松软砂岩下开采地表移动变形规律研究*

邓伟男

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

我国从二十世纪五十年代开始建立地表移动观测站[1-2]，并在全国范围内开展地表移动实测规律的研究工作，积累了丰富的各矿区岩移资料[3-9]。随着采煤技术的进步，复杂或特殊地质采矿条件下的沉陷变形研究需求越来越多，但技术支持与生产相脱节，大型矿井缺少基础数据的情况较为常见。另外，在我国积极发展绿色矿山、要求经济发展和环境保护相协调的大趋势下，对矿区采煤沉陷的监测工作也显得十分必要[10-12]。

本文基于沙吉海煤矿首采工作面B1003W01，通过实测对松软砂岩下综采放顶煤开采的地表移动变形规律和参数进行研究，为该矿和近似条件矿区的生产与地表保护提供依据。

1 研究区概况

沙吉海煤矿位于新疆塔城地区和布克赛尔蒙古自治县和什托洛盖镇东北约70 km的沙吉海矿区，地理坐标为东经86°27′54″～86°43′46″，北纬46°34′23″～46°41′27″。矿井东西走向长7.94 km，南北宽3.2～3.7 km，面积27.4 km2。矿井设计生产能力5.0 Mt/a，服务年限70.4 a。矿井采用两斜井一立井的综合开拓方式(主、副井为反斜井)、综采放顶煤的采煤工艺、全部垮落法管理顶板。

根据沙吉海煤矿井田内钻孔实测数据统计，其首采的B10煤层覆岩结构以砂岩类岩层为主、砂泥岩交互沉积，砂岩含量达65%以上，覆岩自然状态下的平均单轴抗压强度为19.10 MPa。由此可确定B10煤层覆岩属软弱类型[13]。

B1003W01工作面为沙吉海煤矿首采工作面，顺槽长2 300 m，工作面斜长213 m，平均采深300 m，平均采厚6.65 m，煤层倾角11°～15°，平均13°。地质条件简单，无断层揭露，地表为戈壁荒原，由混杂堆积的砂、砾石和少量黄土构成。

2 观测站设计与观测

2.1 观测站布置

采矿引起的地表沉陷是许多地质采矿因素综合影响的结果，认识这一复杂过程的最好方法是建立地表移动观测站，并进行现场实测。单个工作面的地表移动观测站一般由走向观测线和倾向观测线组成，由于沙吉海煤矿B1003W01工作面走向长度(2 300 m)远大于该地质采矿条件下达到充分开采所需要的最小尺寸(按采深估算约400 m)，开采后走向上沉陷曲线应呈对称分布；同时，在地表移动观测站设计前工作面已经开始回采，开切眼侧地表不宜布设观测站。因此，本次地表移动观测站选择布置在停采线一侧，采用半条走向观测线及完整的一条倾向观测线的布设形式。

地表移动观测站位置设计时，考虑走向观测线布设于地表移动盆地的走向主断面上，倾向观测线必须通过充分采动区且在观测开始前不应受到工作面推进的影响；长度设计时，考虑观测线的控制范围必须能够反映地表移动盆地特征的原则，观测线的长度应超过移动盆地边界一定距离，以便确定移动盆地的边缘。

结合矿井实际地质采矿条件，根据《煤矿测量规程》中相关要求，沙吉海煤矿B1003W01工作面走向观测线A线布置于工作面中心向下山方向偏移42 m，长度600 m，设计测点31个，测点间距20 m；倾向观测线B线到停采线的距离为300 m，长度800 m，设计测点41个，测点间距20 m。

测点埋设时采用机械打钻、混凝土加筋浇筑的方式，测点底面在当地最大冻土线以下0.57 m，埋设深度2.4 m。B1003W01工作面地表移动观测站实际布设如图1所示。

2.2 实测工作简介

B1003W01工作面开采时间为2014年7月～2017年5月，地表移动观测时间为2015年9月13日～2018年5月1日。共进行连接测量2次，平面、高程全面观测6次，日常高程观测3次。

3 观测结果与分析

3.1 观测结果

选取若干次观测成果进行下沉、水平移动曲线绘制，走向结果如图2、图3所示，倾向结果如图4、图5所示。

图2 走向观测线(A线)下沉曲线

图3 走向观测线(A线)水平移动曲线

B1003W01工作面开采后，地表最大下沉1 945 mm，最大下沉点出现在走向线A3、倾向线B21处。图4 倾向观测线(B线)下沉曲线

图5 倾向观测线(B线)水平移动曲线

由于煤层倾角较大，倾向上最大下沉点明显偏向工作面下山方向。由于观测工作面倾向长度213 m，单工作面开采时，倾向上未能达到充分采动。根据工作面的平均采厚6.65 m，计算实测的下沉率为0.29。

指向开切眼方向的水平移动极值出现在A12测点处，在停采线上方明显偏向采空区一侧。因为走向观测线布置在停采线一侧，本观测站不能反应指向推进方向的水平移动极值。

倾向观测线上，指向下山方向的水平移动最大值出现在B15测点处，指向上山方向的水平移动最大值出现在B24测点，极值大致位于工作面开采边界处。在数值上，指向上山方向的水平移动明显大于指向下山方向的水平移动值。

