煤礦開采沉陷區(qū)地表巖層移動對公路的影響

李海深 ， 徐茂恩 ，李曦濱

(1.鄂爾多斯市烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 017307； 2.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 017307； 3.中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056004)

0 引言

神華大雁礦業(yè)集團有限責(zé)任公司第二煤礦五采區(qū)處于國家一級公路G301線(以下簡稱公路)正下方。為了提高煤炭資源的回采率，減少地下煤炭資源的浪費，將壓覆在公路下煤炭資源合理的進行開采，并確保不影響公路正常安全運行和使用。回采工作面在通過公路下方時采取一系列應(yīng)對避讓措施，降低對公路造成的破壞程度和沉陷深度。在開采的同時，布設(shè)公路地表巖層移動觀測站進行動態(tài)觀測，及時確定地表公路沉降速率，進行準(zhǔn)確維護保養(yǎng)，確?；夭蛇^程中公路的安全運行，取得了較好的效果，為今后公路下采煤提供了借鑒。

1 工程背景

國家一級公路(G301線)在該井田正上方通過，其保護煤柱壓覆原煤1600余萬噸，給國家和煤礦企業(yè)造成了極大的經(jīng)濟損失。

井田地形較為簡單，地勢東高西低，為低山丘陵，標(biāo)高在650～750m。 根據(jù)巖性特征、巖石組合及含煤情況，井田內(nèi)地層可分為上中下三段(表1)。

礦區(qū)內(nèi)巖石主要由煤層、中砂巖、粉砂巖及細砂巖組成，僅有少量粗砂巖、含爍砂巖。 煤層和巖層的物性差異比較明顯，各巖層間密度差別較小，巖石硬度多數(shù)為中等硬度的砂巖類(表2)。

表2 巖石主要物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Main rock physical and mechanical properties

2 回采工作面及開采技術(shù)措施

五采區(qū)是該井田內(nèi)煤礦第五個回采盤區(qū)，其采場范圍主要是公路下覆壓煤層，其首選開采煤層平均可采厚度14.3m，采場平均開采深度634m，是該井田內(nèi)厚度最大，煤質(zhì)最好的可采煤層，且煤層內(nèi)無夾矸，開采經(jīng)濟效益顯著。

2.1 回采工作面

五采區(qū)30-Ⅳ工作面是該采場第Ⅳ個綜放工作面，采用綜采放頂煤工藝進行回采，平均放頂煤高度約為9.0m，工作面走向長688m，傾向?qū)?76m，平均開采厚度為13.3m，走向方位289°00′00″。

五采區(qū)30-Ⅳ工作面開始回采后，由于地層應(yīng)力破壞，將會引起地表巖層移動、下沉，使地表形成一個較大的移動盆地。公路由東向西方向通過移動盆地中心。

2.2 開采技術(shù)措施

為確保在工作面回采過程中減少對公路造成的破壞，經(jīng)充分研究確定，采場及回采工作面采取以下措施：

1)將盤區(qū)設(shè)計成兩翼開采，且將工作面布設(shè)成橫、縱向回采，為一級公路(G301線)留設(shè)成三角形塊段保安煤柱，減少地表移動盆地的沉降系數(shù)(圖1)。

2)該采煤工作面在通過公路下時，降低工作面回采高度，即一次性開采高度約為4.2m，不再進行二次放頂煤，按井田內(nèi)地層巖性，地表沉降在非充分采動情況下，并結(jié)合其他采區(qū)地表移動盆地沉降經(jīng)驗，地表最大下沉系數(shù)≈0.53m，預(yù)計地表最大沉陷深度為2.2～2.3m。

圖1 五采區(qū)30-Ⅳ回采工作面地表移動盆地對照Figure 1 Winning district No.5 coal face No.30-IV surface displacement basin cross reference

3)嚴格進行巖層移動沉陷觀測，隨時掌握公路路面沉陷幅度，以便及時對該區(qū)段公路進行維護、保養(yǎng)，確保公路上的車輛安全運行。

3 巖層移動觀測站的布設(shè)及觀測

3.1 建站目的

在五采區(qū)30-Ⅳ工作面回采前，該采區(qū)30-Ⅲ工作面已采終，公路通過該回采工作面地表移動盆地正上方，并經(jīng)實測，該段公路最大下沉點沉陷深度為50mm，下沉量極小，對公路影響不大，現(xiàn)該處地表移動正處于衰退期。

