緩斜中厚煤層采空區(qū)地表移動變形規(guī)律研究

王煥明 何立菊 袁偉強 范凱 唐忠亮 卓軍

摘 要：以龍灘礦井3115南工作面為工程背景，對緩斜中厚煤層采空區(qū)地表移動變形規(guī)律進行了研究，通過采用理論分析、現(xiàn)場實測方法，得到了巖移參數(shù)，并與現(xiàn)場踏勘進行了對比，得出了在地表下沉盆地內(nèi)地表建筑物的破壞程度與地下開采區(qū)域直接相關(guān)的結(jié)論；研究得到了地表下沉盆地的主斷面范圍；可以依據(jù)工作面尺寸，判別下沉盆地的采動程度。

關(guān)鍵詞：開采沉陷；下沉盆地；移動變形

前言

地下煤層開采后，原巖應(yīng)力重新分布，直接頂冒落，基本頂發(fā)生初次斷裂和周期斷裂，上覆巖層斷裂、彎曲，引起地表沉陷，破壞地下水系。華鎣山龍灘礦井在首采工作面開展過頂板垮落過程后“三帶”研究，其中彎曲下沉帶是指裂隙帶以上至地表的整個范圍內(nèi)巖體，該層巖體發(fā)生彎曲下沉的整體變形，引起地表形成移動下沉盆地。華鎣山地區(qū)屬于喀斯特地貌，地下巖溶發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，單一煤層開采、大埋深，地表地形以山區(qū)為主，但尚無實測巖移參數(shù)，龍灘礦井開采條件具有大埋深，一般開采沉陷研究埋深在300m以內(nèi)，而龍灘礦井的3115工作面埋深約550m，可填補這方面研究空白。311采區(qū)東北角有一地表較大水體——彭家大堰塘，水下采煤可行性和煤柱留設(shè)方案，需要更為準(zhǔn)確且符合自身實際的巖層移動角、裂縫角參數(shù)；龍灘煤礦經(jīng)過多年的地下開采，地表已誘發(fā)多處塌陷坑、開采裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，需要地表沉陷區(qū)范圍、沉降量、移動邊界、裂縫邊界等重要參數(shù)，為居民搬遷賠償提供科學(xué)依據(jù)。因此，本此以龍灘礦井3115南工作面為工程背景，對緩斜中厚煤層采空區(qū)地表移動變形規(guī)律進行研究。

1工作面地質(zhì)概況

3115南工作面煤層標(biāo)高+418m～+484m，對應(yīng)地面高程+997m～+1047.2m，平均埋深596m，煤厚1.4m～2.39m，平均1.90m，煤層傾角介于8°～12°之間，平均傾角10°，工作面走向長約820m，傾斜長約240m，面積19.36萬平方米，地質(zhì)儲量51.72萬噸，采用走向長壁采煤法進行回采，采用MG250/600-AWD采煤機機械落煤，ZY3000/12/30掩護式液壓支架支護，全部冒落法管理頂板。

3115南工作面為龍灘煤礦龍王洞背斜東翼首采工作面，工作面對應(yīng)地表以坡地，溶蝕山、溶蝕洼地等地貌為主，植被以茅草、灌木為主，多數(shù)地表基巖直接出露，出露巖層為三疊系飛仙關(guān)泥巖、泥灰?guī)r，松散層厚度不計。

3115南工作面位于龍王洞背斜東翼，工作面頂板巖層性質(zhì)分別為：飛仙關(guān)組（T1f）中下部由灰色細(xì)晶灰?guī)r、厚層狀鮞粒灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖及中厚層狀粉晶灰?guī)r。長興組（P2c）灰色、深灰色中～厚層狀泥晶灰?guī)r及粉晶灰?guī)r，局部為生物礁灰?guī)r。龍?zhí)督M（P2l）中厚層狀粉晶石灰?guī)r，與上覆地層長興組整合接觸。巖性由灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、鋁質(zhì)泥巖及煤層組成。

