地表沉陷岩移观测研究报告

1、内蒙古友恒煤炭有限责任公司益民煤矿5201 工作面地表岩移观测研究报告编 制：审 批：矿 长：日 期：第章 5201 工作面观测站概况第一节 概况益民煤矿于 2011 年 12 月正式投产，矿井设计生产能力 1.2Mt/a ，矿井 采用斜井单水平开拓，建有主斜井、副斜井和回风斜井 3 条井筒，主、副斜 井、回风斜井布置在工业场地内。矿井开采标高为 11951062m, 4-2煤层已于 2016 年全部回采完毕，现开采 5-2 煤层内蒙古友恒煤炭有限责任公司益民煤矿位于东胜煤田准格尔召- 新庙矿区的东南部,其行政隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇。矿井地理坐标：东经：110 17 4

2、5110 23 38”北纬：39 20 10 39 23 36 井田东西长约 8.46km ,南北宽约 6.34m ,为一不规则的多边形,面积为19.818km 21 、交通本矿井向西 3km 为包府公路 213 省道,该公路是区域的主要运输公路。 经包府公路向北到鄂尔多斯市东胜区约 68km ,到包头市约 170km ,向南到神 华矿区大柳塔约 28km ,本区交通条件较为便利。2、地形地貌 本区位于鄂尔多斯高原的东北部,从准格尔召到新庙,沿束会川一带, 侵蚀构造比较强烈,多形成高原丘陵地形,沟谷纵横交错,均沿地表水系的 各自区域流向。本区地势北高南低,西高东低,最高处位于矿区的西南部茆 梁

3、之上,海拔标高为 1260.2m ,最低处位于区内东部的勃牛川沟内,海拔标高为 1117.0m 。4、构造 一、区域构造 本区区域构造简单，基本构造形态为一平缓的单斜构造，岩层倾向南南西，倾角13。，一般在1 左右。区内无明显的褶皱和大的断层，仅有微 波状起伏和断距较小的断层，对煤层无破坏作用。二、井田构造益民煤矿井田构造简单， 基本构造形态为一宽缓的向斜，轴部走向为NE向，两翼地层倾角 3左右。区内无断层，无岩浆岩侵入。5、水文地质情况 本地区属于干旱半沙漠温带大陆性气候，春季干旱多风，夏季昼热夜温 凉，日温差较大，秋季凉爽，冬季严寒。全年降水量多集中在7-9 月，降水次数虽少，但多为大雨或

4、暴雨。据伊金霍洛旗气象站资料，全年平均气温6.2 C,最高气温36.6 C,最低气温-20.6 C,年平均降水量350mm，年平均 蒸发量 2492mm ，蒸发量一般大于降水量的 45 倍。风季主要集中在 4-5 月和 10-11 月，以西北风为主，最大风速 24m/s 。冻土期较长，冻土最大深度1.50m 。本井田冲沟比较发育，勃牛川位于矿区的东部，其支流毕鲁图沟、母花 沟是矿区内较大的沟谷，区内谷沟常年无水，仅在暴雨后形成短暂洪流。6、开采技术条件设计生产能力 1.20Mt/a ，矿井服务年限 17a 。井田内主要可采煤层 3 层煤， 分别是 4-2、5-2、6-2 号煤层。 4-2 号煤

5、已于 2016 年年底回采完毕，现主要开 采 5-2 号煤层。矿井分为 1 个水平，水平布置在 5-2 煤层， 5-2 煤开采工艺为综合机械化采煤工艺，首采工作面在一采区。第二节 5201 工作面情况5201 工作面顺槽长 1300 米，工作面长 250 米，平面积 325000 平方米。 开采侏罗系中下统延安组 （J 1-2 y） 的 5-2 煤层，煤层倾角 1-3 ，平均 1、工作 面圈定的煤层厚度 1.211.478 米，平均 1.3 米，设计采高 1.3 米。1、煤层、顶板、底板5-2 煤层顶、底板，多数以泥岩、泥质粉砂岩为主，构成直接顶底。根 据内蒙古自治区东胜煤田准格尔召新庙矿区详

