潞安矿区综采放顶煤条件下地表沉陷规律研究.docx

潞安矿区综采放顶煤条件下地表沉陷规律研究郑志刚(煤炭科学研究总院唐山研究院)摘要为了研究综放开采条件下的地表移动规律，潞安矿务局先后建立四个综采面地表移 动观测站，通过对观测资料的分析研究，获得了该矿区条件下综放开采的地表移动规律和有 关参数，为矿区“三下”采煤提供了可靠的依据。 关键词综采放顶煤移动变形预计参数目前，综采放顶煤技术已成为我国厚煤层矿区的主要采煤方法，在给煤矿企业带来了巨大经济效 益的同时，综采放顶煤技术也给“三下”采煤提出了新的课题。综采放顶煤一次性采全高，开采强 度大，推进速度快，地表沉陷变形异常剧烈，对地面建(构)筑物的影响非常严重。本文以潞安矿区四个厚煤层综放面地表岩移观测的实测资料为基础，对综采放顶煤条件下的地表 沉陷规律进行了研究，获得了本矿区地质采矿条件下的地表移动变形规律、各种角值参数和预计参 数，为今后“三下”采煤提供了可靠的技术依据。1地表岩移观测站的设置为了研究综采放顶煤条件下地表沉陷规律，潞安矿区先后在五阳煤矿、王庄煤矿建立了四个岩移 观测站，四个试验工作面地质条件相近，均主采下二迭系山西组3号煤层，煤层厚度65m左右，煤 层倾角2010。上覆地层主要以泥岩、砂质泥岩、砂岩及第四系黄土层为主，开采方法均为综采放 顶煤，全部陷落法管理顶板。各观测站包括一条走向观测线和一条倾向观测线，四个观测站共设观测点236个，测线总长 6578m。观测工作自1995年4月开始，至2003年8月结束，历时八年，取得了比较完整的观测资料。 各工作面的开采情况见表1。表l岩移观测站试验工作面基本情况煤层开采煤层倾角平均开采推进速度工作面名称走向影m倾斜Pm厚度m(。)深度m(md一)7503716188687431618275061450200653732911275117012006495270210432670027466532381922地表沉陷变形规律21静态沉陷变形规律1)地表移动盆地发育特征及角值参数 通过长期系统观测，取得了各工作面回采后地表的最大移动变形值，见表2，图l、图2分别绘出了7503、7506工作面倾向观测线的地表移动变形实测曲线，图3、图4分别绘出了7511工作面倾一435向观测线和走向观测线的地表移动变形实测曲线。可以看出，在综采放顶煤条件下地表的移动变形值 非常大。远远超过“三下”采煤规程中给出的建筑物产生破坏的地表变形值。工作面开采后地表 下沉值达到28584933mm，地表倾斜值达到281531 rnmm，地表下沉盆地非常陡峭。表2综放开采地表最大移动变形值开采采动程度下渺 倾斜曲影水平移动 水平变形 工作面 (DH“)mm(11111m“)(10一m叫)mm(mrllm一)7503O6033953874-062一一1361458+197一37975060612858281+041一一0681082+138一23775110744933487+066_一1321643+196一33643261154902531+O72一1381611+212一268宁EE：弧、。队l水平移动毒1000 ：莲八。瓜一1 咖挚500*垂堇!三-10。一。一一一、一0g臀稔牛长。500喜三 薹二一 1000一 1 咖一1500一 l 垂一I-暑E暑一霭肇一一以-一，一一一一一墨。一一一一加加一毛毒邑衣鼙 m加0。m加加伽伽图1 7503倾向观测线地表移动变形实测曲线图2 7506倾向观测线地表移动变形实测曲线-436-2 咖2咖差暑 30要乡婿爪j 疆一1咖l妻；l啪1un之擦簿苌 湖暑E需搀* 垂-10一一 Oo 0-1一一蝣Y。 湖一垂 l咖 咖l 1 善； 蓍l 2 咖 哪2一，!，八侗_至一一一! _【_mm邑磙革 的m 一一一理I-mII善一磙肇 幻加mo-3000m啪i；嘞棚o枷珊瑚砌埘图3 7511倾向观测线地表移动变形实测曲线图4 751l走向观测线地表移动变形实测曲线 根据地表观测站实测资料，分别求出了岩层移动的边界角、移动角和裂缝角，见表3。表3综放开采岩层移动角值开采边界角(o：移动角(o：裂缝角(o：工作面走向艿下山卢上山y走向艿下山口上山y走向6”下山上山y”75036664637468718079 82750662666974808l751167636772687379788043266364636968707779由表3不难看出，在综采放顶煤条件下岩层移动的边界角偏大，走向边界角达630，上山边界角 达63。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，在中硬覆岩条件下，走 向方向、上山方向的边界角一般为55。一60。-437-在综采放顶煤条件下岩层移动的边界角偏大，移动盆地陡峭，移动变形集中。 2)概率积分法预计参数 根据实测资料，分别求取了各观测站的概率积分预计方法特定参数。表4列出了各观测站的地表移动预计参数，同时列出了五阳煤矿分层综采条件下的地表移动预计参数，以及“三下”采煤规程 中一般开采、中硬覆岩条件下的地表移动预计参数。从表4所列参数可以看出，综采放顶煤条件下，地表下沉系数为085，水平移动系数为031， 主要影响角正切为270，拐点偏移距为013，开采影响传播角系数为08。