王苏沂
江苏省矿业工程集团有限公司 陕西 榆林 719000
[摘 要] 本文介绍了煤矿综放工作面采空区地表移动塌陷观测方法，根据放顶煤工艺以及矿井地质情况、地表下沉情况观测、地表移动持续时间，掌握矿井采空区地表移动塌陷规律。
[关键词] 特厚；放顶煤；塌陷观测；动态规律
1 前言
我国原煤生产95%自井工开采，每年由井工开采引起的地面沉陷区面积达2000km2以上，造成了日益严重的地面破坏及生态环境损害，因此，煤矿开采引起的地表移动塌陷规律研究已成为煤矿安全生产和煤矿企业科学研究的重要课题。煤矿设计首采3号煤，煤层厚度10.20～11.65m之间，煤层埋深240～270m。平均采深250m，实行综放开采，开采厚度约为11m，深厚比小于50倍，开采宽度147.3m，开采长度1412m。由于采煤工艺与周边其他煤矿的采煤工艺不同，实行综放采煤工艺，即一次性采高3.8m,然后顶煤垮落再取出垮落煤块实现全煤层开采，使采高达到11m。按照现有的开采沉陷基本理论推算，工作面开采后，地表移动将达到超充分开采程度，采动覆岩裂缝带有可能发展到地面，将在地表形成部分的塌陷区。针对煤矿进行开展地表移动规律研究，确定在综放开采工艺的条件下，一次采全高对地表移动塌陷的影响。
2采空区地表移动塌陷区观测方法
2.1 地表移动观测站布设
根据工作面的实测资料，地表观测站的布设主要根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》和《煤矿测量规程》，并参考其周边类似煤矿的地表移动观测资料。布设中涉及的主要参数有基岩移动角、边界角、松散层移动角、最大速度下沉角等。
由于工作面地表松散层较厚，为确保覆盖下沉盆地，综合考虑确定倾向线长度为600m，可以满足观测需要。在倾向线工作面外的端点各设2个控制点，共设置4个控制点，每一组控制点与控制点间距，以及控制点与工作点间距为50m。由于工作面宽度l=123m<1.4H0=336m，因此移动盆地在倾向上可能未达到充分采动。为了准确地确定移动盆地边界，根据开采平均深度250m，选工作点间距25m。倾向线布设20个监测点。
2.2 日常塌陷观测
在回采工作面从切眼位置开始回采时，在预计可能首先移动的地区，选择14个工作测点，采高3.8米，时间从2017.1.19-2018.3.1，利用三等四等水准测量、GPS-RTK测量，每隔5-6天进行一次水准测量（又称巡回测量），如果发现测点有下沉的趋势，即说明地表已经开始移动。在移动过程中，要进行日常观测工作，即重复进行水准测量。重复水准测量的时间间隔，视地表下沉的速度而定，活跃期确定为10天左右观测一次，以求得最大下沉速度。衰退期巡回测量可30天进行一次，其目的是确定地表移动是否已停止。
3 观测成果与分析
工作面观测区地表布设了两条观测线，一条为走向观测线；另一条为倾向观测线；走向观测线共布设25点，倾向观测线共布设20个点，从2017年1月19日至2018年3月1日，观测线共进行了14次全面观测；获得丰富的下沉数据和平面数据。根据地表下沉移动稳定标准：即连续 6个月观测地表各点的累积下沉值小于30mm，最后对地表稳定性进行了监测，监测结果表明地表移动变形已趋于稳定。
研究地表动态移动规律的主要方法是通过周期性地实地测量得到地表移动数据，再经过整理、分析得出在该地质条件下的一些动态参数值，它们反映了工作面回采后地表移动特征点与回采工作面的几何关系，为该区其它工作面的采煤或是“三下开采”及为保护煤柱的留设提供参考依据。
3.1测点下沉速度计算
n号点的下沉速度为： ，mm/d
式中：分别表示m次和m-1次观测时n点的下沉值，mm；t为两次观测的间隔天数，d相邻两次观测的间隔天数。
