古交礦區(qū)重復(fù)采動(dòng)沉陷規(guī)律及沉陷參數(shù)分析

趙燕兵(1.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051； 2.西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

·專題綜述·

古交礦區(qū)重復(fù)采動(dòng)沉陷規(guī)律及沉陷參數(shù)分析

趙燕兵1,2
(1.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051； 2.西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

為分析古交礦區(qū)18207工作面重復(fù)采動(dòng)后的地表各個(gè)沉陷參數(shù)，將計(jì)算機(jī)和遙感測(cè)量技術(shù)(ArcGIS平臺(tái)量測(cè)和DInSAR監(jiān)測(cè))應(yīng)用到了地表沉陷監(jiān)測(cè)中?；贏rcGIS平臺(tái)量測(cè)和DInSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果確定工作面的回采位置和工作面的平均采深并將上述ArcGIS觀測(cè)結(jié)果與DInSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總，計(jì)算得到18207工作面開采沉陷參數(shù)：超前影響角62.98°，下山邊界角59.33°，走向邊界角50.72°，最大下沉值2.602 0，最大下沉速率33.37 mm/d，最大下沉系數(shù)0.87，最大水平移動(dòng)系數(shù)0.18.

重復(fù)采動(dòng)；沉陷參數(shù)；地表沉陷；沉陷監(jiān)測(cè)

井工開采中會(huì)產(chǎn)生地表沉陷，但沉陷程度是可以控制的，控制沉陷的方法有充填開采，條帶開采和離層注漿等。但上述的方法也不能完全將地表沉陷控制為0，所以在開采過程中對(duì)地表的監(jiān)測(cè)是十分必要和重要的。在開采過程中地表變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，在開采初期可能受到的影響較嚴(yán)重，但隨著工作面的推進(jìn)可能開采結(jié)束后受到的影響會(huì)小于開采初期的影響。結(jié)合古交礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件，設(shè)置地表監(jiān)測(cè)站，提取不同時(shí)期不同地質(zhì)條件下的開采參數(shù)，描述開采沉陷尤其是重復(fù)采動(dòng)情況下的地表移動(dòng)過程。

1 工程背景

古交礦區(qū)位于呂梁山脈東翼，礦區(qū)內(nèi)共分布5個(gè)礦井，分別是屯蘭礦、西曲礦、東曲礦、鎮(zhèn)城底礦和馬蘭礦?？傮w呈中低山區(qū)，局部高山，海拔大致在1 000～1 800 m，相對(duì)高差300～800 m. 古交礦區(qū)從20世紀(jì)80年代就開始建井投產(chǎn)，其中建井最早的礦井是鎮(zhèn)城底礦和西曲礦，已有20多年的開采歷史。礦區(qū)各個(gè)礦井都是從上層煤開始回采，逐層向深部開采，重復(fù)采動(dòng)現(xiàn)象在礦區(qū)內(nèi)大面存在，使得上層煤和地表都經(jīng)受著反復(fù)開采的變形移動(dòng)和破壞。礦區(qū)內(nèi)各個(gè)礦井的老采空區(qū)分布極為廣泛，見圖1.

圖1 古交礦區(qū)上組煤采空區(qū)分布圖

從圖1中可以看出，西曲礦位于古交礦區(qū)的北側(cè)，井田邊界以東北部的9#煤層露頭為界，西北部以F44斷層為邊界，西南方向是鎮(zhèn)城底礦，兩礦交界人為劃定，南部是以汾河為界。西曲礦的井田面積大約是39 km2，南北方向較長(zhǎng)，大約是6.5 km，東西長(zhǎng)度較短，大約是6 km. 西曲礦是5個(gè)礦井中建井較早的礦井，在1979年8月1日正式建設(shè)，1984年12月1日竣工投產(chǎn)。建成后礦井的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力是300萬(wàn)t/年，服務(wù)年限98年。井田內(nèi)的主要含煤層為山西組和太原組，總計(jì)含煤14層，總厚度大約是160 m，其中的主要開采煤層有4層，分別是(2+3)#煤層、4#煤層、8#煤層和9#煤層。

本文主要研究的工作面是18207工作面，工作面位于原平河以西的位置，被梁莊村和石家河村所包夾，在工作面所處的地表位置有河流和溝壑，地表有山丘，厚度在354～555 m. 工作面的傾斜長(zhǎng)度大約200 m，走向長(zhǎng)度大約1 600 m，煤層厚度在2.3～3.65 m，平均厚度大約為3.0 m，煤層傾角在3°～7°，平均煤層傾角大約為5°. 在18207工作面垂直位置的正上方是2#煤層的采空區(qū)，從南到北的工作面依次為12212工作面、12208工作面、12206工作面和12202工作面。在開采的8#煤層中與18207工作面相鄰的工作面是18205工作面和18203工作面。18207開采過程中，在開采后半段時(shí)8a煤層的18a203工作面同時(shí)開始回采，所以18207工作面在回采過程中受到18a203工作面的采動(dòng)影響，使其周圍受到重復(fù)采動(dòng)的影響。18207工作面及其周圍的開采狀況，見表1.

