張文山 劉崢 王海軍

摘要：介紹了趙固一礦首采工作面開展的巖移觀測站工作及其取得的成果，敘述了本礦巨厚沖積層薄基巖綜采開采條件下地表沉陷規(guī)律的一些研究與實踐，并對所取得的成果進行了一定的分析。

關(guān)鍵詞：巨厚沖積層 薄基巖 綜采 沉陷規(guī)律

1 礦井概況

趙固一礦位于焦作煤田東部、太行山南麓，行政區(qū)劃隸屬輝縣市管轄，井田中心有公路通向新鄉(xiāng)市、焦作市、輝縣市、嘉縣等，交通便利。

趙固一礦設(shè)計每年生產(chǎn)能力是240萬噸，共有49年的服務(wù)年限。礦井主采二疊系山西組二1煤層，煤層傾角一般2～6°，賦存穩(wěn)定，平均厚度5.29m，屬全區(qū)可采的近水平穩(wěn)定型厚煤層。煤種為低中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)三號無煙煤，平均發(fā)熱量29.9千卡/千克。

礦井采用立井單水平盤區(qū)式開拓，井口位置位于井田中深部，井口標(biāo)高+83.8m，車場水平標(biāo)高-525m，井深608.8m。工業(yè)廣場內(nèi)布置主、副、風(fēng)3個立井。通風(fēng)方式一開始是中央并列式，后來考慮到礦井邊界安全出口，變成了兩翼對角式的通風(fēng)方式。

井田走向長2.0～5.5km，傾斜寬9.5～11km，具有43.77km2的含煤面積，3.73億噸的總資源儲量，可采儲量1.64億噸。井田范圍內(nèi)二1煤層處于瓦斯風(fēng)化帶中，屬低瓦斯礦井，礦井開采條件較好。

趙固一礦屬新建礦井，缺少巖移觀測資料和工程實例參照。因此為了較準(zhǔn)確獲取該地區(qū)地表移動和變形規(guī)律及相關(guān)的地表移動和變形的各種角量參數(shù)與預(yù)計參數(shù)，總結(jié)規(guī)律，為土地復(fù)墾奠定理論基礎(chǔ)和實測數(shù)據(jù)，決定對11011首采工作面做細致的地表巖移觀測。

2 工作面概況

2.1 11011工作面布置情況 11011首采工作面位于東一盤區(qū)西部，其具體位于工業(yè)廣場以東與石門河之間，文莊村東南，工作面中南部地面有西北流村，東北流村位于工作面南部以東地面，輝吳公路從工作面南部上方穿過。

2.2 開采地質(zhì)條件 趙固一礦首采工作面主采煤層為二1煤，厚度5.93～6.42m，平均6.14m，煤層傾角沿工作面方向1～2°，沿推進方向近似煤層走向。煤層節(jié)理、層理發(fā)育，局部含有薄層夾矸，而且性脆，煤的硬度f=0.98～1.8。煤層頂板局部有炭質(zhì)泥巖薄層偽頂。直接頂為1.7m～6.8m厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖，直接頂上部夾有0.4m左右的煤線。老頂為4.4m～6.5m厚的大占砂巖，高角度節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，分層厚度0.3～0.5m，層間夾薄層泥巖或者砂質(zhì)泥巖。二1煤層底板距L9灰?guī)r12.2m～13.8m，距L8灰?guī)r24.5m～25.7m。煤層底板到L9灰?guī)r之間巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖；L9灰?guī)r到L8灰?guī)r之間為泥巖。

根據(jù)三維地震資料及順槽掘進過程中的觀測，工作面內(nèi)賦存的斷層共計10條，其中六條對回采影響較大。

2.3 工作面開采情況 表土層厚度480m，煤層頂板標(biāo)高-478.1m～-496.4m，煤層傾角0°～4°，走向長度1124.2m，傾斜長172.2m，平均采高3.3m，工作面實際回采率93%，循環(huán)進尺0.6m，推進速度6m/天。

工作面采用兩端斜切進刀雙向割煤方式，翻轉(zhuǎn)搖臂割三角煤后轉(zhuǎn)入正常割煤，采煤機割煤后隨即移架、推移輸送機，完成一個循環(huán)。工作面采用采煤機落煤、裝煤，可彎曲刮板輸送機運煤，頂板支護采用支撐掩護式放頂煤液壓支架全封閉支護。工作面布置112架ZF6800/20/38型放頂煤液壓支架，機頭、機尾各3架ZFG7200/20/38型過渡液壓支架，最大控頂距5.0m，最小控頂距4.4m，支架中心距1.5m，全封閉式頂板管理，空頂距小于340mm。

3 工作面地表沉陷觀測情況

3.1 工作面觀測點的布置與觀測 由于11011工作面平均開采深度為575m，大于300m，根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》的要求，觀測站點間距選擇為25m，需要在各條觀測線工作長度以外設(shè)置觀測站控制點各3個。在第一條傾向觀測線東北、西南兩頭控制點編號為AW1、AW2、AW3、AE1、AE2、AE3，在第二條傾向觀測線東北、西南兩頭控制點編號為BW1、BW2、BW3、BE1、BE2、BE3，在走向觀測線西北、東南兩頭控制點編號為CN1、CN2、CN3、CS1、CS2、CS3由井下巷道導(dǎo)線點資料計算，A、C兩條觀測線交點A27的坐標(biāo)為（3920076.592，467421.899），B、C兩條觀測線交點A27的坐標(biāo)為（3919835.242，467600.085），走向觀測線方位角為143°33′43〞，傾向觀測線方位角為53°33′43〞。

