地表沉陷岩移观测研究报告.doc

内蒙古友恒煤炭有限责任公司
益民煤矿
5201工作面地表岩移观测研究报告
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第—章 5201工作面观测站概况
第一节 概况
益民煤矿于2011年12月正式投产,矿井设计生产能力1.2Mt/a，矿井采用斜井单水平开拓，建有主斜井、副斜井和回风斜井3条井筒，主、副斜井、回风斜井布置在工业场地内。矿井开采标高为1195～1062m，4-2煤层已于2016年全部回采完毕，现开采5-2煤层
内蒙古友恒煤炭有限责任公司益民煤矿位于东胜煤田准格尔召—新庙矿区的东南部,其行政隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇。矿井地理坐标：
东经：110°17′45″～110°23′38″
北纬： 39°20′10″～39°23′36″
井田东西长约8。46km，南北宽约6.34m，为一不规则的多边形，面积为19.818km2
1、交通
本矿井向西3km为包府公路213省道，该公路是区域的主要运输公路.经包府公路向北到鄂尔多斯市东胜区约68km，到包头市约170km,向南到神华矿区大柳塔约28km，本区交通条件较为便利。
2、地形地貌
本区位于鄂尔多斯高原的东北部，从准格尔召到新庙，沿束会川一带，侵蚀构造比较强烈，多形成高原丘陵地形，沟谷纵横交错，均沿地表水系的各自区域流向。本区地势北高南低，西高东低，最高处位于矿区的西南部茆梁之上，海拔标高为1260。2m,最低处位于区内东部的勃牛川沟内,海拔标高为1117。0m。
4、构造
一、区域构造
本区区域构造简单,基本构造形态为一平缓的单斜构造，岩层倾向南南西,倾角1～3°，一般在1°左右。区内无明显的褶皱和大的断层,仅有微波状起伏和断距较小的断层，对煤层无破坏作用。
二、井田构造
益民煤矿井田构造简单,基本构造形态为一宽缓的向斜，轴部走向为NE向,两翼地层倾角3°左右。区内无断层，无岩浆岩侵入。
5、水文地质情况
本地区属于干旱半沙漠温带大陆性气候，春季干旱多风,夏季昼热夜温凉，日温差较大,秋季凉爽,冬季严寒。全年降水量多集中在7—9月,降水次数虽少，但多为大雨或暴雨。据伊金霍洛旗气象站资料，全年平均气温6。2℃，最高气温36。6℃，最低气温-20。6℃，年平均降水量350mm，年平均蒸发量2492mm，蒸发量一般大于降水量的4~5倍。风季主要集中在4—5月和10—11月，以西北风为主，最大风速24m/s。冻土期较长，冻土最大深度1。50m.
本井田冲沟比较发育，勃牛川位于矿区的东部，其支流毕鲁图沟、母花沟是矿区内较大的沟谷,区内谷沟常年无水,仅在暴雨后形成短暂洪流.
6、开采技术条件
设计生产能力1。20Mt/a，矿井服务年限17a。井田内主要可采煤层3层煤，分别是4—2、5—2、6—2号煤层。4—2号煤已于2016年年底回采完毕,现主要开采5-2号煤层。矿井分为1个水平，水平布置在5—2煤层,5—2煤开采工艺为综合机械化采煤工艺，首采工作面在一采区。
第二节5201工作面情况
5201工作面顺槽长1300米,工作面长250米,平面积325000平方米.开采侏罗系中下统延安组(J1—2y)的5—2煤层,煤层倾角1—3°，平均1°、工作面圈定的煤层厚度1。21～1。478米,平均1。3米，设计采高1。3米。
1、煤层、顶板、底板
5-2煤层顶、底板,多数以泥岩、泥质粉砂岩为主，构成直接顶底。根据《内蒙古自治区东胜煤田准格尔召—新庙矿区详查地质报告》的成果,从抗压强度评价岩石软硬程度 ：泥岩的单向抗压强度小于30 MPa,属于软弱岩石，粉砂岩的单向抗压强度在40～60MPa 之间，多数为50MPa，属于半坚硬岩石,胶结不好的砂岩抗压强度小于30 MPa,属软弱岩层。胶结好的砂岩抗压强度介于40～60 MPa，属半坚硬岩石。从泥岩、粉砂岩、砂岩软硬程度看，该矿区煤层顶底均为软弱-半坚硬岩石。
2、地质构造情况
根据实揭地质资料及5—2煤层底板等高线形态分析，该工作面地质条件简单，煤层底板起伏变化小,不存在断层等地质构造。
3、 开采煤层覆岩岩性
根据地表出露和钻孔资料，在本区范围内分布有三迭系上统延长组,中、下侏罗统延安组（J1-2y)和第四系地层。由于地质作用的影响中、下侏罗统延安组的五个岩性段,仅残留一、二、三和四岩性段的一部分，残留厚度平均为110。2m。现由老到新分别叙述。
1、三叠系上统延长组（T3y）
