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山西汾西正善煤业某工作面地表岩移规律分析研究

2024-09-04 9 上传者：管理员

摘要：煤炭开采一般伴随发生围岩及地表移动和变形。井工开采条件下，工作面地表和地物会发生不同程度的位移变形，容易诱发地表沉陷、地裂缝等地质灾害。文章以山西汾西正善煤业有限责任公司某工作面为研究对象，通过分析不间断观测获取的测量数据和地表变形之间的联系及规律，为矿方科学合理开采提供依据。

关键词：
地表沉降
地表沉陷
开采
煤炭开采
移动规律
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为有效解决煤矿开采过程中的地表沉陷问题，保护地表建筑物免受破坏，需获取煤矿开采中相关围岩及地表移动变形规律及移动变形参数，合理留设建筑物保护煤柱。本文通过在山西汾西正善煤业矿区某工作面上方建立地表移动变形观测站，多次实地观测获取外业观测数据并进行数据分析和综合研究，获取了矿区地表移动变形规律及移动变形参数，能够有效减少矿区压煤量，合理确定综采工作面的尺寸，提高煤炭采出率。

1、观测站设计和观测

建立地表移动与变形观测站进行现场观测，是合理开展地表和岩层移动观测工作的有效方法，可有效解决生产矿井“三下”安全开采煤炭和留设保护煤柱问题。

观测站的布设形式一般为剖面线状观测站，有2种布设方式：一种是在工作面上方布设走向、倾向各1条观测线，另一种是在工作面上方布设3条观测线，倾向布设2条观测线，走向布设1条观测线。

结合山西汾西正善煤业某工作面井上下的实际情况，决定采用剖面线状观测站，设置2条观测线，1条走向观测线、1条倾向观测线。从2019年1月15日开始测量，到2021年12月10日完成。全面观测和高程测量共19次，取得了较好的观测成果。具体点位设计点数量和间距见表1，地形图布置见图1。

2、地表移动变形规律

2.1 走向观测线（B线）移动变形规律

1）下沉规律

该矿工作面全采，走向观测B线位于工作面中部偏向东侧，观测线最低点地面标高为978.762 m，最高点地面标高为1005.362 m，整体地形较为平缓。走向观测线为半长观测线，位于工作面开切眼一端。开采下沉曲线整体表现为离采空区中心越远下沉越小，越靠近采空区中心下沉越大，曲线形态及地表下沉规律整体符合开采下沉的一般规律。

2）倾斜变形规律

倾斜曲线是表示地表移动盆地内倾斜的变化规律。由图2可以看出，自B1号点至Z27号点倾斜值多为负值，倾斜曲线先下降后上升。负值最大值出现在B15号点，负倾斜最大值为-17.3 mm/m。正值最大值出现在B24号点，正倾斜最大值为12.1 mm/m。整体曲线是受采动影响的同时叠加山区坡体产生的附加倾斜变形的综合体现，倾斜曲线整体上符合一般变形规律。

表1 观测线长度、点间距和点数明细表

3）曲率变形规律

曲率曲线是表示地表移动盆地内曲率的变化规律。由图2可以看出，该观测站观测的曲率曲线整体趋势符合一般移动变形规律，本次观测最大正曲率出现在B23号点，其最大正曲率值为0.63×10-3/m，最大负曲率出现在B24点，其最大负曲率值为-1.13×10-3/m。

4）水平移动规律

水平移动曲线表示地表移动盆地内水平移动分布规律，下沉盆地内各点的水平移动方向都指向盆地中心。由图3可以看出，在B观测线各点出现的水平移动均为正值，因为整个走向B观测线位于移动变形盆地中心北侧，最大下沉点B23号点处出现的水平移动为130 mm。受采动影响，监测点向采空区中心移动，南侧监测点的水平移动值比北侧监测点的水平移动值大，最大值出现在B16号点处，为263mm，整体上符合半长走向线水平移动的一般规律。

