工作面巖移觀測站技術(shù)成果分析

孫勁松

（遼寧省工程技術(shù)學(xué)校，遼寧 沈陽 110034）

1 概述

東曲礦是一座新投產(chǎn)的特大型現(xiàn)代化礦井，礦井投產(chǎn)以來，雖建立過一系列巖移觀測站，但在2號煤采出后重復(fù)開采4號煤工作面時未建立過地表巖移觀測站，未能全面求取東曲礦4號煤復(fù)采情況下的各項巖移參數(shù)，嚴重制約、限制著礦井的生產(chǎn)。為求取東曲礦4號煤復(fù)采情況下的實際巖移參數(shù)，為分析本礦井范圍內(nèi)地表移動規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后的礦井設(shè)計、生產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)，東曲礦地測科于2003年在14402工作面上方建立了一個地表巖移觀測站。

該觀測站位于東曲礦14402工作面上方。14402工作面是東曲礦四采區(qū)第一個4號煤工作面，上覆12402工作面采空區(qū)。4號煤直接底為粉砂巖，厚2.75米。偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.2米，直接頂細砂巖，厚10.6～11.6米。地面標高1210～1336米，工作面底板標高968～1026米，蓋山厚度184～340米，地面小部分地段覆蓋第二系黃土，厚0～30米，大部分地段為裸露基巖和風(fēng)化堆積場。從掘進揭露的幾個斷層看，均為小斷層，預(yù)計不會對地表移動形態(tài)產(chǎn)生明顯影響。該工作面為綜采工作面，采煤方法為傾斜長壁，頂板自然跨落。

2 地表與巖層移動概述

2.1 相關(guān)的基本概念

a.彎曲，當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙龊?，從其直接頂?shù)降乇韺⒀仄饘永淼姆ň€方向彎曲。彎曲是巖移的主要形式。b.冒落，煤層被采出后其上覆巖層最初的彎曲達到一定限度后，其直接頂板巖層將與整體分開，破碎成小的巖塊而落下來充填采空區(qū)，這種移動形式稱為冒落。冒落是巖移中最劇烈的一種形式。c.片幫，煤層采出后，采空區(qū)頂板巖層內(nèi)出現(xiàn)懸空，其壓力便轉(zhuǎn)移到煤壁上，形成增壓區(qū)，煤壁在附近加載荷的作用下，一部分被壓碎并垮向采空區(qū)，這種現(xiàn)象稱為片幫。片幫將使采空區(qū)邊界以外的上覆巖層與地表產(chǎn)生移動。d.巖石沿層面的滑動，當(dāng)煤層傾斜時，巖石的自重力方向與巖層的層理面不垂直，巖石除產(chǎn)生沿其法向的彎曲外，還將產(chǎn)生沿層理方向的滑動。e.垮落巖石的下滑，當(dāng)煤層傾角較大時，上山部分回采過后，這時開采下山部分的煤層，上山部分的垮落巖石可能下滑充填下山部分的采空區(qū)，從而使上山部分的巖層和地表移動加劇，下山部分巖層移動減弱。f.底鼓，如果煤層底板巖石很軟且傾角較大，在煤層采出后，底板在垂直方向減壓，水平方向減壓，造成底板向采空區(qū)方向隆起的現(xiàn)象，稱為底鼓。

2.1.2 地表移動盆地

當(dāng)開采影響波及到地表之后，受采動影響的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個比采空區(qū)面積大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷區(qū)域稱為地表移動盆地，其大小和形狀主要與煤層傾角、采空區(qū)的大小和采深是否達到充分采動有關(guān)。所謂充分采動是指地下煤層采出后，地表下沉值達到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值。

2.2 移動盆地的主斷面

地表移動盆地內(nèi)各點的移動和變形雖不完全相同，但在一般情況下，移動和變形的分布是有規(guī)律的。通常狀況下，通過采空區(qū)中心與煤層走向平行或垂直的斷面上的地表移動值最大，該斷面我們稱為移動盆地的主斷面。在主斷面上不僅移動量最大，而且地表移動盆地的范圍也是最大的。因此，在研究煤層開采引起的地表移動和變形分布的規(guī)律時，在很多情況下我們只研究主斷面上的地表移動和變形。

2.3 地表移動盆地的邊界角、移動角和裂縫角

在地表移動盆地內(nèi)不同區(qū)域移動和變形的程度不同，根據(jù)地表移動和變形的程度和實際需要，將移動盆地劃分為三個邊界。

a.移動盆地的最外邊界

以地表移動和變形都為零的點圈出的邊界，稱為移動盆地的最外邊界。

b.危險移動邊界

采用仿真的手段，使用Matlab/Simulink模塊搭建純電動船的能量消耗模型。并用該模型得到一個典型周期的能量消耗量。模型主要包括儲能裝置模塊、負載模塊以及能量管理模塊。