而一般开采条件下，下沉 系数为055084，平均为070，主要影响角正切为192240，平均为216；分层综采上分层 时，下沉系数为072，主要影响角正切为250。综采放顶煤与一般开采相比，下沉系数、主要影响 角正切明显偏大。表4综放开采岩移预计参数采动程度下沉系数水平移动主要影响角正切拐点偏移影响传播开采条件(DH。1)g系数bt邸距sH角系数K一般开采O55084O2O3192240O08一O30O6O7 五阳综采上分层O73O72O262500151O 五阳综采下分层O67 100o3332001l1O7503工作面060O86O3327l0131O7506工作面O61O82O28270012O8751l工作面o。74o86O。31270o14O64326工作面115o84O3l27001lO8综放综合参数O85O31270013O8但是，采用分层综采方法开采下分层时，地表下沉系数达到100，水平移动系数达到033，主 要影响角正切达到320，拐点偏移距为011。综采放顶煤与分层综采相比，下沉系数、水平移动系 数、主要影响角正切、拐点偏移距介于分层综采初次采动与重复采动之间。总之，在综采放顶煤条件下，地表下沉系数、主要影响角正切明显偏大。与分层综采相比，地表 下沉系数、主要影响角正切、拐点偏移距介于分层综采初次采动与重复采动之间。3)地表裂缝和破坏特征 地表裂缝是地下采动引起地表产生不均匀沉降和水平变形所致，是否会出现裂缝以及裂缝的发育程度，取决于地表土层的性质和地表的移动变形值。地表裂缝一般分两种情况，一种是随着工作面不 断向前推进，在工作面前方动态拉伸区不断出现的动态裂缝，一种是在采区边界附近下沉盆地边缘发 生的位置比较固定的裂缝。对于综采放顶煤工作面，在推进过程中位于工作面前方的地表每隔610m出现一条和回采线大 致平行的弧状裂缝，裂缝宽度一般1030ram。裂缝从开裂到发育成熟一般需20天左右，之后再经 过60天左右裂缝闭合消失或残留裂口、裂痕，塌陷台阶处，台阶不能完全消失。在工作面开采边界 的外侧，出现宽度大于100mm的永久性地表裂缝，其中在下山方向较为发育，出现了明显的裂缝带。 这些裂缝一般不会自然消失，大多数裂缝伴随有台阶落差。751l工作面地表裂缝最大宽度超过 300mm台阶落差达300mm。可以看出，综采放顶煤开采与一般开采相比，地表沉陷变形值大，地表的裂缝与破坏比较严重。 22动态沉陷变形规律1)地表动态移动过程438一为了准确地描述综采放顶煤条件下地表点的移动过程，绘出了7503、7511工作面位于走向充分 采动区地表点在开采过程中的下沉曲线和下沉速度曲线，见图5、图6，表5列出了各工作面的超前 影响角、最大下沉速度角和地表最大下沉速度。从图5、图6和表5可以看出，在综采放顶煤条件下地表移动初始期很短，活跃期比较长，剧烈 期非常显著，地表下沉速度非常大，4326工作面达1153mmd，超前影响角和最大下沉速度角变化 不大。表5综放开采动态岩移参数开采工作面超前影响角tn(。)最大下沉速度角p(。)地表最大下沉速度(1nlnd一)75037377599750670743817511697810674312670761153；一：印：910：50零 4030旦20套lOO1000g墨2000主3000图5 7503工作面地表点下沉速度图瑚。力3a201宁b墨日一釜幻 100。一l咖1I2咖一2lg暑釜 3咖一3I4重耋5咖图6 7511工作面地表点下沉速度图439-2)地表最大下沉速度关于地表最大下沉速度的计算公式，都是基于一般开采条件下总结出来的，其中用的比较多的是 “三下”采煤规程中推荐的计算公式，该公式认为地表最大下沉速度与工作面推进速度、工作面开采 时地表最大下沉值成正比，与平均开采深度成反比，见式(1)。=K寺(1)J0根据实测资料，采用上述计算公式分别反算出各工作面的下沉速度系数K，其中7503工作面为 319，7506工作面为392，7511工作面为278，4326工作面为292。可以看出，各工作面的下沉 速度系数离散性很大，说明在综采放顶煤条件下采用该式不能较好地计算地表的最大下沉速度。经过反复分析发现，在综采放顶煤条件下地表最大下沉速度与工作面推进速度的平方根成正比， 所以地表最大下沉速度采用下式计算更切合实际。仁=K等吒(2)式中r工作面推进速度，md；JJ0睨。本工作面的地表最大下沉值，mm； 风平均开采深度，nl； K一主要决定于覆岩性质的下沉速度系数。表6列出了五阳煤矿、王庄煤矿各观测站的实测数据和所计算出的K值。从计算结果可明显看 出，各工作面的K值比较接近，取其平均K=413。表6综放开采下沉速度系数参数cnomK工作面(Ind一)mm(milld叫)7503182315532585994297506112329285838141475ll21027049331067404432619223849021153404平均值4133结论(1)综采放顶煤条件下岩层移动的边界角偏大，移动盆地陡峭，移动变形集中。走向边界角为 630一670，上山边界角达63。一670，而一般中硬覆岩条件下的边界角，走向方向、上山方向的边界角 一般为55。一60。(2)综采放顶煤条件下，地表下沉系数为O85，主要影响角正切为270，二者比一般开采和综 采上分层时的下沉系数和主要影响角正切要大，比综采下分层明显偏小。(3)综采放顶煤开采，地表裂缝较为严重。随