6、查地质报告的成果，从 抗压强度评价岩石软硬程度 ：泥岩的单向抗压强度小于 30 MPa ，属于软弱 岩石，粉砂岩的单向抗压强度在4060MPa之间，多数为 50MPa，属于半坚硬岩石，胶结不好的砂岩抗压强度小于 30 MPa ，属软弱岩层。胶结好的砂岩 抗压强度介于 40 60 MPa ，属半坚硬岩石。从泥岩、粉砂岩、砂岩软硬程度 看，该矿区煤层顶底均为软弱半坚硬岩石。2、地质构造情况根据实揭地质资料及 5-2 煤层底板等高线形态分析， 该工作面地质条件 简单，煤层底板起伏变化小，不存在断层等地质构造。3、开采煤层覆岩岩性根据地表出露和钻孔资料， 在本区范围内分布有三迭系上统延长组， 中、 下

7、侏罗统延安组（Ji-2y）和第四系地层。由于地质作用的影响中、下侏罗统 延安组的五个岩性段，仅残留一、二、三和四岩性段的一部分，残留厚度平 均为 110.2m 。现由老到新分别叙述。1、三叠系上统延长组（ T3y） 该组为煤系地层的沉积基底。其岩性主要为一套灰绿色中粗粒砂岩，局部含砾，夹绿色薄层状砂质泥岩和粉砂岩。砂岩中黑云母含量较高且普遍绿泥石化。厚度 51.59m仃7.74m,平均137.90m。2、侏罗系中下统延安组（J1-2y）该组为核实区主要含煤地层，出露于沟谷两侧。遭受风化剥蚀等地质因 素影响，残缺不全，仅残留一、二、三、四岩性段的一部分。岩性主要由灰、 深 灰色粉砂质泥岩、泥岩、

8、灰白色砂岩、灰色细砂岩、深灰色粉砂岩，灰 绿色、灰黑色砂质泥岩、泥岩及煤组成。厚度33.25m 130.55m, 平均110.20m 。与下伏地层延长组呈平行不整合接触。1第一岩段（Ji-2y ）:该岩段从延安组底界到w-1煤层顶界，厚度10.59m 38.44m, 平均 32.70m ，岩性主要为灰色或深灰色粉砂质泥岩、 泥岩， 夹灰白色砂岩。含W煤组 3层，煤层编号分别为VI-1、VI-2、VI-3，其中VI-1、VI-2 煤层可采。第二岩段（J1y2）:该岩段从W煤组顶界至 V煤组顶界，厚度8.69m 34.34m, 平均 27.20m 。岩性主要为灰黑色泥质粉砂岩、泥岩、灰色粉砂岩，

9、夹中、细粒砂岩，含 V煤组3层，煤层编号分别为 V-l、V-2、V-3，其中V-I、 V-2 煤层可采。第三岩段 （J1-2y3）:该岩段从 V煤组顶界至W煤组顶界，厚度9.49m 32.14m, 平均 27.80 。岩性主要为灰白色砂岩夹深灰色粉砂质泥岩， 含 W煤组2层，煤层编号分别为W -2、W -3，其中W -2煤层可采。第四岩段（J1-2y4）:该岩段从W煤组顶界到皿煤组顶界， 厚度4.48m 25.63m, 平均 22.50m 。下部岩性主要为灰白色砂岩夹灰色粉砂岩、 砂 质泥岩，上部岩性主要为深灰色泥岩、泥质粉砂岩，含皿煤组，煤层编号一层，即皿-2煤层，不可采。第五岩段（Ji_2