该组为煤系地层的沉积基底。其岩性主要为一套灰绿色中～粗粒砂岩，局部含砾，夹绿色薄层状砂质泥岩和粉砂岩.砂岩中黑云母含量较高且普遍绿泥石化.厚度51.59m～177.74m, 平均137.90m.
2、侏罗系中下统延安组（J1—2y）
该组为核实区主要含煤地层，出露于沟谷两侧。遭受风化剥蚀等地质因素影响，残缺不全，仅残留一、二、三、四岩性段的一部分.岩性主要由灰、深　灰色粉砂质泥岩、泥岩、灰白色砂岩、灰色细砂岩、深灰色粉砂岩，灰绿色、灰黑色砂质泥岩、泥岩及煤组成.厚度33。25m～130。55m, 平均110.20m.与下伏地层延长组呈平行不整合接触.
⑴第一岩段（J1-2y1）：该岩段从延安组底界到Ⅵ—l煤层顶界,厚度10。59m~38。44m, 平均32。70m，岩性主要为灰色或深灰色粉砂质泥岩、泥岩,夹灰白色砂岩。含Ⅵ煤组3层，煤层编号分别为VI—1、VI-2、VI—3,其中VI-1、VI—2煤层可采.
⑵第二岩段(J1-2y2）:该岩段从Ⅵ煤组顶界至V煤组顶界，厚度8。69m～34。34m， 平均27。20m。岩性主要为灰黑色泥质粉砂岩、泥岩、灰色粉砂岩，夹中、细粒砂岩，含V煤组3层，煤层编号分别为V—l、V—2、V-3，其中V—l、V—2煤层可采。
⑶第三岩段（J1—2y3）：该岩段从V煤组顶界至Ⅳ煤组顶界,厚度9.49m~32.14m， 平均27.80。岩性主要为灰白色砂岩夹深灰色粉砂质泥岩,含Ⅳ煤组2层，煤层编号分别为Ⅳ-2、Ⅳ—3,其中Ⅳ-2煤层可采.
⑷第四岩段（J1—2y4）:该岩段从Ⅳ煤组顶界到Ⅲ煤组顶界,厚度4.48m～25.63m， 平均22。50m。下部岩性主要为灰白色砂岩夹灰色粉砂岩、砂质泥岩,上部岩性主要为深灰色泥岩、泥质粉砂岩,含Ⅲ煤组，煤层编号一层，即Ⅲ-2煤层，不可采.
⑸第五岩段（J1—2y5）：该岩段从Ⅲ煤组顶界至延安组顶界,由于后期剥蚀，零星分布于矿区周围，厚度0～28．71m,平均9。68m。其岩性中下部为灰色泥质粉砂岩、砂质泥岩、泥岩互层，上部以灰白色砂岩为主，具大型交错层理.Ⅱ煤组在本区范围内已被剥蚀。
3、第三系上新统(N2）
该组地层广泛出露于井田,主要岩性上部为土红色泥岩、粉砂质泥岩、含砾,下部为紫红色、黄绿色砂岩、砂砾岩，砾石成分为石英、长石，胶结差。厚度0～18.01 m，平均11。55m。与下覆地层呈角度不整合接触。
4、第四系全新统（Q4）
全区广泛分布，阶地堆积和冲积、洪积物、风成沙、细沙,本组厚度一般0~19.61m，平均7。45m
第三节 5201工作面地面观测站的设置和观测
1、观测线的设计
变形观测线设制为2条横线和1条纵线,两条横线应在全煤区，且距离至少相距50米；一条纵线位于工作面中部全煤区。变形观测点应设立在变形体上能反映变形特征的位置，并且应设置成直线。在每条观测线上工作面以内，布设两个岩移观测点。
观测点结构
图1.2 观测点结构
观测点采用木桩上钉钢钉制作而成，埋深400mm。露出地面100mm.。
3、观测站联测方法和日常观测工作包括使用仪器观测方法和精度要求
观测站在设置10—15天后，进行观测.
（1） 连接测量
根据矿区地面控制网和观测站位置及地形情况，按照【规程】对近井点的测量要求，用敷设导线的方法，测定观测线一个控制点的平面坐标和高程，其余控制点用5秒导线测量。
（2） 全面测量
地表移动前和稳定后的全面测量必须独立进行两次，其时间间隔不超过5-7天,在整个活跃期内,其间隔时间按T=H/6c（c为回采工作面的推进速度）计算。
（3）巡视测量
在走向观测线上采空区上方选择几个观测点进行定期的水准测量,当某一点的累计下沉量大于10mm时,即可认为地表已开始移动，进行第一次全面观测。
在进行上述各项测量工作的同时,必须记录地表、地质、采矿、及水文地质等变化情况，主要是地表裂缝位置及要素,工作面的推进位置，采出煤层厚度、倾角和顶板跨落情况。
对控制点的高程必须定期检查其间隔时间为一月。
地表移动过程中的测量工作尽可能在一日内完成，最多不超过两天。
（4）观测方法及精度要求
采用全站仪观测。仪器型号为索佳STK220,全站仪测量精度:水平角的观测限差应不超过下表的规定:
仪器级别
半测回归零差
（″）
一测回内2c互差
（″)
同一方向值各测回互差(″）
DJ1
6
9
6
DJ2
8
13
9
DJ6
18
—
24
三角高程测量的技术要求应符合下表:
经由路线
仪器级别
测回数
倾斜角互差（″）
指标差互差(″)
对向观测高差较差（mm）
附合或环线闭合差（mm）
中丝法
三丝法
三、四等点
DJ1
DJ2
4
2
10
15
100S
50
一、二级导线
DJ2
2
1
15
15

