煤礦深部開(kāi)采地表沉陷規(guī)律研究

張道群

摘要：目前徐礦集團(tuán)煤炭資源日趨枯竭，旗下大多煤礦已進(jìn)入深部開(kāi)采階段，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工作面布置不規(guī)則及部分煤礦需要回收邊角煤柱等問(wèn)題都對(duì)工作面的合理布置及開(kāi)采后的地表沉陷計(jì)算帶來(lái)了嚴(yán)重的影響?；诖?，本文在徐礦集團(tuán)夾河礦深部建立了地表移動(dòng)觀測(cè)站，開(kāi)展深部地表移動(dòng)變形觀測(cè)工作，分析地表移動(dòng)變形規(guī)律，取得了可靠的地表移動(dòng)變形參數(shù)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和深部開(kāi)采后地表移動(dòng)變形規(guī)律的研究，以期為徐礦集團(tuán)其他礦井的深部開(kāi)采提供重要的借鑒資料。

關(guān)鍵詞：煤礦資源；深部開(kāi)采；地表沉陷；移動(dòng)變形規(guī)律

1.研究背景

目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有煤礦建筑物下、鐵路下、水體下以及承壓水上壓滯的煤炭?jī)?chǔ)量在130億t以上，建筑物下的壓煤量多大80億t，占整個(gè)“三下一上”壓煤量的60%，其中村莊下壓煤量最大，其次是工業(yè)場(chǎng)地下壓煤量，再其次是其他工業(yè)與民用建筑物下壓煤量。徐州礦務(wù)集團(tuán)已有120多年的開(kāi)采歷史，煤炭資源日趨枯竭，截至2006年底，煤礦可采儲(chǔ)量約5億t左右，其中“三下”壓煤量約3.1億t，占62%。并且目前大多數(shù)礦井已進(jìn)入深部開(kāi)采階段，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，工作面布置不規(guī)則，甚至有些礦井還需要回收邊角煤柱這些都給工作面的布置及開(kāi)采后地表沉陷計(jì)算帶來(lái)很大難度。

開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)是“三下”開(kāi)采設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，地表及移動(dòng)規(guī)律又是正確進(jìn)行開(kāi)采沉陷預(yù)報(bào)和合理留設(shè)保安煤柱的前提。為了確定丁場(chǎng)，李場(chǎng)，郭橋等村莊受開(kāi)采影響程度，指導(dǎo)“三下”采義工作及村莊搬遷工作，盡量使村莊不遷或少遷，特在夾河礦深部建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，開(kāi)展深部地表移動(dòng)變形觀測(cè)工作，分析地表移動(dòng)變形規(guī)律，取得可靠的地表移動(dòng)變形參數(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)工作面采后地表觀測(cè)站得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析，研究夾河礦深部煤層開(kāi)采后地表移動(dòng)變形規(guī)律。其結(jié)果將為徐州礦務(wù)集團(tuán)公司其它礦井的深部開(kāi)采有著重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)我國(guó)煤炭企業(yè)能最優(yōu)的充分利用煤炭資源、保護(hù)環(huán)境，推動(dòng)煤礦技術(shù)進(jìn)步和煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。

2.地面觀測(cè)站的設(shè)計(jì)布置

走向、傾向觀測(cè)線理論上是在工作面上方沿走向、傾向布置兩條垂直觀測(cè)線，根據(jù)夾河煤礦-1000m以下煤層賦存和地面村莊、農(nóng)田、道路等實(shí)際情況，為了不占用地面土地.降低觀測(cè)站的建站費(fèi)用，觀測(cè)點(diǎn)將來(lái)易于保存和使用，我們沿河漢公路大寨路各布置一條觀測(cè)線，觀測(cè)點(diǎn)間距50m左右，控制點(diǎn)間距50～80m，計(jì)103個(gè)測(cè)點(diǎn)?？紤]監(jiān)控李場(chǎng)村變形發(fā)展情況，在村內(nèi)布置半條觀測(cè)線，點(diǎn)間距30～50m，測(cè)點(diǎn)20個(gè)。

