王碧清黄克军曹新奇苗彦平，3

（1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西省榆林市，719300；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西省西安市，710065；3.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054）

黄土沟壑区浅埋煤层大采高工作面开采地表移动特征研究

王碧清1黄克军2，3曹新奇2苗彦平1，3

（1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西省榆林市，719300；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西省西安市，710065；3.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054）

针对神南矿区张家峁煤矿黄土沟壑区浅埋煤层大采高工作面开采地表移动的特殊性，在N15203工作面开采期间进行了地表移动实测，分析结果表明：地表下沉曲线连续性较差，在地表移动初期地表沉降具有突变性；地表裂缝的出现呈现时间上的突然性，出现的地点呈固定距离分布，地表裂缝多发育在地形地貌不连续的拐点处。

黄土沟壑区 浅埋煤层 大采高工作面 地表移动

神南矿区张家峁煤矿地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原的过渡地带，井田地貌类型可分为风沙滩地区、河谷区、黄土丘陵沟壑区。矿区内第四系中上更新统黄土广布，其特点是黄土覆盖于老地层之上，厚度较大，一般50～100 m，由于受外应力作用，形成一系列特殊的黄土地貌，地形复杂，沟壑纵横，坎陡沟深，地表侵蚀强烈，有疏密不等的短小冲沟。张家峁煤矿目前主采5-2煤层，其埋藏深度100～150 m，煤层厚度5～7 m，采用一次采全高开采方法。浅埋煤层大采高工作面开采方法以及复杂的地表形态使得开采引起的地表移动变得异常复杂，有必要进行地表岩层移动规律的观测研究。

1　工程地质条件

张家峁煤矿井田面积51.98 km2，可采煤层7层，地质储量8.65亿t，可采储量5.43亿t。矿井设计生产能力为600万t/年，服务年限72年，采用综合机械化开采，全部垮落法管理顶板。

N15203工作面地表位于前、后姚家峁西，郭家焉、平沙地东，单家峁北。工作面平均埋深128 m，设计采高为6.3 m，采用双向割煤方式，往返一次割两刀，正常回采期间工作面沿煤层底板回采。

2　观测方案设计

2.1观测线布置形式选择

本次的地表移动观测采用剖面线观测站的布置形式，其剖面线观测站是在主断面上（倾斜与走向）呈直线型布点。考虑到N15203工作面的地表条件较为复杂，因此沿煤层走向方向与倾斜方向各布置一条观测线。

2.2观测线布置参数选取

布设测线时，根据N15203工作面地表条件，把每个测点之间的距离确定为15～20 m，个别测点根据具体地表条件进行适当调整，走向观测线长650 m，共布置测点32个，编号为Z1～Z32；倾向观测线长700 m，共布置测点32个，编号为Q1～Q32，距切眼距离360 m，如图1所示。测点采用预制混凝土结构，中间用长度300 mm，直径20 mm的铁杆做标志，标志的顶部加工成球形，并钻一个深5 mm，直径为1～2 mm的孔作为测点标志中心。埋设测点时，在标定的位置挖一个直径300～350 mm的坑，深度不小于60 mm，将测量标志点埋设于地下。

图1　观测线布置示意

3　观测结果分析

N15203工作面共进行了6次全面观测，4次日常观测，通过对数据整理分析，取得了较为可靠的地表移动参数。

3.1采动过程中地表移动分析

部分走向观测线（Z）动态下沉曲线如图2所示。2013年6月26日对观测区进行了全面观测，此时工作面已推进20 m左右，各测点的移动几乎无任何变化；随着工作面的继续推进，当推进160 m左右时（2013年7月29日），Z14～Z17测点有一个明显的下沉。直到工作面推进到560 m左右时（2013年10月18日），Z14点基本达到了最大下沉值1.9 m，这段时间正是Z14点的下沉活跃期。Z线各测点的下沉活跃期是随着工作面的推进而不断变化的，由于地形的影响，各测点的下沉活跃期的长短也有所不同。当地表稳定时，在所有的测点中，最大下沉发生在Z15测点，距离切眼60 m，最大下沉值为4.8 m。从Z线最后几次观测所得的沉降曲线可以看出观测区以外采空区的下沉发展趋势，即最大下沉应该在3.7～3.9 m之间。

部分倾向观测线（Q）动态下沉曲线如图3所示。当工作面推进385 m左右时（2013年9月14日），Q线中部测点（Q13～Q23点）出现明显的下沉，最大下沉量为1.95 m。2013年10月18日观测时，地表的最大下沉为3.85 m，在最后几次测量中，地表沉降已趋于稳定，最大下沉发生在Q18测点，最大下沉值达到3.86 m。

地表下沉的大小、范围与采空区的范围和地表形态有直接关系。由于受顶板台阶式断裂的影响，下沉曲线连续性较差，过度不是很平滑（尤其在拐点附近），这也是黄土沟壑区地表沉陷的一个特征。另外，受工作面地表特殊地形的影响，地表的最大下沉点未发生在采空区中心位置，而是有一定的偏离。走向观测线各测点的最大下沉速度发生的时间是不一致的，各测点随着工作面的推进依次开始下沉，而后达到最大下沉速度，最后又逐渐减小。在对观测站进行的所有观测中，很好地观测到了Z17点的最大下沉，在2013年8月8日的观测中，Z17点的最大下沉速度达到了391 mm/d，很好地反映了实际地表下沉规律，地表下沉具有突发性，即地表会在很短的时间内产生较大的下沉，这也符合神南地区浅埋煤层开采地表下沉的一般规律。