3.2 超前影响角的确定
式中：L为超前影响距，m；H0为煤层平均采深，取250m,ω为超前影响角。
因此，取超前影响角68°。
3.3最大下沉速度滞后角的确定
式中：L为最大下沉速度点滞后工作面的距离，m 。H0为煤层的平均开采深度，取??0=250m；Φ为最大下沉滞后角。
最大下沉速度滞后角平均值为：59°。
3.4 地表移动总持续时间
从地表开始移动（下沉量≥10mm）,到地表移动稳定（连续6个月观测地表累计下沉量≤30mm）后的持续时间称为地表移动时间。将地表移动时间划分为三个阶段:启动阶段、活跃阶段和衰退阶段；在启动阶段和衰退阶段地表下沉速度ν≤1.67mm/d，活跃阶ν≥1.67mm/d。在开采过程中，随着工作面的推进，地表前方一部分点开始下沉，随着工作面的继续推进，下沉速度达到最大。当工作面推过该点一定距离后，下沉速度逐渐变小，地表移动趋于稳定时，地表各个点的下沉速度逐渐趋于零。总的来说，地表各个点的移动都经历了以下阶段，即：开始下沉—达到最大下沉速度—下沉速度逐渐减少—下沉结束。
4 采空区塌陷规律的研究与分析
4.1地表移动的动态规律及特征
在工作面地表布设了2条观测线，两条观测线已稳定。两条观测线共45个监测点，进行14次地表移动观测。观测精度均符合测量规程要求，并对测量数据进行了平差处理。
基于实测数据绘制了地表动态变形曲线，揭示了工作面开采过程中的地表移
动特征。确定了工作面开采条件下地表移动的动态参数U规律如下：
（1）地表移动超前影响角为68°；
（2）最大下沉速度为235.8mm/d，最大下沉速度滞后角为59°；
（3）地表移动持续总时间为293天，其中启动阶段平均14天，活跃阶段平均55天,衰退阶段平均224天。
上述结果表明，地表移动的持续时间短，而且活跃阶段的移动速度很大，地表变形很剧烈。其主要原因为该工作面开采宽度较大（达到147m），推进速度快（超过6m/d），开采厚度大（达11m），采深较小（平均250m），深厚比小于50倍，而且地表松散沙层较厚（厚度达50m）。这些特征导致了开采影响向上传播速度很快，地表下沉和移动速度大且变形剧烈，绝大部分的下沉量在很短的活跃阶段内基本完成。这反映了浅埋煤层在厚松散层开采条件下地表移动发展快、稳定也快的特征。4.2稳定后的地表移动规律及特征
基于稳定后的地表移动观测数据及其移动变形曲线，确定工作面开采的地表移动参数，由于走向线未涉及边界，故而部分参数只确定了倾向线的参数，其结果如下：
（1）工作面走向主断面上的综合边界角为57°，倾向主断面上的综合边界角为52°；走向综合移动角为73°，倾向综合移动角72.5°；走向综合裂缝角为83°，倾向综合裂缝角82.5°；最大下沉角为 90°。
（2）地表移动稳定后，走向主断面上最大下沉值5515.9mm，倾向主断面上最大下沉值2497.8mm；走向最大倾斜值-92.8mm/m，倾向最大倾斜值-47.7mm/m；走向最大曲率值5.2mm/m2，倾向最大曲率值1.26mm/m2；走向最大水平移动值1123mm，倾向最大水平移动值1021.4mm；走向最大水平变形值15.6mm/m，倾向最大水平变形值33.3mm/m；走向最大下沉速度值235.8mm/d，倾向最大下沉速度值65.8mm/d。
（3）基于实测资料求取的概率积分法预计参数为：下沉系数：0.29。主要影响角正切：2.12，水平移动系数：0.31，拐点偏移距：77m。
结束语：通过对采空区地表移动塌陷进行观察分析，总结矿井地表移动塌陷规律，为矿井地下开采和地表塌陷区域的综合治理提供有效的理论依据和技术支持。
[作者简介]
王苏沂（1985-1），男，毕业于安徽理工大学，江苏仪征人 ，江苏省矿业工程集团有限公司。