工业广场保安煤柱开采是资源将枯竭的煤矿所面临的问题。百善煤矿即将收尾，对工业广场保护煤柱进行开采，并建立了工广煤柱地表移动观测站，通过对实测资料进行详细的分析，获得了本矿区的地表移动变形规律，可为集团公司或者其它类似地质条件下的工业广场保护煤柱开采留设提供参考。

1 地形及地质构造

工广煤柱回收工作面位于工广保安煤柱西南部，该工作面北部为工广保安煤柱中心区域，南部以工广保安煤柱线为界，靠近615、677、6530、6540采空区。该工作面长362 m，宽135 m，两极煤厚2.0～4.0 m，平均煤厚3.0 m，容重1.42 t/m3，可采面积48772 m2，地质储量0.208 Mt，可采储量0.197 Mt。

工广煤柱工作面煤层倾角5°～14°，平均8°。煤层结构简单，以碎块状为主，内生裂隙发育，质较纯。该工作面煤厚变异系数为15%，煤层可采性指数为0.95。工作面上方地表主要有高压线路、矿运煤铁路、工广建筑及乡村小路，该工作面回采对上述构建物影响较大。

2 观测站的设置

工广煤柱布设一条走向观测线，详细位置见图1。走向观测线长度按下式计算：

 

式中：H0为平均开采深度，取260 m；h为松散层厚度，取140 m；δ为走向移动角，取61°；Δδ为走向移动角修正值，取20°；α为煤层倾角，取11°；Φ为 松散层

将上述数值代入公式得：S走向=750 m。

移动角，取40°；l为工作面走向长，取140 m。

百善煤矿工广煤柱属于厚松散层，松散层在采深中所占的比例较大，表土层对移动角、边界角的影响较大；当采深非常大时，由于采动不充分性增加，移动角、边界角增大。移动角、边界角与松散层厚度之间存在着较强的对数关系：松散层厚度占采深的比例越大，采动越充分，移动角、边界角越小，表现为反映地表移动主要影响范围的概率积分参数主要影响角正切tgβ较小。开采深度与采高比较大，工广煤柱南侧为采空区，复采导致岩层与地表的破坏程度加剧，地表出现了不均匀下沉并在工作面机风巷外侧形成了落差较大的台阶。

每次水准测量和导线测量工作结束后应检查外业手簿，计算所有观测点的高程和坐标。2016年6月24日进行第一次观测，到2017年2月27日共进行了42次水准观测，6次全面观测。根据观测值计算下沉值、倾斜、曲率、测点沿测线的纵向和横向水平移动及纵向水平变形，利用概率积分法求得工广煤柱开采地表移动参数如表1所示。

  

图1 观测线布置

3 观测站的观测

3.1 控制点观测

底层为沉积岩或结晶岩；沉积岩按石油钻井技术体系考虑，结晶岩破碎带、漏失带等，强致斜岩石；孔底地层温度约175℃，循环孔底温度约100℃。

3.2 连接测量

地表移动变形、下沉的速度与采高成正比，与采深成反比。工广煤柱工作面平均采深超过260 m，平均采高2.8 m，采深与采高比大。再加上工广煤柱风巷外测为615、6540和6541采空区，此前地表已经下沉，故本次地表下沉速度减缓，持续时间较长，最大下沉速度为40.6 mm/d。

覆盖材料：第1层(底层)为竹叶或稻草，厚度5 cm左右；第2层为有机肥(鸡粪或羊肥)+专用配方肥或复合肥，用量为50 kg/667 m2，忌用硫酸钾类复合肥；第3层为竹叶，厚度15 cm，以当年生新竹叶最佳；第4层(最上层)为砻糠，厚度20 cm，忌用稻谷灰、麦麸或糯稻砻糠。

3.3 全面观测

全面观测是确定测点空间位置的观测工作，即测定测点移动的全向量。全面观测在工作面采动之前进行了两次，如果两次观测结果误差：同一点的高程不大于10 mm，支距不大于30 mm，取两次的平均值作为观测站各测点的原始位置；地表移动进入活跃期进行了三次全面观测；在地表移动变形稳定后进行最后一次全面观测。