為了及時掌握該段公路受30-Ⅳ工作面采動影響波及地表移動范圍和沉陷深度、速率和破壞程度，以及為將來“三下采煤”積累地表巖層移動第一手數(shù)據(jù)，須在“30-Ⅳ工作面”預(yù)計地表移動盆地區(qū)段內(nèi)，沿地表實際地物公路上，建立地表巖層移動觀測站，以準(zhǔn)確掌握在井下30-Ⅳ工作面回采過程中，公路的變化情況，及時采取安全措施，確保公路在井下回采過程中安全運行、暢通、使用。

3.2 觀測站布設(shè)方法及要求

在30-Ⅳ工作面回采之前，須將該地表巖層移動觀測站布設(shè)完成，且考慮30-Ⅲ工作面地表移動盆地衰退期的地表移動，并同時進行監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)的整體性。

30-Ⅳ工作面地表巖層移動公路(301線)觀測站為單一“沉陷”觀測站，在布設(shè)前進行了預(yù)計，沉陷范圍預(yù)計所采用本礦區(qū)地表沉陷移動參數(shù)圈定：其走向移動邊界角δ0=57°、移動角δ=61°，上山方向移動邊界角γ0=47°、移動角γ=50°，下山方向移動邊界角β0=47°、移動角β=55°，四季層移動角φ=48°。

為防止控制點及工作測點受到人為和自然的破壞，測點采用15cm鋼釘，直接標(biāo)設(shè)在公路(301線)南側(cè)的路面上。觀測站工作測點東部與原30-Ⅲ工作面地表巖層移動觀測站工作測點21號點相接，由此向西順序布設(shè)34個測點，終點點號55號，其點間距為30m。原30-Ⅲ工作面地表巖層移動觀測站工作測點3～21號，點間距為25m。

觀測站控制點布設(shè)在該區(qū)域非受采動影響范圍的公路上，即在觀測站工作測點的東西兩側(cè)各布設(shè)4個沉陷觀測控制點為：東部B4、B3、B2、B1，西部K1、K2、K3、K4共計8個控制點，點間距50m。

五采區(qū)30—Ⅲ、Ⅳ工作面地表移動觀測站，公路區(qū)段共布設(shè)工作測點共計53個、測量控制點8個，該觀測站觀測線全長為1.5km，觀測線方向為公路走向，其地理方位約為250°(圖2)。

圖2 五采區(qū)30-Ⅳ回采工作面地表巖移觀測站布點平面Figure 2 Winning district No.5 coal face No.30-IV surface strata displacement observation station layout plan

3.3 觀測站標(biāo)定

觀測站控制點K1、K2、K3、K4、B1、B2、B3、B4的施測，使用3臺GPS接收機，采取靜態(tài)定位模式，按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中E級GPS點的精度要求施測，利用已知的國家Ⅲ、Ⅳ等控制點作為觀測的起算數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過配套的GPS數(shù)據(jù)軟件解算，精度較好，滿足技術(shù)要求。

3.4 采動前全面觀測

3.5 觀測站的觀測

3.5.1 工作測點的觀測

該觀測站在采動前必須獨立進行兩次全面觀測，穩(wěn)定后(六個月地表累計下沉值小于30 mm)進行一次全面觀測，鑒于該觀測站的主要目的是監(jiān)測公路在井下回采期間的變化情況，因此，在沉降活躍期須每隔7d進行一次全面沉陷觀測，觀測方法為：

1)各工作測點平面位置以觀測站東部控制點B4、B3為起算點，然后閉合到K3、K4西部控制點上，按地面二級導(dǎo)線要求進行聯(lián)測。

2)高程測量采用S3級水準(zhǔn)儀，以觀測站東部控制點B4、B3為起算點，按四等水準(zhǔn)測量要求進行觀測，然后閉合到K3、K4西部控制點。

3.5.2 日常觀測

1)初始期觀測。當(dāng)該綜放工作面開始回采即進入到沉陷初始期，初始期觀測每月須進行一次沉陷觀測。

2)活躍期觀測。當(dāng)綜放工作面的回采推進一定距離后，地表下沉速度大于50mm/月(煤層傾角小于45°)， 即進入到沉陷活躍期， 活躍期觀測每月須進行2～3次沉陷觀測，直至每月地表下沉值小于50 mm時為止。

