小工作面開(kāi)采地表下沉系數(shù)探討

成 樞 隋冰冰 王 濤

(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

小工作面開(kāi)采地表下沉系數(shù)探討

成 樞 隋冰冰 王 濤

(山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

生產(chǎn)實(shí)踐中，受采煤技術(shù)、地質(zhì)條件等因素的影響，所開(kāi)采的工作面往往是煤層走向或傾向不能同時(shí)達(dá)到充分采動(dòng)，因此面臨的問(wèn)題是如何將小工作面開(kāi)采條件下的概率積分法計(jì)算參數(shù)換算為充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)條件下的計(jì)算參數(shù)，對(duì)于下沉系數(shù)的修正又是小工作面概率積分法計(jì)算參數(shù)的關(guān)鍵所在。通過(guò)對(duì)比某礦地質(zhì)條件相似的不同工作面下的計(jì)算參數(shù)后，表明現(xiàn)有的下沉系數(shù)修正規(guī)律適用于某礦區(qū)。

小尺寸工作面 充分采動(dòng) 下沉系數(shù) 計(jì)算參數(shù)

小尺寸工作面開(kāi)采地表沉陷預(yù)計(jì)一直是礦區(qū)工作者所關(guān)心的問(wèn)題，開(kāi)采沉陷的預(yù)計(jì)方法有概率積分法、典型曲線(xiàn)法、剖面函數(shù)法等方法，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者幾十年的大量研究，概率積分法預(yù)計(jì)模型被我國(guó)學(xué)者所采用，廣泛地應(yīng)用于礦區(qū)的開(kāi)采沉陷研究當(dāng)中。但在非充分采動(dòng)或極不充分采動(dòng)時(shí),由于巖層結(jié)構(gòu)對(duì)地表沉陷有一定的控制作用,偏離概率積分法模型的假設(shè)較遠(yuǎn),此時(shí)如不對(duì)其進(jìn)行修正。預(yù)計(jì)結(jié)果往往不再適用[1]。下沉系數(shù)又是概率積分法模型中的關(guān)鍵參數(shù)，運(yùn)用概率積分法求取小尺寸工作面的角值參數(shù)時(shí)，存在的問(wèn)題是如何將下沉系數(shù)進(jìn)行修正，通過(guò)對(duì)某煤礦地質(zhì)條件相似工作面的下沉系數(shù)依據(jù)現(xiàn)有規(guī)律進(jìn)行修正，進(jìn)而求取工作面的概率積分法計(jì)算參數(shù)，對(duì)比計(jì)算參數(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了現(xiàn)有的下沉系數(shù)修正規(guī)律符合該礦區(qū)。

1 小尺寸工作面概況

7269工作面為西九采區(qū)首采工作面，工作面標(biāo)高為-729～ -805 m，工作面走向長(zhǎng)度864 m，傾向長(zhǎng)度170 m，煤層傾角7～12°，平均9°?；夭蓵r(shí)間為2010年10月25日至2011年9月13日，平均每天開(kāi)采推進(jìn)距離為2.7 m。7267工作面標(biāo)高-730～-775 m，走向長(zhǎng)度930 m，傾向長(zhǎng)度160 m，煤層傾角7～12°，平均9°?；夭蓵r(shí)間為2013年3月1日至2013年10月30日，平均每天開(kāi)采推進(jìn)距離為3.7 m。從2個(gè)工作面的尺寸可以發(fā)現(xiàn)均為小尺寸工作面的開(kāi)采，7269、7267工作面相對(duì)位置以及工作面地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站布置如圖1所示。

2 工作面開(kāi)采地表移動(dòng)實(shí)測(cè)情況及資料處理

2.1 工作面實(shí)測(cè)情況

綜合考慮7269、7267工作面開(kāi)采的影響范圍以及各測(cè)線(xiàn)相應(yīng)的控制測(cè)點(diǎn)的布設(shè)問(wèn)題，根據(jù)測(cè)站設(shè)計(jì)，部分觀(guān)測(cè)線(xiàn)所在的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)及位置如下。

圖1 7269、7267工作面地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站布置

第1條觀(guān)測(cè)線(xiàn)：位于鐵路上有A1-A3共3個(gè)控制點(diǎn)；位于村莊道路上的編號(hào)1～19共19個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度484 m；位于村莊內(nèi)的編號(hào)20～29共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，共241 m。

第2條觀(guān)測(cè)線(xiàn)：位于農(nóng)田的編號(hào)222～229、231～232共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度298 m；位于村莊內(nèi)的編號(hào)204～209、234～233、210～221共20個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度645 m。

第3條觀(guān)測(cè)線(xiàn)：位于農(nóng)田的編號(hào)115、156～177、179～185共30個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度939 m。

第4條觀(guān)測(cè)線(xiàn)：位于村莊內(nèi)的編號(hào)113～128共16個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度481 m。

同時(shí)，7269和7267工作面均布設(shè)了GPS控制網(wǎng)和一級(jí)導(dǎo)線(xiàn)。其中，7269工作面分別在2010年11月、2011年4月、2012年3月進(jìn)行了3次沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)測(cè)量，水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)周期為2010年11月30日至2012年4月17日，共31期沉降數(shù)據(jù)資料。7267工作面分別在2013年1月、2013年9月和2014年5月進(jìn)行了3次沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)測(cè)量，水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)觀(guān)測(cè)周期為2013年2月8日至2014年4月22日，共25期沉降數(shù)據(jù)資料。