13

第二章 5201工作面地表岩移观测成果分析
第一节 工作面回采过程中一般规律和有关参数的确定
一、下沉动态曲线的特征
随着工作面不断向前推进，地表移动变形处于不断变化之中。根据走向主断面观测线观测成果,绘制成动态曲线图。从动态曲线变化中,可以看出有如下规律.
1．随着工作面不断向前推进，下沉盆地范围不断扩大,下沉值不断增加。
2．动态曲线为非对称型。固定开采边（开切眼）一侧较陡，工作面推进的一侧较缓和。
3．各点下沉均经历了突发性阶段和稳定性阶段.前进中各次观测下沉曲线的间距与工作面验收的间距也基本相等，这证明覆岩能很快垮落而传达到地表.
二、地表沉陷起动距（d0）
为了正确确定地面建筑物加固、维修和观测时间等,需要知道地表开始移动时工作面推进的距离（简称起动距)。起动距主要决定于顶板的岩性（包括节理）和采空面积。一般是工作面推进（1/4~1/3)H,或采空面积达到（25～33）Hm2时，地表开始下沉，但坚硬顶板时例外。由于5201工作面地表地形总体为南北高中部低，在此基础上表现为中部低而南北侧渐低之变化趋势.故地表开始下沉以观测的下沉值达到或大于10mm为标准。5201工作面的走向观测线的移动变形图可知，当回采到20m时,开切眼附近上方地表的A5点发生29mm的下沉.故确定5201工作面的起动距为20m，此时的采掘深度为108m,故确定本观测站地表沉陷的起动距为0。2H。
三、超前影响角
为了掌握工作面推进过程中地表开始下沉的位置，需要知道开采的超前影响.一般要求工作面到开切眼的距离不小于0。4H时，按下沉10mm超前于工作面推进位置的距离L超，称为超前影响距。超前影响距也常用超前影响角表示:
由5201工作面的走向观测线的动态曲线图，可绘制计算超前影响角如表2-1。
表2—1 5201工作面实测的超前影响角