图1 工作面地表观测站图

5）水平变形规律

水平变形曲线表示地表移动盆地内水平变形分布规律。从图3可以看出，曲线整体上呈拉伸和压缩交替变化趋势，因处于山区，地表变化没有明显规律性，和平地变形规律稍有不同，最大拉伸变形值为4.9 mm/m，最大压缩变形值为-8.7 mm/m。

2.2 倾向主剖面（A线）移动变形规律

1）下沉规律

倾向观测A线采用横跨工作面全盆地布设方式，观测线最低点地面标高为1000.891 m，最高点地面标高为1082.636 m，观测线所在地形整体上有起伏，表现为两边高，中间低。下沉曲线整体上与采空区呈对称分布，最大下沉点出现在采空区中心的A20号点，最大下沉值为1500 mm。整体下沉曲线分布特征符合一般规律。

从计算得出的参数变化看，第12期到第13期观测地表下沉量急剧增大，之后变化较小，说明地表活跃期下沉速度很快，活跃期观测时间间隔较大，没有很好地观测到此期间的动态变化。

2）倾斜变形规律

倾斜曲线是表示地表移动盆地内倾斜的变化规律，倾斜为下沉的一阶导数。由于观测数据缺失，绘制出的倾斜曲线规律性不明显（见图4），可以看到倾斜变形有正负两个极值，最大正倾斜变形出现在A23号点，其最大倾斜值为10.5 mm/m，最大负倾斜变形出现在A19号点，其最大倾斜值为-20.3mm/m，因地表处于山区，因而其变化没有明显的规律性，和平地变形规律有较大不同，曲线整体符合山区倾斜变形规律。

图2 工作面观测站B线倾斜与曲率曲线图

图3 工作面观测站B线水平移动与水平变形曲线图

3）曲率变形规律

曲率曲线是表示地表移动盆地内曲率的变化规律，可表示为倾斜的一阶导数。由图4可以看出，曲率曲线规律不明显，但在煤柱附近曲率有正极值，曲率变形正极值为1.05×10-3/m，在采空区中心曲率有负极值，曲率变形负极值为-1.24×10-3/m，整体曲线符合一般规律。

4）水平移动规律

由图5可以看出，倾向观测A线上水平移动最大正值出现在A17号点，最大正值为586 mm，最大负值出现在A23号点，最大负值为-577 mm。依照开采沉陷一般规律来看，水平移动应在最大下沉值处为负值，此观测线上观测点的水平移动曲线符合一般开采规律。

5）水平变形规律

水平变形曲线表示地表移动盆地内水平变形分布规律，是水平移动的一阶导数。从图5可以看出，曲线在采空区煤柱两侧出现正的拉伸变形区域，在采空区正上方出现负的压缩变形区域，盆地边界点水平变形为零，在整体上符合水平变形一般规律。观测到的最大拉伸变形出现在A30号点，最大拉伸变形值为20.1 mm/m，最大压缩变形出现在A19号点，最大压缩变形值为-28.3 mm。

图4 工作面观测站A线倾斜与曲率曲线图

图5 工作面观测站A线水平移动与水平变形曲线图

3、结语

本文通过对山西汾西正善煤业有限责任公司某工作面开采过程进行多达19次的外业观测，获取了较完整的沉陷观测成果数据，为准确获取沉陷规律提供了有力的数据支撑。结合该矿煤层特征及工作面采矿地质条件绘制下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形曲线图，分析总结了煤层的地表移动变形特点及静态动态变形规律，为有效解决矿区开采沉陷问题提供依据。建议矿方在条件允许时增加观测工作面进行布站、观测，以进一步提高研究成果的准确性和可靠性。

参考文献:

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文章来源:李志良,郭揆.山西汾西正善煤业某工作面地表岩移规律分析研究[J].华北自然资源,2024,(05):65-68+72.