鄭東平

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

毛則渠煤炭有限公司目前主采2#煤層，井田北部東翼的201 綜采工作面煤厚4.53～8.65/7.06 m，煤層埋深200 m 左右。根據(jù)2#煤層賦存情況，201 工作面東西長(zhǎng)1713 m，南北寬118 m，煤層底板標(biāo)高+699～+758 m，地表溝壑縱橫，地表標(biāo)高+854～+958 m，工作面采深160～260 m。由于毛則渠煤礦2#煤層剩余實(shí)體煤大部分在村莊下，礦方計(jì)劃對(duì)喬子坡、史家灣、柴嶺、湛泉四個(gè)村莊進(jìn)行搬遷。根據(jù)毛則渠煤礦201 工作面區(qū)域地質(zhì)采礦條件，在毛則渠煤礦201 工作面上方地表布設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站，獲取觀測(cè)點(diǎn)下沉值和水平移動(dòng)值，再對(duì)這些實(shí)測(cè)資料進(jìn)行總結(jié)分析，以得出觀測(cè)站實(shí)測(cè)參數(shù)和移動(dòng)變形規(guī)律，包括確定實(shí)測(cè)的地表沉陷移動(dòng)角值、裂縫角值和邊界角值及最大下沉速度數(shù)值等，沉陷預(yù)計(jì)實(shí)測(cè)參數(shù)、分布函數(shù)的最終形式，獲得毛則渠煤礦201 工作面實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形分布規(guī)律等。

2 觀測(cè)線布設(shè)情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 地面測(cè)點(diǎn)布置情況

觀測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)數(shù)目及其密度主要取決于開采深度和設(shè)站的目的[1-2]。201 工作面煤層埋深160～260 m，平均200 m，應(yīng)按照15～20 m 點(diǎn)間距布設(shè)測(cè)點(diǎn)。本項(xiàng)目主要研究目標(biāo)為：通過對(duì)201 工作面地表巖移的觀測(cè)，確定實(shí)測(cè)地表沉陷移動(dòng)角值、裂縫角值、邊界角值、最大下沉速度數(shù)值及地表沉陷穩(wěn)定時(shí)間，掌握地表移動(dòng)變形規(guī)律。綜合考慮以上因素，按照20～40 m 點(diǎn)間距布置測(cè)點(diǎn)。

地表移動(dòng)觀測(cè)站共布置測(cè)線3 條，測(cè)線累計(jì)長(zhǎng)度1358 m，46 個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用永久控制點(diǎn)2 個(gè)（實(shí)際布置見圖1）。其中，走向觀測(cè)線1 條：沿工作面走向長(zhǎng)度686 m，22 個(gè)測(cè)點(diǎn)；傾向觀測(cè)線2 條：傾向觀測(cè)線B 線，沿工作面傾斜長(zhǎng)度約290 m，8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，傾向觀測(cè)線C 線，沿工作面傾斜長(zhǎng)度約382 m，17 個(gè)測(cè)點(diǎn)。以上測(cè)線中，部分測(cè)點(diǎn)有重合。

2.2 觀測(cè)內(nèi)容及觀測(cè)結(jié)果

截至目前，共實(shí)施了4 次全面觀測(cè)，全面觀測(cè)分別于2017 年3 月15 日、2017 年9 月4 日、2017年12 月25 日和2018 年5 月28 日實(shí)施。監(jiān)測(cè)過程中部分測(cè)點(diǎn)遭到沉陷破壞，考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員安全，舍棄部分測(cè)點(diǎn)。對(duì)獲得的歷次數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以第三、四次全面觀測(cè)為例，得到測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程信息見表1、表2。

表1 第三次全面觀測(cè)三維平差結(jié)果（2017 年12 月25 日）

表2 第四次全面觀測(cè)三維平差結(jié)果（2017 年5 月28 日）

3 地表移動(dòng)盆地特征綜合分析

3.1 地表移動(dòng)盆地邊界角

如圖2 所示，邊界角是衡量煤層開采后對(duì)應(yīng)地表發(fā)生沉降范圍的主要參數(shù)，考慮到地表實(shí)地測(cè)量時(shí)會(huì)存在人為、機(jī)械等誤差，將下沉量等于10 mm的點(diǎn)作為地表移動(dòng)盆地的邊界，由此確定201 工作面地表移動(dòng)盆地邊界在工作面長(zhǎng)度方向（走向）的水平影響長(zhǎng)度145 m，求得走向方向綜合邊界角δ0=54°，下山方向水平影響長(zhǎng)度β0=164 m，求得下山方向綜合邊界角γ0=59°。