2.2 工作面實(shí)測(cè)資料數(shù)據(jù)處理

將各觀(guān)測(cè)站所針對(duì)的主要開(kāi)采工作面的基本條件和實(shí)際觀(guān)測(cè)資料，利用參數(shù)識(shí)別的方法，求出各觀(guān)測(cè)站的地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)，并分析出計(jì)算參數(shù)的可靠性。同時(shí)，對(duì)各非充分采動(dòng)條件下的觀(guān)測(cè)站資料，利用求取的計(jì)算參數(shù)，模擬計(jì)算出本地質(zhì)開(kāi)采條件下充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)時(shí)的地表移動(dòng)變形。

2.2.1 地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)

概率積分法是因其所用的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)公式中含有概率積分(或其導(dǎo)數(shù))而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，所以又叫隨機(jī)介質(zhì)理論法。

隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申于上世紀(jì)50年代引入巖層移動(dòng)研究，后由我國(guó)學(xué)者劉寶琛、廖國(guó)華等發(fā)展為概率積分法。經(jīng)過(guò)我國(guó)開(kāi)采沉陷工作者幾十年的研究，目前已成為我國(guó)較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計(jì)方法之一[6]。因此基于概率積分法的理論，對(duì)7269、7267工作面進(jìn)行了開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 7267、7269工作面概率積分法計(jì)算參數(shù)

將概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明了概率積分法計(jì)算參數(shù)的可靠性。7269、7267工作面預(yù)計(jì)情況與實(shí)測(cè)情況對(duì)比如圖2、圖3所示，曲線(xiàn)1為實(shí)測(cè)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為預(yù)計(jì)曲線(xiàn)。

圖2 7267工作面觀(guān)測(cè)線(xiàn)下沉曲線(xiàn)擬合

圖3 7269工作面觀(guān)測(cè)線(xiàn)下沉曲線(xiàn)擬合

2.2.2 概率積分法下沉系數(shù)修正

由于7269、7267工作面具有小尺寸采空區(qū)的特點(diǎn)，因此在求取工作面的角值參數(shù)時(shí)需要對(duì)下沉系數(shù)進(jìn)行修正，文獻(xiàn)[2]中給出了針對(duì)小尺寸采空區(qū)下沉系數(shù)修正系數(shù)規(guī)律表，如表2所示。

表2 小尺寸采空區(qū)下沉系數(shù)修正系數(shù)K值

根據(jù)表2中提供的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)這些離散點(diǎn)的走勢(shì)符合指數(shù)函數(shù)的規(guī)律，因此運(yùn)用曲線(xiàn)擬合的基本理論，對(duì)表2進(jìn)行了公式化表達(dá)形式，如公式(1)所示：

(1)

式中，D3為工作面的長(zhǎng)度，r為主要影響半徑。

采用指數(shù)模型對(duì)下沉系數(shù)進(jìn)行修正后，7267、7269工作面充分采動(dòng)條件下的下沉系數(shù)為0.52和0.56,7267和7269工作面充分采動(dòng)條件下的下沉系數(shù)為0.54，從這3個(gè)數(shù)值可以看出地質(zhì)情況相似的工作面利用修正模型求取出來(lái)的充分采動(dòng)下沉系數(shù)變化不大，進(jìn)一步表明下沉系數(shù)修正系數(shù)規(guī)律適用于此礦區(qū)，并可將下沉系數(shù)修正系數(shù)指數(shù)模型應(yīng)用于和工作面地質(zhì)條件相似的其他礦區(qū)中。

3 結(jié) 論

運(yùn)用概率積分法對(duì)7269、7267小尺寸工作面開(kāi)采沉陷進(jìn)行了預(yù)計(jì)，將概率積分法參數(shù)中的下沉系數(shù)根據(jù)現(xiàn)有修正系數(shù)規(guī)律換算成充分采動(dòng)條件對(duì)應(yīng)的下沉系數(shù)。對(duì)比地質(zhì)條件相似工作面充分采動(dòng)條件下的下沉系數(shù)后，表明現(xiàn)有下沉系數(shù)修正系數(shù)規(guī)律符合該地質(zhì)條件下的礦區(qū)，同時(shí)修正系數(shù)指數(shù)模型為其他地質(zhì)條件相似的礦區(qū)提供了參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Discussion on Surface Subsidence Coefficient of Small Mining Face

Cheng Shu Sui Bingbing Wang Tao

(CollegeofGeomatics，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China)

In production practice，influenced by coal mining technology，geological conditions and other factors，the working face cannot achieve full mining at the same time in coal seam strike or dip.So，the issue faced is how to convert some calculation parameters of probability integral method under the condition of small face mining into parameters under full or close to full mining conditions.Also，correction in factor of subsidence is the key to calculate the parameters by small-face probability integration method.After contrast on calculating parameters of different working faces under similar geological conditions，it is indicated that the correction rules of existing subsidence coefficient is applicable to this mining area.

Small face，F(xiàn)ull mining，F(xiàn)actor of subsidence，Calculation parameters

2015-03-03

成 樞(1963—)，男，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD823

A

1001-1250(2015)-04-071-03