2.1移動(dòng)角值確定

本設(shè)計(jì)所用參數(shù)采用徐煤局（1990）898號(hào)文規(guī)定的徐州西部礦區(qū)地表移動(dòng)和變形參數(shù)，按國(guó)家煤炭工業(yè)局2000年編寫(xiě)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》參照《煤礦測(cè)量手冊(cè)》中移動(dòng)調(diào)整值的選取，并結(jié)合研究區(qū)域煤層傾角20-25°”，局部大于30°，下山，走向及上山移動(dòng)角調(diào)整后的邊界角見(jiàn)下表

兩鉆孔資料本區(qū)沖積厚度選取100m，2447工作面開(kāi)采上限為-945m，下限為-1010m，地表標(biāo)高為41.5m。

2.2走向、傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度

觀測(cè)線的平面位置結(jié)合地表情況選擇，傾向觀測(cè)線起點(diǎn)為河漢公路的黃河橋終至大寨路北約500m，全長(zhǎng)約3500m.走向觀測(cè)線西起徐州市西繞城高速公路，沿大寨路向東約3500m。為配合下一步礦開(kāi)采計(jì)劃，在李場(chǎng)東西路至西繞城高速公路交叉處及村莊南北小路各設(shè)置兩條觀測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距離50m，控制點(diǎn)間距離80m，走向觀測(cè)線由于采區(qū)內(nèi)工作面布置為雙翼走向長(zhǎng)壁，開(kāi)切眼向外又與龐莊礦相連，故走向根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況盡量選取至西繞城高速公路附近，測(cè)點(diǎn)間距50m，李場(chǎng)村南北線測(cè)點(diǎn)間距30m，為盡量不受影響，控制點(diǎn)選取時(shí)，盡量選在了西繞城高速公路附近。

3.觀測(cè)站連測(cè)方法與日常觀測(cè)工作分析

根據(jù)夾河礦地面控制網(wǎng)和觀測(cè)站的位置，平面坐標(biāo)依據(jù)徐州市三環(huán)路上的KSL1.STO1兩個(gè)已知GPS點(diǎn)為起始點(diǎn)，采用南方產(chǎn)靈銳S-82靜態(tài)GPS觀測(cè)求得，其精度達(dá)1/11.8萬(wàn)，首次全面觀測(cè)采用日本產(chǎn)NIKON DTM-532型全站儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，而后根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算兩點(diǎn)間距離，導(dǎo)線技術(shù)要求按5”導(dǎo)線要求，水準(zhǔn)技照四等水準(zhǔn)的技術(shù)要求進(jìn)行實(shí)測(cè)，采用瑞士威爾特S3，水準(zhǔn)儀配黑紅面尺。

全面觀測(cè)將各測(cè)點(diǎn)與地面控制網(wǎng)連測(cè)，包括各測(cè)點(diǎn)的水準(zhǔn)測(cè)量、點(diǎn)間距的丈量和測(cè)點(diǎn)偏離觀測(cè)線的支距測(cè)量，地表移動(dòng)前和地表移動(dòng)后的全面測(cè)量必須獨(dú)立進(jìn)行兩次。巡視測(cè)量在一般情況下，切眼起推進(jìn)到13H-1/6H （H為采深）時(shí)，地表開(kāi)始移動(dòng)，即在預(yù)計(jì)可能首先移動(dòng)的地區(qū)，選出幾個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，每隔4～5天進(jìn)行一次水準(zhǔn)測(cè)量，當(dāng)某一點(diǎn)累計(jì)下沉大于10mm時(shí)，即認(rèn)為地表已開(kāi)始移動(dòng)，可進(jìn)行第一次全面觀測(cè)，當(dāng)進(jìn)入活躍期時(shí)，應(yīng)加密水準(zhǔn)測(cè)量次數(shù)，每次觀測(cè)必須1天內(nèi)完成。