10、y5）:该岩段从山煤组顶界至延安组顶界，由于后期剥蚀，零星分布于矿区周围，厚度028 . 71m，平均9.68m。其岩性中下部为灰色泥质粉砂岩、砂质泥岩、泥岩互层，上部以灰白色砂岩为主，具大型交错 层理。煤组在本区范围内已被剥蚀。3、第三系上新统（ N2） 该组地层广泛出露于井田，主要岩性上部为土红色泥岩、粉砂质泥岩、含砾，下部为紫红色、黄绿色砂岩、砂砾岩，砾石成分为石英、长石，胶结 差。厚度 018.01 m ，平均 11.55m 。与下覆地层呈角度不整合接触。4、第四系全新统（ Q4）全区广泛分布， 阶地堆积和冲积、 洪积物、风成沙、细沙，本组厚度一般 0 19.61m, 平均 7.45m

11、第三节 5201 工作面地面观测站的设置和观测1、 观测线的设计变形观测线设制为 2 条横线和 1 条纵线，两条横线应在全煤区，且距离 至少相距 50 米；一条纵线位于工作面中部全煤区。 变形观测点应设立在变形 体上能反映变形特征的位置，并且应设置成直线。在每条观测线上工作面以 内，布设两个岩移观测点。观测点结构图1.2观测点结构观测点采用木桩上钉钢钉制作而成，埋深400mm。露出地面100mm.73、观测站联测方法和日常观测工作包括使用仪器观测方法和精度要求观测站在设置10-15天后，进行观测。(1)连接测根据矿区地面控制网和观测站位置及地形情况，按照【规程】对近井点的测量要求，用敷设导线的

12、方法，测定观测线一个控制点的平面坐标和高程， 其余控制点用5秒导线测量。(2 )全面测量地表移动前和稳定后的全面测量必须独立进行两次，其时间间隔不超过5-7天，在整个舌跃期内，其间隔时间按 T=H/6c(c为回采工作面的推进速度)计算。(3)巡视测在走向观测线线上采空区上方选择几个观测点进行定期的水准测量，当某一点的累计下沉量大于10mm时，即可认为地表已开始移动，进行第一次全面观测。在进行上述各项测量工作的同时，必须记录地表、地质、采矿、及水文地质等变化情况，主要是地表裂缝位置及要素，工作面的推进位置，采出煤层厚度、倾角和顶板跨落情况。对控制点的高程必须定期检查其间隔时间为一月。地表移动过程

13、中的测量工作尽可能在一日内完成，最多不超过两天。（4）观测方法及精度要求采用全站仪观测。仪器型号为索佳STK220，全站仪测量精度：水平角的观测限差应不超过下表的规定:半测回归零差一测回内2c互差同一方向值各测回仪器级别（、（、互差（）DJi696DJ28139DJ61824三角高程测量的技术要求应嗨合下表|:仪器测回数倾斜角指标差对向观测附合或环线经由路线互差互差咼差较差闭合差级别卜中丝法一丝 一( mm)卜-(mm )DJ1三、四等点DJ2421015100S50、一级导DJ2211515i|j ta线1J- | y* (IT 17L/ 第二章 5201 工作面地表岩移观测成果分析第一节

14、工作面回采过程中一般规律和有关参数的确定一、下沉动态曲线的特征随着工作面不断向前推进，地表移动变形处于不断变化之中。根据走向 主断面观测线观测成果，绘制成动态曲线图。从动态曲线变化中，可以看出 有如下规律。1随着工作面不断向前推进， 下沉盆地范围不断扩大， 下沉值不断增加。 2动态曲线为非对称型。固定开采边（开切眼 ）一侧较陡，工作面推进的一侧较缓和。3各点下沉均经历了突发性阶段和稳定性阶段。 前进中各次观测下沉曲 线的间距与工作面验收的间距也基本相等，这证明覆岩能很快垮落而传达到地 表。二、地表沉陷起动距（ d0） 为了正确确定地面建筑物加固、维修和观测时间等，需要知道地表开始 移动时工作面

