采空區(qū)中點連線，該連線和水平線在下山方向的夾角為最大下沉角：θ=62°，則采動影響傳播系數(shù)為K=0.74。

3.3 地表動態(tài)變形參數(shù)

根據(jù)實測資料，繪制了地表動態(tài)下沉、下沉速度變化曲線圖，見圖3。從圖中可看出，地表測點的下沉過程是連續(xù)漸變的，地表最大下沉速度值為10 mm/d。

根據(jù)地表下沉速度曲線，求得測點與其達到最大下沉速度時的工作面推進位置的連線與水平線在采空區(qū)一側(cè)的夾角，即最大下沉速度滯后角為：φ=arctan(210/72)= 71°。

根據(jù)下沉速度曲線，取測點開始下沉值為10 mm時的位置至當(dāng)時工作面回采位置的連線，該連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角，即超前影響角為：ω=arctan(210/96)=65°。

經(jīng)綜合分析確定，4204工作面開采后，地表移動延續(xù)時間為14個月，其中初始期為30 d左右，活躍期為140 d，衰退期為255 d，活躍期時間占地表移動延續(xù)時間的28.6%，活躍期下沉量占總下沉量的87%。

圖3 地表動態(tài)下沉、下沉速度變化曲線圖

3.4 地表移動預(yù)計參數(shù)

根據(jù)最終的地表下沉曲線形態(tài)分布，本區(qū)地表移動基本符合概率積分模型，因此選用概率積分模型作為地表移動預(yù)測模型。采用曲線擬合法進行求參分析，獲得了概率積分法地表移動預(yù)計參數(shù)，見表2，圖4為下沉曲線擬合圖。

表2 地表移動預(yù)計參數(shù)

圖4 觀測線下沉擬合曲線

4 結(jié) 論

通過對4204工作面地表移動變形觀測資料的分析研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)實測地表最大下沉值為842 mm，最大傾斜值為5.4 mm/m，最大曲率值為-0.17～0.14×10-3/m，最大水平移動值464 mm，最大水平變形值為-6.4～5.0 mm/m，地表下沉盆地偏向于煤層下山方向一側(cè)，地表最大下沉點亦位于采空區(qū)下山方向一側(cè)。

(2)采空區(qū)上覆地層整體向煤層上山方向移動明顯，上山方向的地層豎向移動較水平移動顯著，下山方向的水平移動較豎向移動顯著，表現(xiàn)為上山方向傾斜變形、曲率變形較為發(fā)育，下山方向水平移動和水平變形則更為突出。

(3)地表下沉盆地的形態(tài)較為平緩，影響范圍較大；求得走向邊界角δ0=65°、下山邊界角β0=47°、上山邊界角γ0=48°,上、下山邊界角較小，這與松散層厚度大、煤層傾角大及附近采空區(qū)等因素有直接關(guān)系。

(4)獲得地表最大下沉速度V為10 mm/d，最大下沉速度滯后角φ為 71°，超前影響角ω為65°，得出地表移動延續(xù)時間為14個月，其中初始期為30 d左右，活躍期為140 d，衰退期為255 d，活躍期地表下沉量占總下沉量的87%。

(5)求得概率積分法預(yù)計參數(shù)：下沉系數(shù)q=0.71，水平移動系數(shù)b=0.22，主要影響角正切tgβ=1.55，開采影響傳播角系數(shù)K=0.74，拐點偏移距S1=-0.18H、S2=0.19H、S3=0.01H。