超前距L超(m）
采深H(m）
超前角ω(°）
备注
A75点
30
134.8
77。5
tanω= H/ L超
平均
30
108
74.5
5201工作面平均超前影响角=74。5°,即以0.28H超前影响。超前影响和上复岩层性质，工作面推进速度以及是否重复采动有关。
四、最大下沉速度及最大下沉速度滞后角φ
在工作面推进过程中，为了掌握地表下沉最剧烈的位置，需要知道地表最大下沉速度点的滞后距。最大速度点滞后于工作面的距离称为最大下沉速度滞后距L滞。最大下沉滞后角用φ表示:
1。 从每次观测的下沉值可得出如下图表示的最大下沉速度变化图.从图中我们看出每次测量的最大下沉值所在测点在变化,说明地面沉陷是一个动态的过程。总体上这种变化方向与随掘进方向一致,但中间过程也有反复。这说明地表沉陷是一个复杂的过程,不仅有向下的沉降,还有水平方向的移动,总体分析见后。
2．由南北向观测线的动态曲线图，求得5201工作面φ角,列表2—2。
表2—25201工作面最大下沉速度滞后角
点位
滞后距
开采深H（m）
滞后角φ（°）
备注
L滞（m）
A11
36。2
109。6
71.68726
tanφ=H/L滞
A26
21。4
104.1
78。33857
A50
24。5
108.7
75。27974
A63
37。1
110.4
70。01728
平均
29。7
108。3
74。67267
求得5201工作面滞后角φ=74。7°。即以向后0.3H距离为最大下沉速度位置。
3．为更好地说明最大下沉速度的关系与移动量之间的关系，选择南北向主断面接近充分采动区的A31点及A32点求得最大下沉速度分别为:vwmax51=162.25mm/d和vwmax52=159.5mm/d,而A31点和A32点的最大水平位移速度和最小水平位移速度分别为：vUmax31=68.95mm/d和vUmax32=61。39mm/d、vUmin31=—65.93mm/d和vUmin32=—40.28mm/d。
图2—1 A31、A32点的下沉和水平位移曲线
表2—3A31、A32点计算结果
次数
X
Y
Z
水平位移
天数/水平位移速度
下沉
天数/下沉速度
倾斜
曲率
变形
X方向水平位移
Y方向水平位移
1
4360323.895
37442683.927
1247.610
86。24722
2.874907
15
0.5
0。8735
-0.029
—1.9152
-43
86
2
4360323。982
37442684.015
1247.594
23.12088
—9。14079
6
-1.125
—0。715
0.107947
-1.27233
—21
13
3
4360324.069
37442684.102
1247。578
95.34796
38。08968
11
1.25
-0。079
0。09667
3.976197
—83
46
4
4360324.157
37442684。189
1247。562
82。31992
—39.9465
30
18。333
3。577
—0。11215
-0.79852
35
—74
5
4360324。244
37442684。276
1247.546
71。55978
68。94925
50
35
7。4877
-0。17907
1。093027
43
56
6
4360324。331
37442684。363
1247.530
43.46547
—8。98579
70
76.75
11.903
—0。29908
—2。74033
—21
37
7
4360324.418
37442684。451
1247。514
76.01614
—65。929
90
162。25
15。221
—0。59699
11.87927
—23
—64
8
4360324.506
37442684.538
1247.498
43。15942
33。2336
110
117。5
14。169
—0。63874
17。13
—29
-29
9
4360324.593
37442684。625
1247。482
79。08032
25。41862
129
42。75
13。388
—0.72141
19.27634
23
73
10
4360324。68
37442684。712
1247。466
81.17368
29.91411
149
56
10。308
—0.65754
19.59812
38
75
11
4360324.767
37442684。800
1247。450
58。24297
14。17324
169
34.5
7.385
-0.58401
19。52204
49
36
12
4360324。855
37442684.887
1247。434
45。29382
31.58475
189
39。333
2.996
—0。45208
17.37077
28
39
13
4360324.942
37442684。974
1247。403
63。57959
34。83221
207
10。5
1.129
—0。45102
14。38504
56
42