15、推进的距离（简称起动距）。起动距主要决定于顶板的岩性（包括节理 ） 和采空面积。一般是工作面推进 （1/41/3）H ，或采空面积达到2（2533）Hm 2 时，地表开始下沉，但坚硬顶板时例外。由于 5201 工作面地表 地形总体为南北高中部低，在此基础上表现为中部低而南北侧渐低之变化趋 势。故地表开始下沉以观测的下沉值达到或大于 10mm 为标准。 5201 工作面 的走向观测线的移动变形图可知， 当回采到 20m 时，开切眼附近上方地表的A5 点发生 29mm 的下沉。故确定 5201 工作面的起动距为 20m ，此时的采掘深 度为 108m ，故确定本观测站地表沉陷的起动距为 0.2H。

16、三、超前影响角 为了掌握工作面推进过程中地表开始下沉的位置，需要知道开采的超前 影响。一般要求工作面到开切眼的距离不小于 0.4H 时，按下沉 10mm 超前 于工作面推进位置的距离 L 超 ，称为超前影响距。超前影响距也常用超前影9响角 表示：ctg L 超 /H由5201工作面的走向观测线的动态曲线图，可绘制计算超前影响角如表 2-1。1 1 表2-15201工作面实测的超前影响角rI*超前距L超(m)” 采深H ( m)彳超前角 3()申备注1 A75 点301-34775十tan 3 = H/ L 超平均3010874.55201工作面平均超前影响角 =74.5。，即以0.28H超前影

17、响。超前影响和 上复岩层性质，工作面推进速度以及是否重复采动有关。四、最大下沉速度及最大下沉速度滞后角在工作面推进过程中，为了掌握地表下沉最剧烈的位置，需要知道地表 最大下沉速度点的滞后距。最大速度点滞后于工作面的距离称为最大下沉速 度滞后距L滞。最大下沉滞后角用 表示：ctg L滞/H1.从每次观测的下沉值可得出如下图表示的最大下沉速度变化图。从图中我们看出每次测量的最大下沉值所在测点在变化，说明地面沉陷是一个动 态的过程。总体上这种变化方向与随掘进方向一致，但中间过程也有反复。 这说明地表沉陷是一个复杂的过程，不仅有向下的沉降，还有水平方向的移 动，总体分析见后。2 由南北向观测线的动态曲

18、线图，求得5201工作面角，列表2-2。表2-25201工作面最大下沉速度滞后角滞后距点位开采深H ( m) 滞后角()备注L 滞(m)A1136.2109.671.68726A26A5021.4104.1108.778.3385775.27974tan =H /L 滞24.5A63平均37.129 7110.4“108 370.0172874 672679求得5201工作面滞后角 =74.7。即以向后0.3H距离为最大下沉速度 位置。x14.169-0.63874 ”k17.13-29-29 “94360324.59337442684.6251247.482 ；79.0803225.4186

19、2；12942.7513.388-0.7214119.276342373104360324.68r 37442684.7121247.466 V 81.17368r 29.91411114956”10.308-0.65754119.59812Ir 38175 1114360324.76737442684.8001247.45058.2429714.1732416934.57.385-0.5840119.522044936T2j4360324.8553/442684.88/ *IH1247.434 45.29382 1” 31.584/5T8939.333 *2961-0.45208 T7370

20、7Tz 28 539134360324.94237442684.9741247.40363.5795934.8322120710.51.129-0.4510214.385045642丨T1J, .111第二节地表移动变形和角量参数的确定#，、地表变形最大值根据5201工作面首次和最后一次观测成果，对两条观测线进行各种移动变形计算，并绘制观测成果图，详见附图 变形最大值列于表2-4。2-2、附图2-3。将各观测线的移动表中各种移动变形都比较小，这是本区特有的地质采矿等条件所决定的。观测线表2-45201工作面移动变形最大值统计表南北向线东西向线移动变形最大值最大下沉值W o（ mm）379619