表1 18207工作面及其周圍工作面回采情況表

2 工作面回采位置的確定

工作面采動(dòng)過程中的重復(fù)采動(dòng)影響以及影響范圍的分析首先需要確定工作面的回采位置。采用ArcGIS及DInSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果提取超前影響距和起動(dòng)距。以東曲礦12507工作面為研究對(duì)象介紹其確定方法如下：

1) 根據(jù)礦井生產(chǎn)資料的記載，確定距離SAR影像資料中記載最近開采線的位置，此時(shí)工作面在軌道巷和皮帶巷的進(jìn)尺分別為929 m和927 m.

2) 計(jì)算開采的時(shí)間差，時(shí)間是從2012年4月26日—4月27日，回采的時(shí)間差是兩天。

3) 計(jì)算開采的平均速度，在2012年4月25日—5月5日工作面在軌道巷和皮帶巷分別推進(jìn)了19 m和21 m，計(jì)算得到平均的開采速度為1.9 m/d和2.1 m/d.

4) 計(jì)算工作面推進(jìn)位置距離開切眼的距離，根據(jù)SAR影響獲取當(dāng)天的工作面推進(jìn)位置，此時(shí)工作面軌道巷和皮帶巷的推進(jìn)距離分別是932.8 m和931.2 m，計(jì)算得到平均推進(jìn)距離是932.0 m.

5) 應(yīng)用DInSAR的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，找到下沉值為15 mm的等值線，進(jìn)而得到開采的影響范圍。確定15 mm等值線距離當(dāng)前工作面開采位置的距離，得到超前影響距離，最后計(jì)算得到超前影響角。

3 工作面平均采深的計(jì)算

確定回采工作面與開采沉陷邊界之間的垂直高差，首先要將底板等高線的數(shù)據(jù)輸入到ArcGIS中，進(jìn)而生成底板等高線的高程模型，見圖2. 根據(jù)回采工作面位置和InSAR沉陷邊界處的工作面標(biāo)高和地表標(biāo)高，即可得到H0.

圖2 18207工作面標(biāo)高及地表標(biāo)高圖

4 地表沉陷參數(shù)提取

18207工作面的開采時(shí)間是2011年5月—2012年10月，其中SAR數(shù)據(jù)獲取時(shí)間是2012年4月5日—11月22日，累計(jì)推進(jìn)370 m.

1) 對(duì)開采期間的地表沉降，共進(jìn)行了9次觀測(cè)，提取各個(gè)觀測(cè)時(shí)間的地表沉陷圖，見圖3. 根據(jù)圖3，結(jié)合工作面的回采位置，確定各個(gè)不同時(shí)間的超前影響距離，進(jìn)而計(jì)算得到超前影響角，見表2.

2) 18a203工作面起動(dòng)距的確定。

2012年5月18a203工作面開始采動(dòng)，從地表沉降監(jiān)測(cè)圖3可以得到工作面上方地表開始一段的時(shí)間，進(jìn)而確定工作面的起動(dòng)距。通過監(jiān)測(cè)到的地表沉降圖可以看出，7月1日開始隨著工作面18a203的開采地表出現(xiàn)了首次下沉現(xiàn)象。7月12日由于18207工作面和18a203工作面的地理位置非常近，其沉降的影響范圍發(fā)生了交叉現(xiàn)象，可以確定18a203工作面的起動(dòng)距是35.85 m，開切眼處的采深是468 m，起動(dòng)距與采深的比值為0.077，小于初次采動(dòng)時(shí)的起動(dòng)距系數(shù)區(qū)間0.25～0.5.

圖3 18207工作面上方地表時(shí)序沉降圖

3) 邊界角。

觀測(cè)得到的地表影響見圖4，從圖4可以看出，下沉邊界分別距離軌道巷、停采線、皮帶巷和開切眼的距離分別是277 m、301 m、163 m和234 m. 將以上數(shù)據(jù)整理計(jì)算得到邊界角見表3，從表3可以看出，停采線處的邊界角是50.72°，軌道巷側(cè)的邊界角是59.33°，開切眼側(cè)的邊界角是61.39°，皮帶巷側(cè)的邊界角是69.76°.

5 地表沉陷參數(shù)計(jì)算

2011年11月13日在18207工作面上方安裝了兩個(gè)角反射器，分別命名為18207-1和18207-2，其與工作面開切眼的距離分別為680.83 m和902.54 m.

表2 18207工作面不同時(shí)期超前影響角計(jì)算結(jié)果表

圖4 18207和18a203工作面上方地表沉陷邊界的確定圖

表3 18207和18a203工作面邊界角計(jì)算表

在2011年10月15日—2012年12月25日，累計(jì)開展23期ARCGIS聯(lián)測(cè)工作。ARCGIS觀測(cè)結(jié)果見圖5，圖6，圖7，圖8.