控制點和工作測點標(biāo)定位置挖一個直徑0.2m～0.3m，深度不小于0.6m的坑，用混凝土灌注中間用16～20mm的圓鋼筋作為標(biāo)志，標(biāo)志的頂部加工成球形，并鉆一個深3～5mm、直徑小于2mm的孔作為測點標(biāo)志的中心?；蛴妙A(yù)制的測點埋設(shè)。圓鋼筋頂部也可用鋼鋸鋸成相互垂直的十字，作為測點標(biāo)志的中心。在凍土地區(qū)，標(biāo)志澆灌深度應(yīng)在凍土線以下0.5m左右，標(biāo)志周圍填緊土石，和凍土隔離?？刂泣c和工作測點按設(shè)計要求用2″級全站儀或DJ2級經(jīng)緯儀配合鋼尺標(biāo)定，并按要求盡量布設(shè)在設(shè)計的方向線上。

11011工作面自2008年11月1日開始回采至2009年11月23日回采結(jié)束。在11011工作面開采過程中，在工作面上方設(shè)傾向觀測線2條。觀測線Ⅰ在2008年10月12日至2009年10月30日期間共測量了16次。觀測線Ⅱ在2009年04月01日至2010年01月30日期間共測量了10次。

3.2 觀測情況 通過觀測：11011工作面中心地表最大下沉量約為采高的0.8倍，最大下沉量為2377mm；以工作面中心線為中心，傾向方向上半徑500m范圍內(nèi)下沉量在50mm以上；下沉盆地以工作面走向中心線為長軸呈橢圓坑狀。

4 地表沉陷規(guī)律分析

4.1 超前影響距和超前影響角 超前影響角的計算公式：？棕=arc cot■

式中：l——超前影響距，m；

H——平均開采深度575m。

根據(jù)11011工作面觀測資料顯示，得到超前影響距值如表1：

表1

■

由表可求得平均超前影響距為L=300m，超前影響角ω為

？棕=arc cot■=62.5°

4.2 最大下沉速度及滯后角和滯后距 地表最大下沉速度計算公式：

Vmax=k■W/H0

分析可知：最大下沉速度Vmax為41mm/d；工作面平均推進速度c為6m/d；工作面最大下沉值W約為2377mm；H0平均開采深度575m；該工作面下沉速度系數(shù)k為4.05。

地表最大下沉距計算公式：

？準(zhǔn)=arc cot■

式中：l——滯后距，m；

H——平均開采深度575m。

根據(jù)實測資料得，采區(qū)中央點號的最大下沉速度均達2377mm/d。最大下沉速度滯后距為65～76.5m，最大下沉速度滯后角為82.4～83.5°。

5 巖移參數(shù)的擬合方法

影響地表移動變形的主要因素：下沉系數(shù)η；采深、巖性系數(shù)c等。在此工程實例中開采深度一定，是一定值不參與擬合；主要影響半徑由主要影響角確定。因此，主要參與擬合的參數(shù)有：下沉系數(shù)；采深、巖性系數(shù)；主要影響角。

首先以觀測線Ⅰ的第二次觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進行擬合，擬合出相關(guān)參數(shù)；再以此為基礎(chǔ)參數(shù)進行第三次觀測數(shù)據(jù)的擬合。如果擬合誤差小于工程允許范圍，擬合結(jié)束；反之，則繼續(xù)擬合，直到擬合精度符合工程需求。

觀測線Ⅰ第十六次觀測擬合結(jié)果：

圖1 觀測線Ⅰ第十六次觀測值擬合結(jié)果

觀測線Ⅱ第十次觀測擬合結(jié)果：

圖2 觀測線Ⅱ第十次觀測值擬合結(jié)果

觀測線Ⅰ、Ⅱ擬合結(jié)果匯總：

表2 觀測線擬合結(jié)果匯總表

■

根據(jù)擬合結(jié)果及綜合分析：下沉系數(shù)：q=0.91；主要影響角：β=72°；松散層移動角：φ=45°；采深、巖性系數(shù)：c=6。根據(jù)以上地表移動參數(shù)，應(yīng)用剖面函數(shù)法、概率積分法等對礦區(qū)地表移動變形進行預(yù)計，確定地表變形范圍，指導(dǎo)塌陷區(qū)綜合治理及土地征用和村莊搬遷。

6 地表沉陷特征

6.1 11011工作面平均超前影響距為L=300m，超前影響角為62.5°，最大下沉速度達41mm/d，最大下沉速度滯后距平均為65～76.5m，最大下沉速度滯后角為82.4～83.5°。

6.2 厚沖積層薄基巖綜采開采條件下地表沉陷具有最大下沉值、最大下沉速度、水平變形量明顯偏大等特點。

6.3 11011工作面寬深比大，采動充分度大。同時11011工作面表土厚度大，基巖厚度偏小，覆巖相對軟弱，采寬與基巖比大，從而使地表移動變形增大，盆地位于采空區(qū)中心上方附近。

7 結(jié)束語

①巖層移動傳播到地表的沉陷現(xiàn)象，反映了巖層移動的傳播方式和移動狀況，為地表移動的描述和預(yù)測提供依據(jù)。②開采沉陷引起的巖層與地表移動屬于大變形理論范疇，從開采沉陷的機理上講，由煤礦開采所誘發(fā)的土地沉陷可以用“兩種移動”和“三種變形”來描述。③必須采取必要的措施來避免開采沉陷，因為其對土地資源的影響和破壞是巨大的。

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