祁東煤礦7130工作面地表移動(dòng)規(guī)律研究

王傳武 ，陳增寶，邢海洋，苗小芒

(1.安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽淮南 232001;2.皖北礦業(yè)集團(tuán)臥龍湖煤礦，安徽淮北 235000)

1 引言

祁東煤礦是皖北煤電集團(tuán)公司所屬的大型現(xiàn)代化礦井，是國(guó)家“九五”建設(shè)項(xiàng)目和省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。礦井1998年10月開工建設(shè)，于2002年5月建成投產(chǎn)，可采儲(chǔ)量1.28億噸，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)噸，服務(wù)年限約為89.9年。7130工作面位于井田東翼一水平三采區(qū)，東以切眼為界，西以三采區(qū)上山巷道保護(hù)煤柱線為界，南北分別以風(fēng)、機(jī)巷為界。工作面沿走向布置，風(fēng)巷靠近“四含”防水煤柱。其中工作面起止標(biāo)高－370 m～－431 m，平均采深為 426 m，平均走向長(zhǎng)1 530 m，傾向?qū)?88 m～172 m，面積約18.4萬(wàn)m2，傾角平均約12.5°。

工作面老頂為淺灰色中砂巖，局部為細(xì)砂巖及砂泥巖互層，厚度為 8.41 m～20.75 m，平均約14.4 m，其上依次為泥巖(均厚 4.4 m)、63煤(均厚1.5 m)、泥巖(均厚 4 m)、中砂巖(均厚 12.31 m)。直接頂板為深灰色泥巖和細(xì)砂巖，厚度不穩(wěn)定約為0 m～3.7 m，平均厚 1.7 m。直接底版大多為深灰色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)致密且含植物碎片。地面標(biāo)高一般為+21.6 m，地勢(shì)較為平坦，其中大李莊和后橋村在采動(dòng)影響范圍內(nèi)。

2 移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)與觀測(cè)

為了能夠獲得科學(xué)、準(zhǔn)確、有代表性的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)線的布置應(yīng)完全滿足《觀測(cè)站設(shè)計(jì)書》的五大原則。根據(jù)觀測(cè)站設(shè)計(jì)原則，在7130工作面上方的地表共布置了兩條觀測(cè)線，走向觀測(cè)線長(zhǎng)度為 680 m，傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度為 1 220 m，共計(jì)約 1 900 m。根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》規(guī)定，煤礦開采工作面的移動(dòng)觀測(cè)站的控制點(diǎn)間距為 50 m，測(cè)點(diǎn)間距為 25 m，由兩條觀測(cè)線的長(zhǎng)度可得測(cè)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)76個(gè)，控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)5個(gè)，共計(jì)81個(gè)點(diǎn)。所有測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)全部由鋼筋和混凝土組成，而且鋼筋須露出混凝土樁的高度約為 5 mm。地表移動(dòng)觀測(cè)站的平面布置如圖1所示，開采工作面推進(jìn)進(jìn)度與觀測(cè)日期如表1所示。

圖1 地表移動(dòng)觀測(cè)站的平面圖

開采工作面推進(jìn)進(jìn)度與觀測(cè)日期 表1

在本次地表移動(dòng)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，在平面連接測(cè)量方面采用了D級(jí)GPS網(wǎng)控制，在原來(lái)已有的兩個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn)(FN3和G03)基礎(chǔ)上，又重新布置了D級(jí)GPS網(wǎng)，其網(wǎng)形如圖2所示。并且以G03水準(zhǔn)點(diǎn)為基點(diǎn)，分別向觀測(cè)線上的其他控制點(diǎn)引測(cè)三等水準(zhǔn)路線，采用單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)的方法，形成附合水準(zhǔn)網(wǎng)，其網(wǎng)形如圖3所示。

圖2 GPS網(wǎng)形圖

圖3 附合水準(zhǔn)網(wǎng)