3.2地表移动的角量分析

（1）起动距的确定。当N15203工作面推进约60 m位置时，地表对应的观测点Z12开始移动，即地表移动起动距为60 m。地表移动的起动步距不但与覆岩岩性结构有关，而且与黄土层厚度、地下煤层的开采速度等因素有关，由于N15203工作面地表沟壑纵横、地形复杂，起动距与其它矿区相比明显要小。另外，因黄土层抗拉伸变形能力差，垂直裂隙非常发育，岩层内部的移动变形在黄土层中的传递在很短时间内就能完成，因此地表沉降在刚开始沉降时具有突变性。

图2　走向观测线（Z）动态下沉曲线

图3　倾向观测线（Q）动态下沉曲线

根据张家峁矿区覆岩赋存特性可知，土层厚度与基岩厚度差异较大。起动距的主要决定因素是基岩的厚度，用基岩厚度来确定的起动距是比较准确的，由此得出起动距可由下式确定：

式中：L起——地表移动起动步距，取60 m；

H0——煤层平均埋深，取128 m；

n——相关系数；

h——黄土层厚度，取60 m。

由式（1）可得n=0.88，起动步距为基岩厚度的88%。

因此，张家峁矿区由于开采引起地表移动的起动步距可大致按基岩厚度的88%来判定。

（2）超前影响角的确定。为了掌握工作面推进过程中前方地表开始下沉的位置，确定采动地表动态移动的影响情况，一般将工作面前方地表开始移动的点与此时工作面位置的连线和水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角。超前影响角的计算公式为：

式中：L超——超前影响距，m；

ω——超前影响角，（°）。

根据观测结果可确定，工作面前方地表移动的超前影响距L超为80 m，则由式（2）计算可得，超前影响角为57.9°。

3.3地表裂缝发育特征及分析

N15203工作面采深采厚比较小，地表移动的形式主要表现为台阶状逐段断裂坍塌，N15203工作面地表裂缝的分布特征如图4～6所示。

图4　观测区域内的滑坡示意

图5　水平裂缝

图6　裂隙的台阶落差

裂缝的发生、发展具有如下特点：

（1）时间上的突然性。当工作面推进到一定距离后，裂缝是在较短的时间内形成的。在观测期间，间隔一天时间地表裂缝就发生明显变化，裂缝发育导致道路破坏，车辆无法通行。

（2）裂缝出现的地点成固定距离分布，裂缝间距相差不大，局部地方受特殊地形的影响可能会有所偏差。

（3）裂缝出现与实际地形地貌有密切联系，多发育在地形地貌不连续的拐点处。

N15203工作面是以一定速度向前推进的，其地表沉陷影响是由工作面通过覆岩以一定的超前影响角到达松散层与基岩接触面以及地表的，工作面推进位置不同，地表影响的范围和程度也不相同，总体来说地表沉陷破坏显现剧烈，地表沉陷破坏为连续台阶裂缝破坏，在近沟壑边缘位置破坏更严重，发展范围也比塬面位置大。

4　结论

（1）N15203工作面走向观测线最大下沉点距离工作面切眼60 m，下沉值为4.8 m。观测区以外采空区的最大下沉为3.7～3.9 m；倾向观测线最大下沉值为3.86 m。地表下沉曲线连续性较差，过渡不是很平滑（尤其在拐点附近），地表沉降在刚开始沉降时具有突变性。

（2）N15203工作面地表移动起动距为60 m，根据张家峁矿区覆岩赋存特性可知，土层厚度与基岩厚度差异较大，起动距的主要决定因素是基岩的厚度，用基岩厚度来确定的起动距是比较准确的，张家峁矿区由于开采引起地表移动的起动步距可按基岩厚度的88%来判定。

（3）N15203工作面地表裂缝呈现时间上的突然性，裂缝出现的地点成固定距离分布以及多发育在地形地貌不连续的拐点处等特点。

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（责任编辑 郭东芝）

Research on characteristics of ground surface movement of working face with high mining height in shallow coal seam in loess ravine region

Wang Biqing1，Huang Kejun2，3，Cao Xinqi2，Miao Yanping1，3
（1.Shenmu Zhangjiamao Mining Co.，Ltd.，Shaanxi Coal and Chemical Industry Group，Yulin，Shaanxi 719300，China；2.Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi 710065，China；3.School of Energy，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi 710054，China）

Aiming at the particularity of ground surface movement of working face with high mining height in shallow coal seam in loess ravine region in Zhangjiamao Coal Mine of Shennan mining area，surface movement was measured during the mining in N15203 working face.The results showed that the continuity of surface subsidence curve was not good，and the ground surface subsidence was mutational at the preliminary stage of surface movement.The surface cracks trended to appear suddenly and developed at the inflection points of discontinuous landforms，the locations of surface cracks distributed with a fixed distance.

loess ravine region，shallow coal seam，working face with high mining height，ground surface movement

TD325

A

王碧清（1967-），男，陕西岐山人，高级工程师。2000年毕业于西安科技大学采矿工程专业，现任陕煤集团神木张家峁矿业有限公司总工程师，主要从事浅埋煤层开采技术管理工作。