第二节 地表移动变形和角量参数的确定
一、地表变形最大值
根据5201工作面首次和最后一次观测成果,对两条观测线进行各种移动变形计算，并绘制观测成果图，详见附图2—2、附图2—3。将各观测线的移动变形最大值列于表2-4。
表2—45201工作面移动变形最大值统计表
观测线
移动变形最大值
南北向线
东西向线
最大下沉值W0（mm)
379
619
最大倾斜值i0(mm/M)
41.33
-42。22
68。59
—-49。55
最大水平移动U0（mm）
1445。83
-885。23
1011.47
—888.76
最大曲率值K0（10-3/M）
5.55
7。81
—3。28
-4。60
最大水平变形值ε0（mm/M）
63。25
55.59
—65。79
—60。03
说明

表中各种移动变形都比较小，这是本区特有的地质采矿等条件所决定的.
图2—2东西向线地表移动变形图
图2-3南北向线地表移动变形图
二、地表移动变形分布规律
1。走向线主剖面变形特征
因工作面推进距离原因,走向线未达到充分采动,接近于临界充分采动位置，今后根据推采进度继续进行观测分析。
2．倾向线主剖面变形特征
从倾向线的移动变形曲线上看,两者变形基本上为对称型，在两端地面下沉变化都比较平缓,但在拐点附近变化陡急.最大变形值相差也较小.从图形分布看大体符合常规。
三、地表移动稳定后的角量参数
1．移动角
利用主剖面上实测到的倾斜曲线、曲率曲线、水平变形曲线,分别求出移动盆地外边界i=3mm／m、K=0.2×10—3／m、ε=2mm／m的点,取其中最外边一个点，将松散层移动φ方向投引到松散层与基岩的接触面上，再与采空区边界连线，则该线与水平线在煤柱一侧的夹角，即为新求移动角.如矿区无松散层移动角时，一般取松散层移动角45°.在5201工作面具体条件下,如用φ=45°来求基岩移动角．所求基岩移动角均大于90°。故只能不分松散层和基岩层求综合移动角。
2．边界角与裂缝角
以地表下沉为10mm的位置为边界点,与采空边界连线在煤柱一侧和水平线所成夹角便是综合边界角：而裂缝角仍指在充分采动或接近充分采动的情况下，采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界的连线与水平线之间在煤柱一侧的夹角.
3．充分采动角与最大下沉角
充分釆动角指在充分采动情况下，移动盆地主断面上盆地平底边缘和工作面边界的连线与煤层之间在采空区内侧的夹角（ψ)。
最大下沉角（θ）指在移动盆地的倾斜主断面上,采空区中点与地表最大下沉点的连线与水平线之间在下山方向的夹角.5201工作面煤层倾角α=5。5°，缓倾斜煤层.按《三下规程》中硬覆岩公式θ=90-(0。6~0。7) α计算，θ值在86°42/—86009/ 之间,故取θ≈86025/。
按上述方法求得各主断面综合移动角、综合边界角、裂缝角、充分采动角,列于表2—5.
表2—55201工作面地表移动参数成果表
观测线
角别
走向线
倾斜线