3)衰退期觀測。衰退期每月進行一次沉陷觀測，直至六月累計下沉量小于30mm，穩(wěn)定后進行一次最終全面觀測。

4 成果整理及分析

根據(jù)地表巖層移動及“三下采煤”相關(guān)規(guī)定，對地表巖層移動觀測數(shù)據(jù)進行整理分析。

4.1 數(shù)據(jù)整理計算

主要日常觀測數(shù)據(jù)的計算結(jié)果：

1)m次觀測時n點的下沉值。計算公式為

Wn=Hn0-Hnm

式中：Wn—n點下沉值；Hn0、Hnm—分別為首次和m次觀測時n點高程。

該回采工作面地表觀測站最大下沉點為43號工作測點，最大下沉值W43=2 133mm，各點下沉值見圖3。

2)n號點下沉速度。計算公式為

V=(Wnm-Wnm-1)/t

式中：Wnm-1、Wnm——分別表示m-1次和m次觀測時下沉值；t——兩次觀測的間隔天數(shù)。

該回采工作面地表觀測站地表巖層移動時間約為200d，最大下沉點為43號工作測點。最大下沉速度為V43=53.22mm/d。

3)n號點下沉系數(shù)。計算公式為

q≈W0/(Mcosα)≈W0/M

式中：W0—n號點下沉值；M—回采工作面采高；α—回采工作面煤層傾角。

該回采工作面地表觀測站最大下沉點為43號工作測點，最大下沉系數(shù)q=0.7。4)最大下沉角。計算公式為

θ≈90°-0.5α

式中：θ—最大下沉角；α—煤層傾角取20°～21°。

該回采工作面地表觀測站最大下沉角θ=79°。

4.2 數(shù)據(jù)分析

該綜放回采工作面從開始回采，到地表巖層移動沉陷進入到活躍期，其最大下沉點為43號點，最大下沉值W為2 133 mm；最大下沉速V為53.22mm/d。

根據(jù)地表巖層沉陷求得的各項參數(shù)并結(jié)合地表沉陷曲線圖和觀測站地表沉陷剖面圖，只計算出沿煤層傾斜方向非充分采動上山方向邊界角γ0、 下山方向邊界角β0和最大下沉角θ，而不能計算出上、下山方向移動角，并考慮表土層厚度。

表土層厚度為61.7m時，表土層移動角φ=48°，下山方向移動角邊緣β0=53°，最大下沉角θ0=79°。根據(jù)求得各項沉陷數(shù)據(jù)，繪制地表巖層移動下沉曲線變形圖并圈定實際邊界范圍(圖3)。

圖3 地表實際沉陷與預(yù)計沉陷范圍對比剖面Figure 3 Contrast section of surface actual subsidence and expected subsidence range

由于觀測線各工作測點均布設(shè)在實際地物上(即公路路面上南側(cè))，所求的各項參數(shù)受到公路板塊整體移動等各種不利因素影響。

5 結(jié)語

通過及時準(zhǔn)確的觀測，在地表巖層移動沉陷過程中，確保了公路的維護和安全運行，達到了預(yù)期目的。

1)取得了在該地質(zhì)條件下采礦，地表移動盆地內(nèi)，地表構(gòu)筑物沉陷破壞規(guī)律：在該移動盆地中心通過的公路正處于丘陵溝谷地段，隨著移動盆地緩慢下沉，該段公路也隨之緩慢下沉，路面呈現(xiàn)出法向段裂和受公路斷裂板塊擠壓影響產(chǎn)生局部法向突起等。開采沉陷對公路主要影響表現(xiàn)在：

①緩慢加大該段公路東、西兩側(cè)的上下坡度，增大坡度值在1°范圍內(nèi)；

②公路路面局部產(chǎn)生眾多法向裂隙；

③公路體內(nèi)部法向斷裂，并隨地表巖層移動形成板塊擠壓等影響，使該段公路路面局部出現(xiàn)法向突起、破碎等現(xiàn)象。

可見地表構(gòu)筑物破壞程度與地表實際構(gòu)筑物的整體形態(tài)有直接關(guān)系。

2)通過圖4中k4控制點、k1點、55工作測點、43工作測點(最大下沉點)、20、18工作測點、B4控制點的下沉值分別為：0、7、21、2133、15、6、0mm，實際沉降范圍下山方向邊界角β0=53°，上山方向邊界角γ0=50°， 與按已有本礦區(qū)地表移動參數(shù)進行預(yù)計的地表沉降范圍進行比較可以看出，實際邊界范圍比預(yù)計邊界范圍略大，表明該區(qū)地表移動角值中的下山方向的邊界角β0可靠。

3)五采區(qū)30-Ⅳ工作面地表巖層移動沉陷區(qū)段，正處于地表丘陵溝谷地段，對地表、植被破壞程度較少，該區(qū)域內(nèi)公路在正確的維護、保養(yǎng)下，正常運轉(zhuǎn)，其主要構(gòu)筑物維護工程量少、費率低，煤炭資源回采率顯著，為煤炭企業(yè)在該地層地質(zhì)條件下“三下采煤”提供了數(shù)據(jù)支持。

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