3.4 高程及点位观测

工作测点的高程用水准测量，采动前的水准测量按三等水准测量的要求观测，移动期间和采动后的水准测量均按四等水准测量的要求观测。加密水准测量应根据地表下沉速度和工作面推进速度而定。在地表移动变形的初始期和衰退期一般每隔10～15 d进行一次水准测量，在地表移动变形活跃期每隔2～3天进行一次水准观测，本次观测共进行了水准测量42次。

观测站观测基准点与工广区域内建筑物变形监测网采用同一套基准点，即平面采用四等GPS测量，高程采用二等水准测量。

在地表下沉之前对控制点、工作测点进行全面测量，计算各测点的坐标。将全站仪安置在一端控制点上，依次将棱镜安置在各观测点上，照准一次读数四次，互差不超过2 mm，取平均值；相邻两点改正后水平边长的两次限差为3 mm。运用工作测点每次测量的坐标与起始坐标计算工作测点的移动方向及位移量。

3.5 观测成果及整理

根据本次地表移动观测站的实际情况，在工广范围内布置观测线，以便观测工广范围内地表及建筑物下沉及变形情况。此次沿工广布置半条走向观测线，从办公楼近井点处沿路至物保部材料大棚附近，长度为392 m，控制点2个，编号顺序为近井点、A1，工作测点共计16个，间距20 m，编号顺序为：1，2……16。

 

表1 百善煤矿工广煤柱工作面实测数据反演概率积分参数

  

点偏距q=0.93 φ＝45° 1.5 56.7° 0

百善煤矿根据此前675工作面岩移观测站实测数据，求得我矿开采地表移动参数如表2所示。

 

表2 百善煤矿675工作面实测数据反演概率积分参数

  

下沉系数 松散层移动角主要影响角正切走向充分采动角 拐点偏距q=1.29 φ＝40° 1.7 58° 0.07H

通过两次数据对比可以看出，工广煤柱工作面呈现出地表移动下沉量较小，松散层移动角增大，主要影响角正切变小等特点。最大超前影响距实测为81 m（与预测相近），塌陷影响边界为工作面外156 m（与预测221 m相差大）。工广煤柱工作面回采过程中，走向主断面最大下沉点15号测点下沉了2645 mm（与预测3557 mm相差大）。百善煤矿松散层较厚，煤层顶板岩性较弱，属于软质岩，因而拐点偏距较小，近似为0，这反映出工广煤柱地表下沉存在自身的运行规律。

4 地表移动变形规律及特点

4.1 地表移动下沉速度与采深、采高的关系

控制点与基准点间的平面连接测量采用城市一级光电测距导线施测，高程连接测量采用往返测支水准线路的方式，按三等水准测量要求施测。

4.2 工作面地表移动下沉影响因素

运用系统广义矩阵GMM估计法来检验不同类型的环境规制以及不同区域、不同类型的环境规制与产业升级之间的关系。设定如下计量模型：

采用SPSS 18.0统计学软件的数据进行处理，计数资料以百分数（%）表示，采用x2检验，计量资料以“±s”表示，采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

5 地表移动期分析

对于地表移动期，我国《煤矿测量规程》规定，地表的移动过程可分为初始期、活跃期和衰退期三个时期。从地表最大下沉点累计下沉10 mm时算起到地表下沉速度达50 mm/月止，这段时间称初始期；把下沉速度超过50 mm/月的时间称为活跃期；从活跃期后到连续6个月观测下沉小于30 mm的这段时间称为衰退期。

2016年6月30日进行水准观测时，最大下沉点14下沉了12 mm，2016年7月28日，最大下沉点14累计下沉了61 mm，故初始期为31天；活跃期从2016年7月30日开始，经过观测数据的整理和计算，一直持续到2017年2月15日，共计201天；2017年2月底百善矿关井闭坑，人员分流，故本次观测停止，衰退期无法观测。

6 结语

通过对观测线的布设、观测及计算，取得了适合本矿工广煤柱地表移动参数及规律，同时以本次观测成果为依据，可及时预警采空区塌陷强度和地表破坏程度，因地制宜地采取工程措施，防患于未然；同时也为工广保护煤柱的合理留设提供了技术依据。

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