曹家滩煤矿首采工作面地表移动规律分析

曹家滩煤矿首采工作面地表
移动规律分析
华照来，李锦明
(陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西榆林717000)
摘要：首采工作面的地表岩移参数可以为后续的安全回采提供理论指导，对覆岩中含水层、地表建(构)筑物的保护同样具有重要作用。

为了对后期开采提供技术保障,曹家滩煤矿开展了首采工作面地表移动规律分析。

结合首采工作面地表移动观测站监测数据,分析不同走向和倾向的下沉、水平移动曲线;基于UDEC数值模拟软件，建立数值模拟模型，探究地表裂缝发育移动规律；并采用物理模拟方法对工作面7次周期来压的覆岩移动规律分析。

结果表明，地表的下沉只出现在采空区上部及附近一定范围内，且其下沉呈对称分布；地表下沉在第5次来压后就趋于稳定，最大下沉量为4.21m,倾向模型的最大下沉量为5.84m;物理模拟方法得出和数值模拟类似的规
律，与实测结果一致。

关键词：首采工作面；地表移动;覆岩移动；周期来压;地表下沉量
中图分类号:TD347文献标志码：B文章编号:1273-707X(2929)07-0181-07
Analysis on the surface movemenh law of the
first mining face in Caojiatan coal mine
HUA Zhvo-lvi,LI Jib-minn
(Shaanxi Shanmei Caojiatan Mining Co.,Ltd.,Yulin717000,China)
Abstrrct:The surface movement parameters of the first minin-face can pro v ibe theoretical guidance for the subsequent sOe minin-, end also play an important role in the protection of ayuifes in the overturOee and surface Suildin-s(strectures).In orOes to povide technical support foe lates minin-,thr surface movement law of the first minin-face is analyzed in Caojiatan mine.Based on the monitoring data of the surface movement observation station in the first mining face,the suUsideqce and horizontal movement curves with different Peqds and inclinaPons are analyzeC.Based on the UDEC numericel simulation software,the numerical sinbaPon model is establisheC ti explore the development and movement law of surface fractures. The movement law of overburden under ten times perioPio weightinn in workinn face is analyzeX by physicel81011X00-methoP.The results show that the surface subsidence only occurs in the upper part of the goO and nearby a certain ranae, od its suUsidence is symmetrical disWidutWn；the surface suUsidence tends te be stable Otes the seventh perioPio weighting, the maximum suUsidence is4.21m,the moi m um suUsidence of the incline moPei is3.39m；the laws oPtaineX by physical simulation and numerical simulation are consistent with the measureX results.
Key words：first mininc face;surface movement；cverdurden110)16x10600-0weightinc;c urface suUsidence
收稿日期：2627-65-11
作者简介:华照来(1952—)，男，安徽安庆人,2718年毕业于中国矿业大学地质工程专业，硕士,高级工程师,现从事矿井地测防治水技术管理工作。

0引言
曹家滩井田位于鄂尔多斯高原东北部,陕北黄土高原北部,毛乌素沙漠东南缘。

井田内最高处位
于井田北部石庙梁，标高+1352.2m,最低处位于井田东部野鸡河沟田家圪台，标高约+1225.30m,最大咼差123.7m,一般标咼+1250m。

地表地貌包括沙丘沙地和风沙滩地、黄土梁峁地貌。

首采煤层2-4煤全区可采，煤层的结构简单，一般不含夹矸，局部顶部或底部有1-2层夹矸，厚度4.04-4.26m,煤层倾角平缓，地质构造简单，开采技术条
件优越，煤层埋藏深度255-333m,煤层厚度较稳定，为3.43-16.2m,平均厚度为11.2m。