危險移動邊界是以地表移動與變形對建筑物有無危害而劃分的邊界。

c.移動盆地的裂縫邊界

裂縫邊界是根據(jù)移動盆地內(nèi)最外側(cè)的裂縫圈定的邊界。

2.4 保護煤柱的留設(shè)

保護煤柱是指為保護煤層上方的巖層和地表的保護對象不受開采的影響，而在井下留設(shè)的不予開采的部分煤層。通過留設(shè)保護煤柱雖可保護其上部的巖層和建筑物等，但留設(shè)的煤柱將暫時甚至永遠不能采出，造成了大量煤炭資源的浪費，而且留設(shè)保護煤柱將增大采掘工程量、使采掘工作復(fù)雜化。保護煤柱的留設(shè)方法：保護煤柱留設(shè)原理是在受護對象下方留出一部分煤炭不予開采，使其周圍煤炭的開采對受護對象不產(chǎn)生危險性的移動和變形。確定保護煤柱邊界的方法有垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標高投影法等。常用的垂直剖面法分為三個過程，確定受護邊界；確定圍護帶的寬度；確定保護煤柱的邊界。

3 觀測站的觀測情況

觀測站共布置四個控制點，采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)與礦區(qū)控制網(wǎng)連接，求取其三維坐標，按四等控制網(wǎng)的精度要求施測，高程系統(tǒng)按等外水準的精度要求施測。

觀測點埋設(shè)10天后，我科組織人員進行了一次全面觀測，獲取了各觀測點的三維坐標，到工作面安裝完畢進行回采后，進入起動距前，進行了首次觀測。在地表移動初期及活躍期，觀測時間間隔為30天，以后逐漸拉長時間間隔，直至地表穩(wěn)定為止。由于受地形條件的限制，觀測點的觀測采用主、副點觀測，根據(jù)地形的實際情況，選擇 10、14、23、24 作為主點，其余觀測點為副點。每次觀測時，從兩個控制點起始，通過各主點附和至另外兩個控制點，形成一條附和導(dǎo)線，按5秒導(dǎo)線的精度要求進行施測。在進行平面控制的同時，采用光電測距高程導(dǎo)線代替直接水準的方法觀測各主點，以三角高程測量的方法觀測各副點，以全面求取各觀測點的三維坐標。

到工作面移動穩(wěn)定為止，我科對觀測點總共觀測7次，每次觀測均嚴格按照《煤礦測量規(guī)程》進行，成功地取得7次觀測成果，并記錄了地表破壞情況。

4 地表移動觀測資料的計算及整理分析

14402工作面地表移動觀測站從建站到最后一次觀測歷時近一年，共進行了7次觀測，掌握了寶貴的外業(yè)資料。外業(yè)工作結(jié)束后，立即對觀測資料進行了分析，按地表下沉10mm確定的綜合移動角為：

β（15-1）=62°β（15-26）=55°

原采用的綜合移動角為：β=68°

通過以上分析結(jié)果可以看出，重復(fù)開采時的綜合移動角明顯小于開采2號煤時的綜合移動角，而且沿煤層走向方向上14402工作面范圍小于12402工作面，走向方向綜合移動角也比較大，沿煤層傾向方向上14402工作面范圍大于12402工作面，傾向方向綜合移動角也比較小（工作面布置情況見附圖）。經(jīng)過分析，我們可以得到以下經(jīng)驗：

4.1 開采上層煤時上覆巖層已經(jīng)冒落、斷裂、彎曲并最終穩(wěn)定，但是巖層的結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞。重復(fù)開采下層煤時必將影響地表巖層移動，從而使井下開采波及到地表更大的范圍。在一定程度上可以將上覆巖層視為松散層。尤其是下層煤開采范圍大于上層煤開采范圍時。

4.2 在層間距很小時，重復(fù)開采下層煤必然使頂板冒落，和上層煤采空區(qū)連成一個整體。因此，我們應(yīng)該將兩層以及層間距統(tǒng)一看作采厚處理。我們在重復(fù)開采情況下留設(shè)地表建筑物保護煤柱時，應(yīng)該充分考慮以上因素。

5 觀測站建立的實際意義

通過14402工作面巖移觀測站的建立、觀測以及分析，使我們掌握了東曲礦在重復(fù)開采情況下地表移動的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及移動的基本規(guī)律。并且可以為整個西山礦區(qū)的地表移動提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

14402工作面巖移觀測站的建立，為我礦今后下組煤開采時保護煤柱的留設(shè)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對地表建筑物等免受或少受開采的有害影響具有重要意義，尤其是東曲礦這樣的多煤層礦井更是具有不可估量的現(xiàn)實意義。

[1]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2]煤炭工業(yè)部生產(chǎn)司.煤礦測量手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1989.

[3]高井祥，張書畢.測量學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.