圖2 地表移動(dòng)盆地邊界的確定

3.2 地表移動(dòng)超前影響距和超前影響角分析

回采工作面推進(jìn)期間，地表移動(dòng)盆地主斷面沿工作面推進(jìn)方向邊界處與回采工作面之間的水平距離定義為地表移動(dòng)超前影響距，邊界點(diǎn)與工作面之間的連線與工作面推進(jìn)方向水平線的夾角定義為超前影響角。超前影響角和超前影響距是表征工作面采動(dòng)對(duì)于地表對(duì)應(yīng)位置影響范圍的參數(shù)，如圖3，隨著工作面的推進(jìn)，其數(shù)值也同步發(fā)生變化。當(dāng)工作面推進(jìn)至B 點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)下沉曲線為w1，超前影響距和超前影響角分別為l1、ω1。工作面繼續(xù)推進(jìn)至C 點(diǎn)、D 點(diǎn)，地表下沉曲線也同步向前移動(dòng)，超前影響角（ω）和超前影響距（L）的關(guān)系如下[3-4]：

圖3 工作面推進(jìn)過程中地表移動(dòng)和變形

式中：L為超前影響距；H0為工作面埋深。一般覆巖越堅(jiān)硬，影響范圍越小，超前影響角越大；采深越大，超前影響角越大；采厚越大，超前影響角越小。2017 年9 月7 日沉陷觀測(cè)結(jié)果顯示，工作面開采至走向1688 m（距停采線一側(cè)25 m）時(shí)，在停采線一側(cè)水平影響距約127 m，即地表移動(dòng)超前影響距為127 m，對(duì)應(yīng)地表移動(dòng)超前影響角為58°。

3.3 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的特性分析

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表區(qū)域下沉最大處從開始沉降至其停止沉降所用時(shí)長(zhǎng)。由歷次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得，截至2018 年5 月28 日，201 工作面地表最大下沉值的測(cè)點(diǎn)為A28 測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)下沉值達(dá)到了4063 mm。結(jié)合地表移動(dòng)超前影響距分析結(jié)果，A28 測(cè)點(diǎn)開始移動(dòng)時(shí)間為2017 年5 月9日，繪制的A28 測(cè)點(diǎn)下沉速度曲線如圖4。由圖可知，A28 測(cè)點(diǎn)下沉速度于2018 年5 月8 日小于1.67 mm/d，進(jìn)入地表移動(dòng)衰退階段。

以近期2 次觀測(cè)數(shù)據(jù)（2017 年12 月25 日和2018 年5 月28 日）為例，A24 測(cè)點(diǎn)在2017 年12月25 日和2018 年5 月28 日這一時(shí)間段內(nèi)下沉了347 mm，歷時(shí)145 d，下沉速度為2.25 mm/d，可見該觀測(cè)站還處于活躍期。回歸求得：

式中：T為地表移動(dòng)時(shí)間，d。由地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間定義，可由V=27.273e-0.009T=0.17 mm/d，求得地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間T=-ln（0.17/27.273）/0.009=564 d，即201 工作面地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間為T=564 d。201 工作面平均開采深度H0=200 m，則T=2.8H0。

圖5 測(cè)點(diǎn)A28 下沉速度曲線

4 結(jié)論及建議

在毛則渠煤礦201 工作面上方共設(shè)立3 條觀測(cè)線，觀測(cè)線總長(zhǎng)度1358 m、測(cè)點(diǎn)總數(shù)46 個(gè)。從2017 年3 月中旬開始至2018 年5 月底現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)束，歷時(shí)近15 個(gè)月獲取的沉陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地表巖移數(shù)據(jù)分析和總結(jié)，獲得了毛則渠煤炭有限公司地表移動(dòng)基本參數(shù)：走向方向（停采線一側(cè)）水平影響距離145 m，走向方向綜合邊界角54°；下山方向水平影響距離164 m，下山方向上綜合邊界角59°；地表移動(dòng)超前影響距127 m，對(duì)應(yīng)地表移動(dòng)超前影響角58°；地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間T=2.8H0。所得參數(shù)可為井田西北部趙院新農(nóng)村保護(hù)煤柱的安全和合理留設(shè)提供基礎(chǔ)參數(shù)。但由于地表還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，地表沉陷還在持續(xù)，建議條件許可的條件下，可對(duì)201 觀測(cè)站進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)，以對(duì)本研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。