重復(fù)開采地表變形規(guī)律的分析與研究

【摘要】根據(jù)山東老礦區(qū)某井田開采情況，通過對(duì)礦井地表觀測(cè)資料和巡查記錄的整理與分析，求取出了不同區(qū)域開采地表移動(dòng)變形參數(shù)，對(duì)重復(fù)開采后斷層、褶曲影響規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，完善了井田變形規(guī)律，不僅豐富了礦井礦巖移成果，又為今后工作面開采提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】地表變形規(guī)律分析研究

1、概況

山東大部分礦井都是多層煤賦存采區(qū)，分為上層煤和下層煤。上層煤有2、4、6層，下層煤11、13、15層。多數(shù)礦井的開采方式采用的是多層開采，通常采用先采上部層煤，再采下層煤，采完一個(gè)工作面，再采下一個(gè)工作面，就是在前一個(gè)基礎(chǔ)上再次開采，統(tǒng)稱重復(fù)采動(dòng)。重復(fù)采動(dòng)是巖層和地表受到地下采礦的影響而產(chǎn)生的移動(dòng)變形后，在原有的采空區(qū)或相鄰的層位再次開采，是巖層和地表再一次變形移動(dòng)的現(xiàn)象。山東煤礦如泰安市寧陽縣山東亨達(dá)煤業(yè)有限公司也是一座老礦區(qū)，開采時(shí)間長(zhǎng)。隨著開采深度、強(qiáng)度的增加，新開采的工作面受到老采區(qū)的影響，可以說重復(fù)采動(dòng)在以后的開采過程中將成為主要的采動(dòng)方式。但重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表下沉等地質(zhì)環(huán)境、地面建筑都會(huì)造成很大的危害，甚至?xí){到人民群眾的生命安全，如何研究重復(fù)采動(dòng)條件下的地表下沉，是值得深入研究和討論的問題。如山東某礦區(qū)一礦井田東部七采區(qū)上組煤及十一層煤已基本全部開采結(jié)束，地表已達(dá)充分采動(dòng)狀態(tài)?，F(xiàn)在主要開采十三層煤，在工作面開采前在東翼建立了地表移動(dòng)變形觀測(cè)站。采取了剖面法觀測(cè)，同時(shí)將觀測(cè)線路延長(zhǎng)，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)展繪在航測(cè)圖上進(jìn)行對(duì)比，得出了地表最大下沉值及邊界影響最小值，求出了部分地表變形參數(shù)。在地表斑裂線沉陷區(qū)附近設(shè)置了多組觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)其發(fā)展變化規(guī)律，收集到了大量數(shù)據(jù)，研究出了重復(fù)開采地表變形變化規(guī)律。

2、地表移動(dòng)變形規(guī)律

（1）變形參數(shù)分析

七采區(qū)上組煤開采結(jié)束后，采取了在地表移動(dòng)變形盆地沿原有觀測(cè)線實(shí)測(cè)原觀測(cè)點(diǎn)位置，再采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法觀測(cè)到了地表最終下沉數(shù)據(jù)，通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的重新核實(shí)計(jì)算、原觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度分析、觀測(cè)成果取舍、以及每次觀測(cè)時(shí)所對(duì)應(yīng)的井下開采范圍，采用繪圖與計(jì)算相結(jié)合的方法求得了地表移動(dòng)變形穩(wěn)定后的部分參數(shù)，其數(shù)值如下：

上組煤采后變形參數(shù)十一煤采后變形參數(shù)

1、上山方向移動(dòng)角： γ=70度 γ=65度

2、走向方向移動(dòng)角： δ=70度 δ=65度

3、下山方向移動(dòng)角： β=66度 β=60度

4、裂縫角： δ’=71度 δ’=56度

5、充分采動(dòng)角： Φ=52度 Φ=50度

6、最大下沉系數(shù)： q=0.65 q=0.7

7、水平移動(dòng)系數(shù)： b=0.33 b=0.33

8、主要影響角正切 tgβ=2.7 tgβ=3.0

9、走向拐點(diǎn)偏移距：S=0.04H0

（2）七采區(qū)變形分析

根據(jù)開采沉陷預(yù)計(jì)，建筑物附近最大下沉值為850mm，最大水平變形為1.0mm/m，最大傾斜變形為2.0mm/m，地表下沉系數(shù)為0.6，對(duì)建筑物的變形雖小于Ⅰ級(jí)變形，但已接近臨界值，一般建筑物的抗變形能力較差，往往建筑物的變形等級(jí)大于地表實(shí)際變形等級(jí)，部分建筑物的變形等級(jí)會(huì)超過Ⅰ級(jí)。

根據(jù)井田東翼向斜構(gòu)造對(duì)地表的影響規(guī)律分析，當(dāng)七采區(qū)工作面開采后，由于重復(fù)開采會(huì)在地表形成明顯的斑裂線，斑裂線附近有寬裂縫和臺(tái)階，對(duì)建筑物的影響較嚴(yán)重。

