地表沉陷岩移观测研究报告

1、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编制：审批：矿长：日期：第一章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11951062m4-2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°17'45110°23'

2、;38北纬：39020'1039°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19.818km21、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170kmi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其梁之上，海拔标高为1260.2m,最低处

3、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13,一般在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

4、6.2C,最高气温36.6C,最低气温-20.6C,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45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

5、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，y）的5-2煤层，煤层倾角1-3°,平均1°、工作面圈定的煤层厚度1.211.478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一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30MPa属于软弱岩石，粉砂岩的单向抗压强度在4060MPa之问，多数为50MPa属

6、于半坚硬岩石，胶结不好的砂岩抗压强度小于30MPa属软弱岩层。胶结好的砂岩抗压强度介于4060MPq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一半坚硬岩石。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（Ji-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）

7、该组为煤系地层的沉积基底。具岩性主要为一套灰绿色中粗粒砂岩，局部含砾，火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51.59m177.74m,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33.25m130.55m,平均110.20m。与下伏地层延长组呈平行不整合接触。第一岩段（J.1）:该岩段从延安组底界到VI-1煤层顶界，厚

8、度10.59m38.44m,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。第二岩段（J1，y2）:该岩段从VI煤组顶界至V煤组顶界，厚度8.69m34.34m,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。第三岩段（Ji-2y3）:该岩段从V煤组顶界至IV煤组顶界，厚度9.49m32.14m,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

9、层编号分别为IV-2、IV-3,其中IV-2煤层可采。第四岩段（Ji-2y4）:该岩段从IV煤组顶界到出煤组顶界，厚度4.48m25.63m,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，含出煤组，煤层编号一层，即田-2煤层，不可采。j第五岩段（Ji-2y5）:该岩段从出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028.71ml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。R煤组在本区范围内已被剥蚀。3、第三系上新统（NO该组地层广泛出露于井田，主要岩性上部为土

10、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0-18.01m,平均11.55m。与下覆地层呈角度不整合接触。4、第四系全新统（Q）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019.61m,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

11、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，其时间问隔不超过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10mnW,即可认为地表已

12、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()DJi696DJ28139DJ618一24三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(

13、)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DJ1421015±100S,2±50vS占八、DJ2一、二级导线DJ2211515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

14、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（do）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（1/41/3）H,或采空面积达到（2533）Hmf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10mn*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

15、近上方地表的A5点发生29mmi勺下沉。故确定5201工作面的起动距为20ml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。、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般要求工作面到开切眼的距离不小于0.4H时，按下沉10mm©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2-15201工作面实测的超前影响角超前距L超(成采深h(m超前角(°)备注A75点30134.877.5tanw=H/L超平均3010874.

16、55201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#Wt进速度以及是否重复采动四、最大下沉速度及最大下沉速度滞后角小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。最大下沉滞后角用小表示：ctgL滞/H1 .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

17、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工作面小角，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米深H(nj)滞后角小(0)备注L滞(项A1136.2109.671.68726tan小=H/L滞A2621.4104.178.33857A5024.5108.775.27974A6337.1110.470.01728平均29.7108.374.67267求得5201工作面滞后角小=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

18、下沉速度分别为：Vwmax5=162.25mmd和Vwmax5=159.5mmd,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：Vumax3=68.95mmd和Vumax3=61.39mmd、Vumin31=-65.93mmd和Vumin32=-40.28mmd。图2-1A31、A32点的下沉和水平位移曲线表2-3A31、A32点计算结果次数XYZ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14360323.89537442683.9271247.61086.247222.874907150.50.8735-0.029-1.9152-4

19、38624360323.98237442684.0151247.59423.12088-9.140796-1.125-0.7150.107947-1.27233-211334360324.06937442684.1021247.57895.3479638.08968111.25-0.0790.096673.976197-8346443603241891247.56282.31992-39.94653018.3333.577-0.11215-0.7985235-7454360324.24437442684.2761247.54671.5597868.9492550357

20、.4877-0.179071.093027435664360324.33137442684.3631247.53043.46547-8.985797076.7511.903-0.29908-2.74033-213774360324.41837442684.4511247.51476.01614-65.92990162.2515.221-0.5969911.87927-23-6484360324.50637442684.5381247.49843.1594233.2336110117.514.169-0.6387417.13-29-2994360324.59337442684.6251247.4

21、8279.0803225.4186212942.7513.388-0.7214119.276342373104360324.6837442684.7121247.46681.1736829.914111495610.308-0.6575419.598123875114360324.76737442684.8001247.45058.2429714.1732416934.57.385-0.5840119.522044936124360324.85537442684.8871247.43445.2938231.5847518939.3332.996-0.4520817.37077283913436

22、0324.94237442684.9741247.40363.5795934.8322120710.51.129-0.4510214.385045642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父形最大值南北向线东西向线最大下沉值W(mm379619最大倾斜值io(mm/M41.33-42.2268.59-49.55最大水平移动U0(mrm1445.83-885.231011

23、.47-888.76最大曲率值Ko(10-3/M)5.557.81-3.28-4.60最大水平艾形值eo(mm/M63.2555.59-65.79-60.03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

24、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/mK=0.2X10-3/m£=2mrp/m的点，取其中最外边一个点，将松散层移动小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，如用小=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勺位置为边界点，与采

25、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采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（山）。最大下沉角(8)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a=5.5°,缓倾斜煤层。按三下规程中硬覆岩公式8=90-(0.60.7)a计算，8值在86°42/-86009/之间，故取8=8602

26、5/。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666Y综合边界角6069B069丫069裂缝角葭'c/Y充分采动角33693i633269最大下沉角986025/说明最大下沉移动角9,按规程覆岩中硬岩公式9=90-(0.6-0.7)a计算，故5201工#W9=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

27、均值统计表走向平均值综合移动角6660综合边界角60690裂缝角6充分米动角也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小的条件。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540536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540536为松散层移动线，按下式求基岩移动角6ctgi IhctgHT-(1)式中L为地表=3mm/mK=0.2X10-3/m£=2mim/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L二60m,因此基岩移动角为0= ctg= 84.7060-25ctg54