21、最大倾斜值i o （ mm/M ）41.3368.59-42.22-49.55最大水平移动Uo（mm）1445.831011.47-885.23-888.76最大曲率值Ko（ 10-3/M）5.557.81-3 28-4 60最大水平变形值63.2555.59e 0 （mm/M ）-65.79-60.03说明卜沉20004000水平位移倾斜10( 卞芽A7JFt11水平位移oooCftft鼻宀rr_i r 晝 *9鼻 鼻鼻何!斜rnnrF17 19 2：HU率15变丿I、地表移动变形分布规律1.走向线主剖面变形特征 因工作面推进距离原因，走向线未达到充分采动，接近于临界充分采动 位置，今后根据

22、推采进度继续进行观测分析。2倾向线主剖面变形特征 从倾向线的移动变形曲线上看，两者变形基本上为对称型，在两端地面 下沉变化都比较平缓，但在拐点附近变化陡急。最大变形值相差也较小。从 图形分布看大体符合常规。三、地表移动稳定后的角量参数1移动角 利用主剖面上实测到的倾斜曲线、曲率曲线、水平变形曲线，分别求出-3移动盆地外边界 i=3mm /m、K=0.2 x 10/m、& =2mm /m的点，取其中最外边一个点，将松散层移动方向投引到松散层与基岩的接触面上，再与采空区边界连线，则该线与水平线在煤柱一侧的夹角，即为新求移动角。如矿 区无松散层移动角时，一般取松散层移动角45。在5201工作面具体条

23、件下，如用 =45来求基岩移动角所求基岩移动角均大于90 。故只能不分松散层和基岩层求综合移动角。2边界角与裂缝角以地表下沉为 10mm 的位置为边界点，与采空边界连线在煤柱一侧和水 平线所成夹角便是综合边界角：而裂缝角仍指在充分采动或接近充分采动的 情况下，采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界的连线与水平线之 间在煤柱一侧的夹角。3充分采动角与最大下沉角 充分釆动角指在充分采动情况下，移动盆地主断面上盆地平底边缘和工作面边界的连线与煤层之间在采空区内侧的夹角（书）。最大下沉角（0 ）指在移动盆地的倾斜主断面上，采空区中点与地表最大 下沉点的连线与水平线之间在下山方向的夹角。5201工作

24、面煤层倾角a=5.5。，缓倾斜煤层。按三下规程中硬覆岩公式0 =90-（0.60.7） a计算，0 值在 86 42/ -86009/ 之间，故取 0 86025/o15四、松散层和基岩层移动角的确定5201工作面煤层倾角很小，局部地区很难区分走向和倾斜方向，为此将所求得的综合移动角按走向移动角取平均值，将求得的平均值和平均值误差列于表2-7。表2-7 按走向求移动角平均值统计表走向平均值综合移动角866综合边界角 8 1,裂缝角8 .0 169充分采动角书69除裂缝角误差较大外，其它平均值误差都在+2左右。故具备用解析法求卄松散层移动角 6的条件。.161 k!益民矿区开采过程的地表测结果,

25、给出松散层移动角54 53 6 ,在此依此为基础按照关系求取基岩边界移动角如图2-4,以 54 53 6为松散层移动线，按下式求基岩移动角SLihi ctgH i ctgL贝 Uctg 1 i hi ctg(1)H i-3式中L j为地表i=3mm / m、K=0.2 x 10/m、e =2mm /m最外点到采空区边界水平距离(m)。式中：h 采空区边界上方松散层垂厚(m); H 为采空区边界基岩面到采空区底的高度 (m).对益民煤矿 5201工作面观测条件，开切眼附近埋藏深度为105m,松散冲积层厚度取均值25.0m,则基岩厚度为80m,实测的L i=60m,因此基岩移动角为1ctg Li hi ctgH i-1 - 0 6 0 2 5ctg 5 45 36 =ctg262=84.7由此,益民煤矿5201工作面基岩移动角为84.7 0 如按地表无冲积层考虑则基岩移动角为770.3.地表移动的角量参数总结将5201工作面按水平煤层求的各种移动角汇总并与三下规程和其它矿比较，列于表2-12。5201工作面所