陶彦名，贾江伟，燕杰星

（国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古 乌兰木伦 017209）

煤炭在我国能源结构中占有重要地位，是国民经济发展的重要保障。煤炭资源从地下采出，在回采的过程中，上覆岩层遭到不同程度的破坏。当开采面积达到相当程度以后，随着采空区范围的扩大，上覆岩层的移动和变形可扩展到地表，引起地表大面积塌陷和裂缝，对地表建筑物、公路等造成损害；同时地表水土流失加剧了地区生态破坏和荒漠化，恶化地表环境。对于采空区地表沉陷问题，国内外专家开展了多方面的研究，使得地表沉陷预计理论更加丰富，并因地制宜地建立了科学合理的地表沉陷预测方法，预计结果的精确性得到了显著提高。本文在学习前人的基础上，以察哈素煤矿31采区首采工作面3101工作面为背景，结合地质环境对地表沉陷影响因素进行分析，并进行现场实测，准确预测采空区沉陷范围，为工作面回采及其地表建筑物的安全提供技术支持。

1 工程概况

察哈素煤矿3101 工作面主采3-1煤层，是31采区的首采工作面。煤层厚度5.03～6.7 m，平均6.015 m，煤层厚度变化总体较小，属于稳定煤层。工作面地质构造简单，煤层倾角1°～3°，属于自燃煤层。工作面走向长度为2 503.74 m，宽度300.58 m。工作面采用走向长壁后退式全部垮落综合机械化采煤工艺，双柱掩护式液压支架支护，采空区顶板自然垮落。3101工作面地表属高原侵蚀性丘陵地貌，地形纵横切割，形成梁峁、枝状沟谷，基岩裸露，植被稀少。地表松散层厚度较小，平均厚度11.37 m，由细砂和粉质粘土组成，属于薄表土层厚基岩地貌，地表沉陷变形等同于基岩的沉陷变形。3101工作面平均采深418.3 m，煤层平均开采厚度4.5 m，采厚比92.9，工作面布置见图1。

图1 3101工作面平面布置

2 地质及开采条件对地表移动变形的影响

地下采掘活动破坏了原岩应力的平衡，导致了上覆岩层的变形与破坏。采场顶板结构决定了上覆岩层的破坏形式，破坏范围的扩大影响造成地表的沉陷破坏。由于煤层上覆地表地形地貌的不同，地下煤炭开采对山区地表移动变形规律与平地的移动变形规律有明显的不同。实践表明：受区域地形和地貌的影响，山区、丘陵地区地下近水平煤层的开采沉陷引起的地表移动破坏可分为两种：

1）地表连续性移动与变形，称为山区地表移动或采动滑移。

2）地表非连续性移动与破坏，包括采动滑坡与槽形塌陷等。地质条件在很大程度上影响地表移动变形规律，主要表现在影响地表移动变形的指标、参数、角值等的大小以及主要量值的出现位置，体现不同的变形规律。

2.1 覆岩力学性质和岩层层位的影响

组成地层岩石的强度不同，有坚硬（f＞6）、中硬（f=3～6）和软弱（f＜3）三种类型。在采矿过程中，岩石力学性质对岩层和地表移动影响很大，不同覆岩的组合，对地表移动量、移动规律有较大的影响。察哈素煤矿3101工作面覆岩属于中硬偏硬岩层条件，具体分析产生的景象如下：（1）岩层及地表下沉量小。3101工作面上覆岩层属于中硬偏硬岩层破裂后碎涨系数大，充填了部分采空区，从而使岩层及地表下沉量小；（2）地表变形移动角大 。覆岩偏硬使地表变形量较小，移动角较大，从而使危险移动范围减小。察哈素煤矿3101工作面上覆岩层为中硬偏硬岩层，基岩走向移动角79°，符合国内的一般经验范围。

2.2 松散层对地表移动特征的影响

采矿活动引起地表移动和沉陷，与地表的地物、地貌有很大的关系。针对第四系、新第三系未形成层状岩石的沉积层，称之为松散层，如冲积层、洪积层、残积层等。察哈素煤矿3101工作面对应地表属高原侵蚀性丘陵地貌特征，地形纵横切割，形成梁峁、枝状沟谷，基岩裸露，植被稀少。地表松散层覆盖程度不均匀，局部地段无地表松散层，基岩风化裸露，基岩的倾斜角度对地表移动特征有很大影响。

2.3 开采厚度和开采深度的影响

煤层的开采厚度是影响上覆岩层破坏和地表移动破坏的主要因素之一。开采过程中，煤层的开采厚度越大，形成的采空区的空间相应会增加，导致上覆岩层的冒落带、导水裂隙带高度相应会增加，岩层与地表移动变形与煤层的开采厚度一般呈正相关的关系。随着开采深度的增加，地表移动变形值相对减小，且随着地表范围的扩大，地表形成的移动盆地更平缓。各种变形值和采深成反比，采厚比越小地表移动变形值越剧烈。在采厚比很小的情况下，地表将出现大量裂缝、台阶，甚至出现塌陷坑；随着采厚比的增加，裂缝相对减少，地表移动变形值相对减小。察哈素煤矿3101工作面的采深平均418 m，平均采高度4.5 m，采厚92.9，根据实测数据分析岩层的移动形式主要为法向弯曲和断裂，地表出现裂隙形式，地表移动和变形在时间和空间上是连续的、渐变的，具有明显规律性。