在7130工作面開采之前和開采之后分別做了兩次全面觀測(cè)，并且全部采用全站儀(J6)導(dǎo)線，盤左盤右往返觀測(cè)水平角度，同一點(diǎn)的高程差值在這兩次觀測(cè)中均處于 10 mm之內(nèi)，同一邊長(zhǎng)的長(zhǎng)度差也均處于4 mm之內(nèi)，最后取兩者的算數(shù)平均值作為原始起算數(shù)據(jù)。7130工作面各個(gè)進(jìn)度開采動(dòng)態(tài)沉降曲線如圖4和圖5所示。

圖4 走向觀測(cè)線動(dòng)態(tài)沉降曲線

圖5 傾向觀測(cè)線動(dòng)態(tài)沉降曲線

3 地表移動(dòng)參數(shù)求取

3.1 動(dòng)態(tài)參數(shù)

在地質(zhì)采礦條件非常復(fù)雜的祁東煤礦，要想掌握地表移動(dòng)變形規(guī)律，動(dòng)態(tài)參數(shù)的求取是至關(guān)重要的，其包括起動(dòng)距、最大下沉速度滯后角、移動(dòng)超前影響角和開采因子。由具體的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)知，下沉盆地的起動(dòng)距約為 43.5 m，最大下沉速度滯后角約為78.34°。超前影響角ω可由公式ω=arcctg(l/H)計(jì)算，開采因子ρ可由公式ρ=l/H計(jì)算，最終的計(jì)算結(jié)果如表2所示，開采因子和超前影響角之間的關(guān)系如圖6所示。

超前影響角和開采因子 表2

圖6 開采因子與超前影響角關(guān)系圖

3.2 預(yù)計(jì)參數(shù)求取

在預(yù)計(jì)參數(shù)的求取過(guò)程中，本文主要采用了線性最小二乘法、非線性最小二乘法這兩種基本方法，對(duì)半觀測(cè)線、單觀測(cè)線、雙觀測(cè)線和水平移動(dòng)觀測(cè)序列反復(fù)進(jìn)行迭代求參，然后再根據(jù)擬合中誤差最小原則，最終所求的預(yù)計(jì)參數(shù)如表3所示。

預(yù)計(jì)參數(shù) 表3

然后用表3的預(yù)計(jì)參數(shù)計(jì)算傾向線和走向線上各個(gè)點(diǎn)的沉降量和水平移動(dòng)量，與實(shí)際測(cè)量的比較結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 走向線預(yù)計(jì)的下沉計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖8 走向線預(yù)計(jì)的水平移動(dòng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖9 傾向線預(yù)計(jì)的下沉計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖10 走向線預(yù)計(jì)的水平移動(dòng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

由以上的擬合計(jì)算結(jié)果可得以下幾個(gè)結(jié)論:①走向擬合的沉降中誤差為 21.1 mm，是最大值的1.3%;②傾向擬合的沉降中誤差為 20.3 mm，是最大值的1.1%;③走向擬合的水平移動(dòng)中誤差為 16.5 mm，是最大值的2.5%;④傾向擬合的水平移動(dòng)中誤差為25.4 mm，是最大值的2.6%。

4 結(jié)論

本文采用線性最小二乘和非線性最小二乘這兩種方法，分別對(duì)水平移動(dòng)觀測(cè)序列、下沉觀測(cè)序列進(jìn)行了反復(fù)迭代，得到了最適合的預(yù)計(jì)參數(shù)，初步掌握了祁東煤礦7130采區(qū)地下開采所引起的地表移動(dòng)與變形規(guī)律，研究結(jié)果可作為祁東煤礦未來(lái)地表沉陷所產(chǎn)生損害等級(jí)的預(yù)測(cè)、環(huán)境治理、土地復(fù)墾和“三下”開采的主要參考資料。

［1］國(guó)家煤炭工業(yè)部．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(cè)量手冊(cè)(下冊(cè))［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2001．

［3］ 何國(guó)清，楊倫，凌賡娣等．礦山開采沉陷學(xué)［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991．

［4］ 蔡懷恩．開采沉降預(yù)計(jì)的方法及發(fā)展趨勢(shì)［J］．露天采礦技術(shù)，2007(4):73～74．

［5］李德海，蘇美德，宋常勝．巨厚松散層下開采地表移動(dòng)特征研究［J］．煤礦開采，2002，7(3):50～52．