曹家滩首采工作面采用分层大采高综采工艺,工作面倾向长度为354m,属于超长工作面,推进长度约为6.2km,上分层采高平均为7.0m。

开展首采工作面地表岩移参数的研究可以为其后续工作面的安全回采提供指导，此外，探究覆岩及地表移动变形的规律对覆岩中含水层、地表建（构）筑物的保护具有重要意义。

1地表移动观测设计
1.1地表观测站布设
剖面线观测站:根据设站的目的,合理选择观测站的布设形式④4。

观测站一般分为剖面线观测站和网状观测线2种。

剖面线观测站是目前矿区应用较多的一种布站形式,即在主断面上（倾斜与走向）方向上布点成直线形［7-7］,如图1所示。

剖面线观测站一般由2条观测线组成。

一条沿煤层走向方向，一条沿倾斜方向，互相垂直并相交。

网状观测站：网状观测站是在地表设立较多测点，组成网状观测站，如图2所示。

网状观测站可观测整个采动范围，观测资料比较全面、准确，可进行全盆地移动变形分析。

但是网状观测站测点数目太多,观测工作量大，因而这种方法一般只在产状复杂的矿层或在建筑物密集的地区开采时应用［14-4］。

图2网状观测站
1.2地表观测线布设
控制点布设:根据开采区地表地形分析,在采区之外根据地表已有永久控制点确定观测线的控制点至少2〜3个（厲〜R5）并与走向观测线相连接，根 据已知控制点的平面坐标和高程，将控制点加密到6个点（R i~R6），工作测点的外端点与控制点的间距及控制点与控制点的间距不宜小于54m。

实地测线布设:沿走向方向布置一条观测线（Z 线）；沿倾向布置一条倾向观测线，且与走向方向线基本垂直。

由于受地形影响，实际布设测线时对2条测线的长度、A线和Z线距离都做了相应调整。

观测点的埋设:曹家滩煤矿首采工作面埋深约344m,依据“测点密度的选取参考表”，测点之间距离选取25m。

根据理论分析,A线长1447.5m,距切眼距离413.2m,A线共布置测点43个,编号为A1-A43；其中A线两端各设2个控制点;Z线长为637.3m,Z线共布置测点29个,Z1〜Z29,Z线在工作面外设3个控制点。

观测点实地标定:结合井上下对照图与观测线及其测点布设图，在图纸上量RZ4RZ2和RZ3起始坐标，并由已知控制点K4K2准确放样出RZ4RZ2和RZ3坐标并测定出其实际坐标,从而由RZ4RZ2和RZ3放样出走向观测线（Z）。

同样，在图纸上量取RA4RA2坐标,在实地标定出其坐标，由K4K2放样RA4RA2实地位置，由RA4RA2点的坐标放样出走向观测线（A）。

所用材料为木桩和钉子，每 个测点须用红漆写上编号，在以后正式埋设时要予以保留，防止再测量时漏点和便于记数，测点间距一般设为25m范围，如果遇到特殊地形可适当加以调整。

尽量保证同一条观测线上的测点在一条直线上，倾向观测线与走向观测线垂直。

1.3122106工作面观测成果
对122146工作面观测成果进行整理和分析，得到地表移动监测成果见表1。

表1地表移动角值和取大变形
参数数值参数A线Z线启动距L/m91最大下沉值/mm33509178
超前影响角
70.2最大倾斜值
-35.64-66.80
3/()/(11.1_1)
最大下沉滞后角
0/(°)66.8
最大曲率/
(10_3-1-1)
-0.70 2.90
综合边界角
/()52(45
最大水平移动
(mm
-490.401033.54
综合移动角
/()84/75
最大水平变形/
(11.1_1)
42.65-17.53
裂缝角/(°)54/90最大下沉速度/
(mm•d_1)
-179.78224.40
充分采动角/(°)40.2———
工作面走向方向/m
01002003004005006007008009001000
5
5
5
-
-
-
-3.50
-4.00
-4.50
图3工作面开挖800mZ线下沉曲线
工作面走向方向/m
"1"02"03"04"05"06""
2工作面地表移动规律试验
22UDEC数值模拟
(Z线)工作面推进方向基岩及地表移动规律:随着工作面的推进地表不断下沉，最大下沉量分别为3.9i、3.23i、3.75i、3.52i、3.50i、4.91i,表明地表下沉在第0次来压后就趋于稳定，最大下沉量为4.21i1工作面开挖800i,回采稳定，整个采空区上部呈现下沉盆地。