2.4 开采范围的影响

在开采过程中，采区的尺寸大小影响着地表的移动破坏范围，影响地表的采动程度。采动程度常用宽深比D/H表示，包括三种状态：分别为地表非充分采动、地表充分采动、地表超充分采动。察哈素煤矿3101工作面采空区沿倾向长度为300.58 m，沿走向的长度为2 503.74 m，其宽深比D/H由以下公式求得：

我国的实测资料表明，在一般情况下，地表为非充分采动宽深比小于1.2～1.4 ； 地表充分采动宽深比在1.2～1.4之间；地表超充分采动宽深比大于1.2～1.4。察哈素煤矿3101工作面倾向未达到充分采动状态，走向达到超充分采动状态。

3 3101工作面岩移观测站的设计及布设

通过对3101工作面的地质及开采条件对地表移动变形的影响因素分析，在研究3101工作面在开采过程中的沉降规律、地表移动与变形的相关参数的基础上，对地表变形情况进行监测。地表移动变形监测的主要内容有：在煤层开采的过程中，定期测定观测线上各个测点在不同时间内的空间位置变化。地表移动监测工作内容：观测站的连接测量，全面观测，单独进行水准测量，地表破坏的测定和编录。用GPS对工作面开采沉降的监测主要有两种模式：控制点的静态定位、观测站的动态测量（RTK技术）。

针对3101工作面实际情况，沿工作面走向设计一条走向观测线，观测线的长度应超出采动影响范围，工作面走向长度为2 503.74 m，观测线LZ基线长度3 306 m；倾向长度为300.58 m，两条半倾向观测线LQ、LP基线长度600 m、605 m。共布设控制点8个，观测站134个，根据各观测站不同的观测需要测站间距设置为20 m、40 m、106 m和400 m。3101工作面地表岩移观测站沿走向、倾向观测线布置参数见表1。

表1 地表岩移观测站沿走向、倾向观测线布置参数

为了确保3101工作面在回采过程中监测成果的可靠性，各观测站的控制点均布设在地表不受采动影响的稳定区域，并进行编号。察哈素煤矿3101工作面地表所布置的走向观测线LZ贯穿工作面全长，地形起伏不平，观测站z19～z21由谷顶布设到沟壑底部，落差3～15 m。

4 监测成果分析

4.1 地表移动变形角值及其相关参数

按照国家相关规定，各观测站在回采之前一个月布设完毕。3101工作面自2012年12月份开始回采，截止2013年11月，走向线LZ进行了21次高程和平面位置测量，倾向线LQ进行了7次高程和平面位置的测量。在此期间，地表距离工作面切眼水平距离400～1 120 m处，走向主断面范围内地表沉降趋于稳定，一定程度上可以反映地表最终沉降值。根据2013.11.13走向观测线LZ测量数据计算并绘制地表下沉角值曲线，得到走向主断面各类角值：边界角δ0=70°，移动角δ=79°，裂隙角δ“=85°，充分采动角ψ=61°，拐点偏移距s=58 m。根据观测，3101工作面地表沉陷达到10 mm时，此时工作面推进134.2 m，因此启动距L启=134.2 m，3101作面超前影响距l0=104.4 m，超前影响角wc=76.1°。

4.2 地表沉降与推进速度的关系

当工作面开采时，由于地表沉降的不均匀性，下沉曲线会出现局部起伏。此外，工作面推进速度的变化及采高的控制都会引起沉降的不均匀变化。工作面回采初期，推进速度很缓慢，上覆岩层沉降充分，随着推进速度趋于正常，岩层的沉降往往滞后于工作面回采位置；同时采高增大顶板垮落时回转空间加大，裂隙带和弯曲带向上覆岩层深部扩展，地表沉降加剧。3101工作面走向观测线LZ从切眼至1 250 m共观测9次。所测数据经过分析整理后所反映的地表移动变形的特征见图2。

图2 工作面走向观测线地表下沉曲线

4.3 地表变形情况

察哈素煤矿地表土层性质为砂质粘土，地表大沟断面呈“U”型，小沟断面呈“V”型。开采后，地表开裂变形有2组方向：分别为平行工作面走向和垂直于顺槽方向，为张开形裂缝，地表裂缝宽度最大约800 mm，裂缝深度达4 000 mm以上，但无明显的台阶下沉。

5 结语

1）工作面覆岩力学性质与岩层层位、煤层开采深度及厚度、开采范围、松散层是影响地表移动变形的因素。

2）工作面各个测站设置合理，控制点布设合格，能够满足3101工作面回采过程中地表移动监测的需要。

3）测定的工作面地表移动变形角值及其相关参数、地表变形情况对本矿其它工作面的回采，以及建筑物下采煤岩移等问题有着重要的指导意义。