＊王路 杨维弘 李锦明 陈飞 包函 蒋超

（1.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司 陕西 719000 2.中国矿业大学（北京）国家煤矿水害防治工程技术研究中心 北京 100083）

煤炭作为我国的主体能源物质煤炭，其为我国经济高速发展起到了重要的作用，但是煤炭企业在追求高强度回采的同时也给脆弱的生态环境带来了不可逆转的灾害问题，例如地表塌陷[1-3]。国内科研学者自20世纪60年代开始对矿区开采引起的地表沉陷问题进行了大量的研究，特别是东部矿区，获得了优秀的成果[4-7]。目前，科研工作者已经对该地区的地表移动变形规律进行了大量研究，也取得了许多可喜的成果。汤伏全[8]建立了西部黄土层矿区开采沉陷预计模型，分析总结了西部黄土矿区开采沉陷中的土岩耦合效应；陈永新[9]结合数值模拟软件分析了重复采动条件下岩层与地表移动变形机理；郑志刚[10]分析了厚松散层下一次采全高工作面开采后地表移动变形规律，得出了预计参数和各种角值。

针对西部地区特别是地处生态脆弱区的榆神矿区，覆岩运动出现了各种差异性特征问题。本文以榆神矿区曹家滩矿井首采工作面为例，探讨我国西部高强度煤炭矿区开采沉陷影响规律，以期对该地区其他矿井开展地表岩移规律的研究具有重要的借鉴意义。

1.工程概况

曹家滩矿井地表地貌以新月型沙丘地貌为主，大部分区域风积沙层所覆盖，地表分布有部分植被。工作面煤层开采煤层为2-2煤，位于延安组第四段顶部，工作面倾向长度为350m，推进长度约为6.2km；煤层平均埋深为281m；平均倾角3°左右；煤层平均厚度为11.2m，采用分层大采高综采工艺，上分层采高平均为7.0m。工作面回采导致了地面沉陷，对房屋、供水井造成了一定影响。

2.观测站设计与观测

(1)地表移动观测线设计

本文为研究高强度工作面开采后地表的移动变形规律，在122106工作面沿走向和倾向各布置了一条观测线，各测线长度设计如下：

①走向观测线沿采空区中线布置，测线长度按照式（1）计算：

式中：H0—回采工作面的开采深度，取330m；δ—走向移动角，取63°；h—土层厚度，一般为140m；△δ—走向移动角的修正值，一般取20°；φ—松散层移动角，取45°。

根据地表移动观测站设计原则，走向观测线的长度应足够控制沉降区的移动特征，依据公式（1）计算得出，LZ应不小于687.5m。

②倾向观测线垂直于走向观测线布置，倾斜观测线距开采工作面开切眼距离D1、距工作面停采线的距离D3必须满足式（2）：

由计算可知，测线到开切眼的距离应大于343.7m。倾向线的长度按照公式（3）计算。根据观测要求可知，倾向线应必须控制整个盆地，且也能确保观测线的两端不受开采影响，其长度由计算可知应不小于1047.5m。

(2)观测点的埋设

根据曹家滩煤矿首采122106工作面的钻孔资料可知，122106工作面的煤层平均深度为340m，本次观测点的点间距选取距离为25m。根据2.1节中移动观测线设计，倾向线的长度选择为1047.5m，切眼距离D1取418.7m，倾向线上共布置43个测点，编号为A1～A43；走向线长度依据设计确定为687.5m，共布置测点29个，编号为Z1～Z29；两条测线的控制点分别设置在测线两端。

3.地表移动变形参数及规律实测研究

(1)地表下沉规律分析

根据测量要求，本次观测工作历时12个月，观测次数为26次。各期的实测数据如下图1和图2所示。

图1 倾向观测线（A线）动态下沉图

图2 走向观测线（Z线）动态下沉曲线图

根据图1所示的倾向观测线动态下沉图可知，随着工作面的不断向前推进，倾向线上各测点的下沉值呈逐步增大趋势。当进行第2期观测时，测线中部A21附近的测点开始有微动，地表开始下沉进入起动期。当观测进行到第4期时，累积下沉值为1.05m，较前三期增大约1m，进入到地表下沉活跃期。在第5期的观测中，地表的累积最大下沉已达到3.05m，较第3期的下沉值增大了约2m。当进行第6期观测时，测线中部最大的下沉值达到3.302m，较第4期增加了约0.3m。通过对比得出，地表沉降的活跃期已经结束，开始进入地表移动的衰退期。从第6期开始至观测结束，下沉值基本维持在3.350m，最大下沉点发生在A21测点。地面沉降主要集中在采空区范围，但影响范围延伸至采空区两边75m。