（3）71310工作面地表變形分析

71310工作面由于面積較小，當(dāng)工作面開采結(jié)束時(shí)，地表才開始有下沉變化，根據(jù)觀測(cè)資料計(jì)算：

下沉系數(shù)：q=0.03

傾向采動(dòng)系數(shù)：n1=0.24

走向采動(dòng)系數(shù)：n2=0.31

最大下沉速度： v=0.28mm/d

地表超前影響不明顯，在工作面快開采結(jié)束時(shí)，地表開始有下沉現(xiàn)象，工作面走向、傾向均為非充分采動(dòng)。

3、斷層對(duì)地表移動(dòng)變形的影響

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出上組煤開采后斷層對(duì)地表變形影響有以下規(guī)律和特點(diǎn)：

（1）斷層露頭位置與平面位置誤差最大不超過25米，地面臺(tái)階位置基本吻合。

（2）形成上下盤下沉值的大小，主要是由開采哪個(gè)盤位形成離層位置決定的。

（3）臺(tái)階的大小用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和實(shí)測(cè)對(duì)比基本吻合。

（4）臺(tái)階的大小與斷層落差關(guān)系密切，近似呈正比關(guān)系。

（5）根據(jù)開采深度達(dá)500米時(shí)，地表仍會(huì)產(chǎn)生大于0.6米的臺(tái)階實(shí)測(cè)資料分析，地面臺(tái)階大小與開采深度近似成正比關(guān)系，比例系數(shù)為0.003。

十三層煤開采后斷層變化規(guī)律：

（1）根據(jù)理論分析和計(jì)算結(jié)果分析，地表出現(xiàn)臺(tái)階的位置并不在斷層露頭的正上方，這和斷層傾角、臺(tái)階位置與下沉盆地相對(duì)關(guān)系有關(guān)。

（2）地表水平移動(dòng)在斷層露頭處有一個(gè)水平移動(dòng)系數(shù)。一般情況下，這一突變形式表現(xiàn)為水平移動(dòng)曲線的“似落差”，與下沉落差相反。這樣，在斷層附近有一強(qiáng)變形帶形成，其變形值為正常值的12倍左右，出現(xiàn)拉裂破壞。

（3）在相同條件下，采區(qū)位于斷層上盤對(duì)地表產(chǎn)生的影響比采區(qū)位于下盤要大。

（4）斷層引起臺(tái)階的大小與開采厚度、開采煤層截面積、上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)、開采所在的斷層上下盤位置、采深、斷層性質(zhì)、斷層傾角、斷層落差、斷層帶的膠結(jié)程度等因素有關(guān)。

4、褶曲對(duì)地表移動(dòng)變形的影響

在七采區(qū)十三層開采過程中，在地下開采區(qū)上方地層表面出現(xiàn)了三條斑裂線，斑裂線周圍的地表出現(xiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)的裂縫，裂縫最大寬度在0.2-0.25米之間，斑裂線呈東西走向，斑裂線總的延伸長(zhǎng)度略小于采空區(qū)長(zhǎng)度，地勢(shì)呈北高南低趨勢(shì)。

七采區(qū)斑裂線位置分別在向斜、背斜軸的軸部附近方向沿軸向方向。隨著采煤工作面的不斷向前推進(jìn)，裂縫沿軸向方向不斷向前延伸，其影響范圍小于采空區(qū)對(duì)地表的影響。其范圍斑裂線經(jīng)過的地方出現(xiàn)裂縫和臺(tái)階與斷層對(duì)地表的影響規(guī)律相反。傾角不大的背斜在地表也形成明顯的斑裂線，房屋出現(xiàn)裂隙但裂縫和臺(tái)階較向斜引起的斑裂線弱，破壞程度與正常情況相比較嚴(yán)重，破壞現(xiàn)象與斷層對(duì)房屋的影響特點(diǎn)基本相同。

上組煤開采后斑裂線最大裂隙帶寬在0.2米，十三層煤開采后裂縫增加不明顯，臺(tái)階增大0.4米，斑裂線的長(zhǎng)度沒有增加。后組煤開采后，斜向構(gòu)造引起的斑裂線位置沒有發(fā)生變化，臺(tái)階增大。背斜構(gòu)造影響的斑裂線變化不明顯，只在落差最大處臺(tái)階增加約0.15米。其余區(qū)域幾乎無變化。這說明向斜構(gòu)造比背斜構(gòu)造對(duì)地表的影響嚴(yán)重，出現(xiàn)的裂縫和臺(tái)階都比背斜大。

5、意義

分析總結(jié)出的重復(fù)開采地表沉陷規(guī)律研究成果，不但為協(xié)莊煤礦在以后“三下”采煤開采設(shè)計(jì)中提供了客觀的科學(xué)依據(jù)，而且更為其它兄弟礦井地表移動(dòng)變形規(guī)律的研究及對(duì)“三下”壓煤開采起到借鑒和指導(dǎo)作用，該項(xiàng)成果具有良好的推廣應(yīng)用前景和較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。