3.2 极值

根据最后一次观测数据(2018年5月1日)，B1003W01工作面开采后地表移动变形极值如表1所示。

3.3 角量参数

B1003W01工作面在走向方向达到了充分采动，由A线实测下沉值综合分析可知：地表下沉10 mm的点位于A22～A23测点之间，距离B1003W01工作面停采线154 m。根据B1003W01工作面平均采深300 m，求得走向综合边界角δ0=62.3°。

下山方向的边界点位于B40～B41测点之间，距离B1003W01工作面下山边界327 m，根据B1003W01工作面下山边界采深320 m、观测线位置平均倾角13°，求得下山综合边界角β0=43.8°；上山方向的边界点位于B3～B4测点之间，距离B1003W01工作面上山边界198 m，根据B1003W01工作面上山边界采深280 m、观测线位置平均倾角13°，求得上山综合边界角γ0=54.1°。

倾斜、曲率和水平变形可由下沉和水平移动求得，在倾斜、曲率和水平变形曲线上求得走向综合移动角δ=86.5°，下山综合移动角β=75°，上山综合移动角γ=84.7°。

根据走向下沉曲线形态综合分析，B1003W01工作面走向地表移动盆地平底边缘点位于A4测点处，距离B1003W01工作面停采线223 m。根据B1003W01工作面平均采深300 m，求得走向充分采动角ψ3=52.8°。

由倾向下沉曲线可知，倾向方向为非充分采动，地表最大下沉出现在B21测点处，距离工作面采空区中点42 m。根据B1003W01工作面平均采深300 m、观测线位置平均倾角13°，求得最大下沉角θ=81.9°。

3.4 动态移动变形参数

由于B1003W01工作面的观测线布置在停采线一侧，起动距无法求取。

最大下沉点B21整个移动过程中，开始阶段持续约71 d；活跃阶段持续约247 d；以6个月内下沉累计不超过30 mm(下沉速度小于0.016 7 mm/d)作为地表稳定的标志，衰退阶段持续约159 d。B1003W01工作面最大下沉点累计移动时间约477 d，其中，活跃阶段占整个移动时间的52%。

3.5 结果分析

工作面倾向方向地表下沉曲线向下山方向偏移明显，指向上山方向的水平移动明显大于指向下山方向的水平移动。

由于上覆岩层软弱，地表变形较为集中，工作面边界以外区域变形值偏小。倾斜方向上采动影响范围比走向大(边界角小)，其中，下山边界角最小，为43.8°，总体而言移动角比边界角大得多，最小的下山移动角为75°，远大于下山边界角。

地表最大下沉点移动活跃阶段占整个移动时间较长。

4 地表移动计算参数

由于B1003W01工作面为非充分开采，无法直接利用地表最大下沉值及最大水平移动值等实测数据求取概率积分法地表移动计算参数，因此，采用计算机拟合的方法进行求取。

用地表移动观测站最后一次观测的下沉及水平移动数据拟合求取B1003W01工作面综放开采条件下概率积分法地表移动预计参数为：下沉系数q=0.8，水平移动系数b=0.23，主要影响角正切tanβ=2.0，下山边界拐点偏移距S1=0.23H1(H1为下山边界采深，m)，上山边界拐点偏移距S2=0.28H2(H2为上山边界采深，m)，走向拐点偏移距S3=0.32H0(H0为平均采深，m)，开采影响传播角θ0=90-0.62α(α为煤层倾角)。走向下沉拟合曲线如图6所示。

图6 走向观测线下沉拟合曲线

5 结 论

通过对沙吉海煤矿B1003W01首采工作面建立地表移动观测站，并进行观测数据的分析、总结，得到当地的地表移动变形参数，分析了在松软砂岩条件下的开采沉陷规律。

(1)在B1003W01工作面条件下，观测得到的最大下沉为1 945 mm，未达到充分采动；最大水平移动为784 mm。

(2)观测得到的地表移动角量参数为：走向综合边界角62.3°，下山综合边界角43.8°，上山综合边界角54.1°，走向综合移动角86.5°，下山综合移动角75°，上山综合移动角84.7°，走向充分采动角52.8°，最大下沉角81.9°。地表移动持续时间为477 d，其中，活跃期占52%。

(3)倾斜方向地表下沉曲线向下山方向偏移明显，指向上山方向的水平移动明显大于指向下山方向的水平移动；由于上覆岩层软弱，地表变形较为集中，工作面边界以外区域变形值偏小，且总体而言移动角比边界角大得多；地表移动活跃阶段占整个移动时间的比例大。

(4)通过计算机拟合的方法求取了B1003W01工作面的概率积分法地表移动计算参数，其中，下沉系数0.8，水平移动系数0.23，主要影响角正切2.0，下山边界拐点偏移距0.23H1，上山边界拐点偏移距0.28H2，走向拐点偏移距0.32H0，开采影响传播角90-0.62α。