工作面回采結(jié)束后，地表移動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)入衰退期，直至穩(wěn)定，可在結(jié)束活躍期的全面觀測(cè)以后，進(jìn)行定期的水準(zhǔn)測(cè)量，其間隔時(shí)間一般為1～3個(gè)月，至地表各點(diǎn)6個(gè)月內(nèi)的下沉量都不大于30mm為止，這時(shí)就可進(jìn)行最后的全面測(cè)量。

采前的水準(zhǔn)測(cè)量按國(guó)家四等水準(zhǔn)利量的要求進(jìn)行，移動(dòng)期間和采后的水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，必須先測(cè)量轉(zhuǎn)點(diǎn)的讀數(shù)，再按水準(zhǔn)路線的前進(jìn)方向，讀取各中間點(diǎn)的水準(zhǔn)尺，直至下一個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，水準(zhǔn)測(cè)量的各項(xiàng)限差均按現(xiàn)行規(guī)程要求，采前獨(dú)立進(jìn)行的兩次水準(zhǔn)測(cè)量，經(jīng)平差后所得各測(cè)點(diǎn)之差，不得大于10mm，然后取平均值作為原始數(shù)據(jù)，IV等水準(zhǔn)點(diǎn)必須附合于III等的觀測(cè)控制點(diǎn)上，每次水準(zhǔn)測(cè)量前，均應(yīng)對(duì)所用儀器、標(biāo)尺進(jìn)行檢校，達(dá)不到要求，不能使用。

各測(cè)點(diǎn)間的距離測(cè)量采用比長(zhǎng)的鋼尺進(jìn)行往返丈量，丈量時(shí)，對(duì)鋼尺施以15Kg的拉力，以不同起點(diǎn)讀數(shù)三次，讀至0.5mm.三次丈量互差不大于2mm，同時(shí)記錄溫度，計(jì)算時(shí)加入比長(zhǎng)，溫度、傾斜改正。

采用測(cè)距僅進(jìn)行支距測(cè)量時(shí)，先測(cè)出該測(cè)點(diǎn)和兩端控制點(diǎn)之間連線的夾角（a），再測(cè)出該測(cè)點(diǎn)到控制點(diǎn)之間的平距（D），支距S為各點(diǎn)的支距值必須注明它在觀測(cè)線的左方還是右方，或用“+”“-”號(hào)來(lái)表示。采前獨(dú)立兩次測(cè)量同一點(diǎn)的支距值之差不得大于30mm，然后取平均值作為原始數(shù)據(jù)。

4.結(jié)論

綜合觀測(cè)站幾年實(shí)測(cè)資料分析有如下結(jié)論：

（1）深部開(kāi)采影響范圍較大，然而深部開(kāi)采引起的地表移動(dòng)與變形要比淺都小。相同的地質(zhì)采礦條件下，淺部比深部更容易達(dá)到充分采動(dòng)：隨著采出寬度的不斷增加，不管深部還是淺部地表各項(xiàng)移動(dòng)變形值相應(yīng)增大，但深部增加的幅度要比淺部小。隨著采寬的增加，深部開(kāi)采引起的水平變形增加幅度既平緩又小。

（2）考慮觀測(cè)站設(shè)立前的下沉值，工作面按多次重復(fù)采動(dòng)影響，根據(jù)最終觀測(cè)資料分析和類比得出，該區(qū)域深部?jī)A斜煤層開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)：地表下沉系數(shù)q=0.55，走向移動(dòng)角δ=74°，下山移動(dòng)角β=61°，表土層移動(dòng)角φ=45°，上山移動(dòng)角γ=70°。

（3）深部開(kāi)采具有影響范圍大，下沉相對(duì)平緩，曲率變形值較小，巖層移動(dòng)角偏大，開(kāi)采影響傳播系數(shù)偏大，拐點(diǎn)偏移系數(shù)偏小，移動(dòng)周期較長(zhǎng)，活躍程度降低?；夭苫驹诠ぷ髅嫱七M(jìn)500mm左右（5m/d推進(jìn)速度）地面開(kāi)始受影響，

下山方向比上山方向下沉值要大。