某煤矿条带开采地表变形规律研究

某煤矿条带开采地表变形规律研究

刘承旭

   （兖矿东华建设有限公司地矿建设分公司，山东 济宁 273500）

[摘要]为了研究条带开采工作面的地表移动规律，本文以某煤矿5316工作面的已有资料和和该工作面的实际观测数据为基础，对该区域地质条件下的5316工作面条采工况推进过程中的地表变形规律进行了研究，解算出各地表项岩移参数，在理论分析的的基础上运用概率积分法对矿区地表形变进行了反演。研究结果表明，条带开采对于控制地表移动变形有较好的效果。

[关键词]地表移动 条带开采 岩移规律 沉陷预计

0 引言

煤炭是我国占比最大的能源消耗品，近些年虽然我国能源结构中的煤炭所占的比重有所下降，但仍然在我国的能源体系中处于主体地位，是国家不可或缺的资源。在采出煤炭的过程中，破坏了开采区域周围岩体的应力平衡，应力得到重新分配，从而达到了新的平衡。在此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏，严重威胁矿区地表居民的人身和财产安全[1]。我国是煤炭储量大国，然而由于“三下”压煤的存在煤炭产出率偏低。条带开采法属于局部开采，此法可有效控制覆岩及地表移动变形、保护地表建(构)筑物，不仅有利于煤矿安全生产、提高煤炭采出率，还降低了生产成本、扩大了矿井经济效益，并为最大限度地减小开采损害提供技术保障[2]。近年来，高效减沉的条带开采法正在被广泛应用到三下压煤开采中来[3]，因此研究该工作面条带开采的地表移动规律,对类似煤矿储藏的三下压煤的后续开采工作具有重要意义。

1 观测站布设

5316工作面位于山东某煤矿南二采区南翼，地面地势相对平坦，工作面南部上方有村庄。为了确保观测线能有效监测整个采煤影响区及采煤区附近塌陷区域的地表形变，并获得采动下地表岩石运动的相关参数。该工作面一共布设了一条走向线和一条倾向线，其中倾向线I线共28个测站，走向线F线是位于工作面走向中部的倾向线共32个测站。根据工作面的推进情况以及地表实际变形情况，对这两条观测线进行了持续的监测工作。

2 研究区实测分析

2.1 下沉规律分析

图1图2分别为走向线I线和倾向线F线的动态下沉曲线。由于初次进行观测时工作面开采尚未开始，所以从第二期数据开始统计下沉值。开采初期各水准观测站的地表下沉值较小，随着工作面开采工作面的推进和水准测量监测工作的定期进行，对周围岩体不断破坏，地表逐渐进入移动变形活跃期，下沉速度越来越大，下沉量与此同时也逐渐增大。工作面停采后下沉速度迅速减小，整个水准监测过程中地表下沉速度呈现先增大后减小的状态。通过分析水准观测数据可知，在5316-1工作面和5316-2两个工作面间歇条采的过程中，由于覆岩关键层中细砂岩对开采工作面围岩的应力平衡起着决定性的作用，所以地表的最大下沉量相对较小，地表下沉曲线形态为极不充分采动时的状态，基本呈岩梁挠度形态[4]。由图1图2可知最大下沉值偏向于下山方向，究其原因是因为该工作面煤层倾角平均为6.4°，属于缓倾斜煤层，随着工作面的推进最大下沉值会偏向于下山方向，符合地表沉陷移动规律。分析获得的水准数据可知该条采工况下开采引起的地表下沉较小，产生的地表移动变形相对较小。

图1  F观测线下沉曲线图

图2  I观测线下沉曲线图

2.2 地表移动变形的参数确定

结合测量成果及4条观测线的下沉曲线图，根据工作面的实际开采情况以及经验公式可得到岩层的移动预计参数为：5316工作面的地表下沉系数q=0.19，主要影响角正切=2.03，水平移动系数b=0.29主要影响半径r=216m。

3 采煤沉陷预计软件分析

针对5316工作面的地质采矿条件所，运用采煤地表移动变形预计软件对工作面的地表移动进行反演预计。

表1  该条采条件下地表移动变形参数表

参照该工作面经过观测处理获得的相关岩移参数，利用地表变形预计软件对地表各种移动变形进行预计，所得部分结果如图3图4所示。

图3 地表下沉等值线分布图                     图4 地表水平变形等值线分布图

由图3可以看出条采两个工作面地表下沉值是在210-270mm之间，沿着两个工作面的布置走向呈现增大趋势。两个工作面之间受围岩应力平衡被破坏而发生的地表移动最大，最大下沉值达到了270mm。由图4可以看出两个工作面中间地表变形最大，最大水平变形值达到了1.3mm/m。对比两张图可以看出水平变形范围略大于地表下沉范围，其原因主要是由于在覆岩关键层的控制下坚硬厚岩层的挠曲变形使得地表水平变形范围较下沉范围大[5]。

表2 该条采条件下各移动变形值统计表

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规程的评价标准，预计所得表2中的各项移动变形值均满足该规程建筑物Ⅰ级损害的要求，对地表建筑物基本无破坏。

4 结束语

1）通过对某煤矿5316两个条采工作面地表移动观测站所取得的数据进行处理分析，探求了硬岩条件下条带开采前后地表移动变形的特点和规律，取得了地表沉降的些移动和变形参数，对类似条件矿区建下采煤及保安煤柱留设具有一定的借鉴价值。

2)基岩在煤矿采动及上覆厚褐土层载荷影响的综合作用下，导致预计所得的地表水平变形范围大于沉陷范围，同时在关键层厚硬砂岩的控制下，地表移动下沉盆地未出现异常，协调平缓，得到的各项地表移动变形参数均在I级破坏范围内，可保证开采安全。

3)通过实地测量数据的计算分析结合地表移动变形预计所得各项参数的论证分析可得:在该矿区地质采矿条件下，运用条带开采方法进行开采在保护地表建筑物的同时提高了经济效益，同时验证了原开采方案设计参数的选取是合适的。

参考文献

[1]邓喀中.变形监测及沉陷工程学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2014.

[2]余学义,郭文彬,赵兵朝,刘樟荣.巨厚黄土层宽条带开采地表移动规律及参数优化[J].炭科学技术,2016,44(04):6-10.

[3]刘义新,戴华阳,郭文兵.巨厚松散层下深部宽条带开采地表移动规律[J].采矿与安全工程学报,2009,26(03):336-340.

[4]余学义,刘传杰.亭南煤矿村庄下宽条带开采地表移动规律研究[J].煤炭工程,2019,51(05):118-122.

[5]林海,胡安星,韩应伟.花园煤矿条带煤柱稳定性数值模拟研究[J].山东煤炭科技,2023,41(04):45-48.

作者简介：刘承旭（1995—），男，山东潍坊人，汉族，研究生，研究方向为：工程测量。