從圖5可以看出，18207-1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)在第一至第三期的觀測(cè)中變化較小，在東西方向和南北方向的累計(jì)變化量分別為1.8 mm和6.7 mm. 高程方向在第一期至第二期的觀測(cè)中累計(jì)下沉值大約是4.9 mm，在第二期至第三期的觀測(cè)中累計(jì)下沉大約是39.5 mm. 根據(jù)圖1可以分析出，在2011年11月21日井下的開采影響范圍已經(jīng)波及到了18207-1號(hào)點(diǎn)，此時(shí)該點(diǎn)距工作面回采線的距離為174.03 m.

圖5 18207-1位置觀測(cè)結(jié)果與開采進(jìn)度對(duì)照?qǐng)D

從圖6可以看出，18207-1號(hào)測(cè)點(diǎn)所處位置地表活動(dòng)的活躍期時(shí)間是2011年11月24日—7月10日，其下沉的速度2.37～23.61 mm/d，在2012年的3月25日其達(dá)到了最活躍狀態(tài)，下沉速度是23.61 mm/d，此時(shí)工作面推進(jìn)的距離是53天。可以得出，在2012年12月25日高程方向最大下沉值為2.263 9 m，南北方向最大水平移動(dòng)量是0.390 3 m，東西方向最大水平移動(dòng)量是0.245 2 m.

圖6 18207-1形變速率圖

由圖7可以看出，在開始觀測(cè)的時(shí)候18207-2號(hào)測(cè)點(diǎn)與工作面開采位置的距離大約為505.54 m.在第一期觀測(cè)至第四期觀測(cè)期間，18207-2號(hào)測(cè)點(diǎn)變形量不大，累計(jì)變形量在東西方向上是0.3 mm，在南北方向上是7.5 mm.從圖7還可分析出，在2011年11月13日工作面的開采已經(jīng)影響到了18207-2號(hào)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距離工作面回采線的距離是418 m，此時(shí)超前影響角為47.43°，與18207-1點(diǎn)位上的ARCGIS觀測(cè)結(jié)果相比，該點(diǎn)位置上的超前影響距較大。

圖7 18207-2位置觀測(cè)結(jié)果與開采進(jìn)度對(duì)照?qǐng)D

從圖8可以看出，18207-2號(hào)測(cè)點(diǎn)處于地表變形活動(dòng)活躍時(shí)間是2012年1月4日—12月25日，下沉速度是0.02～33.37 mm/d，在2012年5月19日活躍的最大下沉速度是33.37 mm/d，此時(shí)工作面通過測(cè)點(diǎn)推進(jìn)了32天?？梢缘贸?，測(cè)點(diǎn)高程方向上下沉值達(dá)到最大2.602 0 m的時(shí)間是2012年12月25日。但由于相鄰的18a203工作面的采動(dòng)，測(cè)點(diǎn)仍然處于移動(dòng)階段，在南北方向最大水平移動(dòng)量是0.255 6 m，在東西方向的最大水平移動(dòng)量是0.286 2 m.

將上述ARCGIS觀測(cè)結(jié)果與SAR結(jié)果匯總，計(jì)算得到18207工作面開采沉陷參數(shù)，見表4.

圖8 18207-2形變速率圖

表4 18207工作面重復(fù)采動(dòng)地表沉陷相關(guān)參數(shù)表

6 結(jié) 論

1) 基于ArcGIS平臺(tái)量測(cè)DInSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果確定了工作面的回采位置和工作面的平均采深。

2) 將ArcGIS觀測(cè)結(jié)果與DInSAR結(jié)果匯總，計(jì)算得到了18207工作面開采沉陷參數(shù)：超前影響角62.98°、下山邊界角59.33°、走向邊界角50.72°、最大下沉值2.602 0、最大下沉速率33.37 mm/d、最大下沉系數(shù)0.87、最大水平移動(dòng)系數(shù)0.18.

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AnalysisonSubsidenceLawandSubsidenceParametersbyRepeatedMininginGujiaoMiningArea

ZHAOYanbing

In order to grasp the surface subsidence data in Gujiao coalfield for further research, one of the working faces in a coalmine with repeated mining experience is selected as the study object. The computer measurement and remote sensing techniques are introduced for the subsidence measuring and monitoring. The mining position and the average mining depth of the working face are ascertained based on the ArcGIS platform and DInSAR monitoring results, the calculated parameters for mining subsidence are as follows: 62.98° for advance angle of influence, 59.33° for dip boundary angle, 50.72° for strike boundary angle, 2.602 0 for the maximum subsidence, 33.37 mm/d for the maximum subsidence rate, 0.87 for the maximum subsidence coefficient and 0.18 the maximum horizontal movement coefficient.

Repeated mining; Subsidence parameters; Surface subsidence; Subsidence monitoring

2017-08-10

趙燕兵(1979—)，男，山西古交人，2005年畢業(yè)于桂林工學(xué)院，工程師，主要從事采煤技術(shù)工作(E-mail)1732760972@qq.com

TD325

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1672-0652(2017)10-0048-05