下山
上山
综合
移动角
δ
66
β

γ

综合
边界角
δ0
69
β0
69
γ0
69
裂缝角
δ//

β//

γ//

充分
采动角
ψ3
69
ψ1
63
ψ2
69
最大
下沉角
θ
86025/

说明
最大下沉移动角θ，按规程覆岩中硬岩公式θ=90—(0。6—0。7）a计算，故5201工作面θ=86025/
四、松散层和基岩层移动角的确定
5201工作面煤层倾角很小，局部地区很难区分走向和倾斜方向,为此将所求得的综合移动角按走向移动角取平均值,将求得的平均值和平均值误差列于表2—7.
表2—7 按走向求移动角平均值统计表
走向
平均值
综合移动角δ
660
综合边界角δ0
690
裂缝角δ//

充分采动角ψ
690
除裂缝角误差较大外，其它平均值误差都在±20左右。故具备用解析法求松散层移动角φ的条件。
δ
图 基岩移动角的求取模型

益民矿区开采过程的地表测结果，给出松散层移动角，在此依此为基础按照关系求取基岩边界移动角.
如图2—4, 以为松散层移动线，按下式求基岩移动角δ
则 （1）
式中Li—为地表i=3mm／m、K=0.2×10—3／m、ε=2mm／m最外点到采空区边界水平距离(m).式中：h-采空区边界上方松散层垂厚(m）；H—为采空区边界基岩面到采空区底的高度（m）.
对益民煤矿5201工作面观测条件，开切眼附近埋藏深度为105m，松散冲积层厚度取均值25。0m，则基岩厚度为80m, 实测的Li=60m， 因此基岩移动角为
84.70
由此，益民煤矿5201工作面基岩移动角为84.70。如按地表无冲积层考虑，则基岩移动角为770.
3。地表移动的角量参数总结
将5201工作面按水平煤层求的各种移动角汇总并与《三下规程》和其它矿比较，列于表2-12.
5201工作面所求移动角在《三下规程》坚硬岩石范围之内.与其他矿区对比，因地质开采条件很难类同，角值有所差异，可作参考.松散层移动角介于530～64042//之间。与一般比较偏大一些。这与松散层特性有关，裂缝在一定程度阻隔了地表移动变形的传递，致使盆地边缘部分变形缓和。
第三章 益民煤矿5201工作面岩移观测研究总结
通过益民煤矿5201工作面现外业观测资料和内业的整理分析，除掌握了一般移动变形规律还取得了地表移动变形的定量参数。
1．回采过程中有关参数
求得起动距L=0。1H或回采面积达到30H㎡时地面开始移动；
超前影响角ω=74.50或L2=0。28H；
最大下沉速度滞后角φ=74。7或L3=0。3H。
2．地表移动的角量参数
因煤层倾角小于一度,故按水平煤层并取其平均值，综合边界角β0=γ0=δ0=690；综合移动角β=γ=δ=660；充分采动角ψ1=ψ2=ψ3=ψ4=690；最大下沉影响角θ=86025/，K=tgφ/2=0。59。松散层移动角φ=54053/；基岩移动角β=γ=δ=84。70。
3。地表下沉特征
5201工作面开采的地表下沉最大值平均为1097mm，下沉系数q为0。55；最大倾斜为imax=68.59mm/m；最大水平移动为Umax=1445mm；最大曲率K0max=7。81×10—3，最大水平变形为ε0max=—65。79mm/m 。
根据生产上的实际需要可利用上述资料预计地表移动变形情况和破坏程度，以及时空关系等，及时采取防范措施。用所求得移动角合理地留设井上下各种保安煤柱，确保安全生产，也为矿山压力 ”边三带”的研究提供了有关资料.无疑对矿区的开采和发展提供了重要的研究成果，也进一步为开展地表移动和岩移观测打下了良好的基础,本测站达了预期的目的。
研究成果是在5201工作面具体地质开采条件及开采进度下取得的，在相似的条件下有实际意义，在重复采动时或开采其他煤层时仍有重要的指导作用。