根据图2所示的走向观测线（Z线）动态下沉曲线图的变化趋势可知，当工作面推进至91m时（第3期）测点开始变化，主要沉降范围在Z16～Z21测点之间，下沉值维持在0.1m左右。下沉盆地范围随着工作面的推进不断扩大，最终呈现出半无限盆地形态。当地表移动进入到衰退期时，地表最大下沉发生在Z19测点，最大下沉值为4.173m。

综合上述走向与倾向的观测线变化规律可以得到，岩层下沉主要分为起动期-活跃期-衰退期三个阶段，其中起动期与活跃期的持续时间基本相同，均为2个检测间期长，之后为较长时间的衰退期。说明岩层的下沉运动的产生与形成都较为迅速，当岩层下沉达到极限后，基本维持稳定。

(2)地表移动变形参数

结合2.1中的理论预测公式，确定了曹家滩煤矿2-2煤层开采地表岩层移动参数。

①综合开采边界角（β0、γ0、δ0为下山、上山和走向方向的边界角）：0δ=52°，β0=γ0=45°；综合移动角（β、γ、δ为下山、上山和走向方向的移动角）：δ=80°，β=γ=77°；综合裂缝角（β"、γ"和δ"为下山、上山和走向方向的裂缝角）：δ"=84°，β"=γ"=90°。

②充分采动角ψ=40.2°；超前影响角w=70.2°；最大下沉速度滞后角F=66.8°。

③运用了概率积分法对半无限开采时地表移动盆地主断面上的移动进行了变形预计，给出了适合概率积分法的预计参数：平均下沉系数=0.537；主要影响角正切值tan=4.435；水平移动系数b=0.20；拐点偏移距=76.90m=0.22H；开采影响传播角θ=86.2°。通过理论预计公式对实测的地表下沉曲线进行了拟合，根据实测的数据确定的概率积分法参数满足矿区地质采矿条件下要求。

4.地表移动变形参数及规律数值模拟研究

(1)模型的设计和建立

根据曹家滩煤矿首采工作面布置的补59号钻孔数据，参考表1中岩石力学参数，建立长1000m，高286m的走向模型，观测工作面走向岩层位移变化规律，每次开挖1个周期来压，共开挖12次，模型左侧设置50m的边界煤柱。建立长650m，高286m的倾向模型，观测工作面倾向岩层位移规律，一次开挖工作面宽度350m，模型左侧、右侧各设置150m的边界煤柱。两模型开挖2-2煤，工作面采高7m，模型左右边界采用水平约束条件，模型下边界为固定边界。

两个模型各设置7条测线，测线A、B、C、D、E、F、G分别观测直接顶、基本顶、关键层、观测岩层和土层分界面、红土层、黄土层和地表的位移变化规律。

(2)模拟结果分析

本文选取了开采过程中初次来压和工作面开挖800m后，覆岩垮落和测线下沉曲线图如图3和图4所示。

图3 初次来压覆岩垮落及测线下沉曲线

由图3可知，初次来压直接顶垮落明显，基本顶有下沉，下沉不明显，其余岩层没有明显下沉，测线A最大下沉量为5.96m，下沉量最大值出现在回采后采空区中部位置。

由图4可知，当工作面开挖至800m时，覆岩破坏基本达到稳定状态，各测线呈现出下沉盆地的形态。测线A、B、C、G最大的下沉值分别为6.75m、6.15m、5.75m和4.21m。因此，在回采稳定后可知表明地表下沉在第七次来压后就趋于稳定，最大下沉量为4.21m。

图4 工作面开挖800m覆岩垮落及测线下沉曲线

通过数值模拟分析可知，地表沉降量及下沉区域约为煤层直接顶的2/3。说明该地质条件下采动覆岩纵向方向上沟通性较强，直接顶的运动下沉会较为直接的沟通地表造成地表移动下沉现象。

5.结论

（1）对曹家滩煤矿首采工作面进行了地表移动观测设计。通过数据分析得到：岩层下沉主要分为起动期-活跃期-衰退期三个阶段，其中起动期与活跃期时间较短均为2个间期，岩层下沉主要在活跃期内完全形成；之后为长时间的衰退期，下沉幅度达到极限，岩层沉降基本维持稳定。

（2）通过观测数据的分析，得到了适合概率积分法应用的各项预计参数：平均下沉系数为0.537；主要影响角正切值tan=4.435；水平移动系数b=0.20；拐点偏移距为76.90m；开采影响传播角θ=86.2°。

（3）采用UDEC模拟软件模拟了煤层开采时地表岩层移动过程。发现采动覆岩纵向方向上沟通性较强，直接顶垮落会直接沟通地表造成地表沉降，地表沉降量及下沉区域约为煤层直接顶的2/3，走向、倾向方向地表的最大下沉量分别为4.21m、3.36m，与实测数据4.173m、3.350m拟合度为99.7%，证明模拟过程及结果符合实际。