(A线)工作面倾向方向基岩及地表移动规律:工作面开挖800i,回采稳定，沿工作面倾向方向A 线基本处于稳定状态，整个采空区上部呈现下沉盆地,地表最大下沉量达到3.34i1
地表岩移影响范围分析：由图3可知，沿工作面走向方向900〜1000i之内的测点位于实体煤上方，可见工作面的回采对实体煤上方地表影响范围在800〜9001即影响范围为70i1由图4可知,沿工作面倾向方向,500〜650i之内的测点位于实体煤上方，可见工作面的回采对实体煤上方地表影响范围在500-6231,即影响范围为731。

由此判断工作面开挖对实体煤上方地表的影响范围在70〜75i1
22物理模拟
模拟结果:在各煤层工作面开挖试验过程中,每隔3〜5in开挖一次，推进9.4ci,模型2「4煤采高为9.8ci；按照相似比例(7230),为了更真实地表述各煤层实际开采情况,在试验描述过程中均采用相似比例换算到实际数据进行表达。

图5为10次
5
5
-3.50距离左边界距离/m
-4.00L
图4工作面开挖800m A线下沉曲线
周期来压地表的位移曲线，前3次周期来压地表下沉量不大，第4、5次周期来压，垮落带高度分别为7.6ci、25.2ci。

第2次周期来压,微裂隙发展到基岩顶界面;第0次周期来压,微裂隙进一步扩展;第5次周期来压，地表出现下沉并出现微裂隙;第9次周期来压，地表出现裂隙;第7次周期来压，地表裂隙进一步扩展。

O O O
co—
80
距离左边界距离/cm
o o
「6
寸寸
黑
*
好K
第1次周期来压
/表下沉量/cm
第2次周期来压
地表下沉量/cm
第3次周期来压
地表下沉量/cm
第4次周期来压
地表下沉量/cm
第5次周期来压
地表下沉量/cm
第6次周期来压
地表下沉量/cm
第7次周期来压
地表下沉量/cm
第+次周期来压
地表下沉量/cm
第9次周期来压
地表下沉量/cm
二第10次周期来压
地表下沉量/cm
图5
物理模拟试验模型地表下沉曲线
结果分析：由此可见，第4次周期来压,地表下沉量明显增大，表明第4次周期来压时关键层破断导致关键层上覆岩层的下沉。

随着工作面的推进，地表进一步下沉，第7次周期来压时，地表最大下沉量为增速缓慢并趋于稳定。

第4次周期来压时，地表最大下沉量为1.28cm,实际换算为4.23m,与实际情况相符合。

表2为现场实测、数值模拟、物理模拟3种方法16个周期来压地表最大下沉量，对比分析3种方法的所得数据，其相差不大，表明观测数据可靠。

表2不同观测方法1个周期来压地表最大下沉量
最大下沉量/m
研究方法
第4次第2次第3次第4次第5次第2次第7次第7次第9次第/次现场实测-2.220-2.265-2.432-4.656-0.792-5.295-32335-5.649-5.794-4.210数值模拟-2.254-2.274-2.143-4.719-22352-5.104-5.479-5.756-5.747-5.979物理模拟-2.227-2.279-2.145-4.739-4.00-32211-5.574-5.774-3291-4.270
3结论
(1)通过现场监测、数据分析,得出了曹家滩煤矿2-煤层开采地表岩层移动参数，主要包括综合开采边界角、综合移动角、综合裂缝角、基岩边界角、土层边界角等参数。

(2)采用离散元UDEC数值模拟软件分别对/2106工作面的走向和倾向建立了数值模拟模型，模拟了煤层开采时的地表岩层移动规律。

发现地表的下沉只出现在采空区上部及附近一定范围内，且其下沉呈对称分布;表明地表下沉在第7次来压后就趋于稳定,最大下沉量为4.21m,倾向模型的最大下沉量为3.36m。

(3)采用物理模拟方法对162166工作面十次周期来压的覆岩移动规律分析，得出和数值模拟类似的规律，表明2种研究方法相互印证，与实测结果一致。

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