整個煤系地層可劃分為五段。各段巖層巖性及厚度見表1。

2研究思路

選定3115南工作面作為地表巖移觀測站，3115南工作面周邊均處于未開采階段，3115南工作面煤層埋深有代表性；由于走向觀測線全程兩翼控制點不會產(chǎn)生移動變形，故采動前用靜態(tài)GPS觀測，保證觀測站控制網(wǎng)精度；展開理論研究，用概率積分法理論預(yù)計下沉系數(shù)、邊界角、移動角、裂縫角參數(shù)，再結(jié)合臨近礦井和國內(nèi)觀測成果資料對比分析，來確定巖移觀測站的設(shè)計參考值；在采動過程中，實時監(jiān)測測點變化情況，完成回采后，全面觀測測點平面及高程變化，對比分析采動前數(shù)據(jù)，測定下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、開采影響的傳播系數(shù)、最大下沉角、邊界角、移動角、裂縫角、拐點移動距等地表移動變形參數(shù)。

3觀測方案

地表移動觀測站布設(shè)在3115南工作面地表，設(shè)計布置走向、傾向兩條觀測線，控制網(wǎng)點設(shè)置在綠水洞地表觀測成果的邊界角外，GPS靜態(tài)控制網(wǎng)點作為控制點，保證控制網(wǎng)精度，GPS靜態(tài)相對定位，GPS接收機在觀測站上45分鐘，內(nèi)業(yè)使用GPS接收機的隨機軟件對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)進行處理，解算出6個控制點的坐標(biāo)。依據(jù)規(guī)范，觀測站點間距25m，觀測前采集測點坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，全面觀測在聯(lián)測之后、地表開始移動之前，應(yīng)以6個控制點為準(zhǔn)對走向、傾向兩條觀測線的所有測點按一級導(dǎo)線精度要求進行2次全面觀測（首次），2次測得的同一點高程差不大于10mm，同一邊的長度差不大于4mm時，取平均值作為觀測站的原始觀測數(shù)據(jù)，并記錄地表、民房原有的裂縫，拍攝照片。工作面開采后引起地表出現(xiàn)移動至移動活躍期，只進行高程觀測，采動過程中，不僅要及時地記錄和描述地表出現(xiàn)的裂縫，塌陷的形態(tài)和時間，還要記載每次觀測時的相應(yīng)工作面位置、實際采厚、工作面推進速度、頂板陷落情況、煤層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等有關(guān)情況；移動活躍期間至少進行4次以上全面觀測（全面觀測均同首次），移動活躍期至衰退期只進行高程觀測，在地表移動穩(wěn)定后再進行2次全面觀測。

4項目取得的成果

采用理論分析、現(xiàn)場實測方法，取得以下技術(shù)成果：

（1）依據(jù)地表特征點的最大下沉值、下沉速度，判定出下沉盆地移動變形的開始階段、活躍階段、衰退階段。地表下沉盆地移動變形時間共計613天，其中開始階段254天，活躍階段206天，衰退階段153天。三個階段時間劃分，對井下采掘活動和井上井下避災(zāi)安置有重大意義。（2）地表移動盆地是否能達到充分下沉，可根據(jù)長深比D1/H0、寬深比D3/H0來判斷，D1/H0、D3/H0<1.0時地表為非充分采動；D1/H0、D3/H0=1.0～1.5時地表為充分采動；D1/H0、D3/H0≥1.5時地表為超充分采動。（3）研究得到了地表下沉盆地的主斷面范圍。走向上，下沉邊界距離采空區(qū)邊界443m，移動邊界距離采空區(qū)邊界280m，裂縫邊界距離采空區(qū)邊界135m。傾向下山，下沉邊界距離采空區(qū)邊界398m，移動邊界距離采空區(qū)邊界325m，裂縫邊界距離采空區(qū)邊界106m。傾向上山，下沉邊界距離采空區(qū)邊界257m，移動邊界距離采空區(qū)邊界197m，裂縫邊界距離采空區(qū)邊界109m。（4）測定出的地表移動盆地各項巖層移動變形參數(shù)值，最大下沉角為80.1°，最大下沉值為833mm，下沉系數(shù)為0.34，工作面啟動距為142m，超前影響角為80.5°，超前影響距為99.4m，走向邊界角δ。=52.7°，走向移動角δ= 64.7°，走向裂縫角δ″=77.3°；傾向下山邊界角β。=55.9°，傾向下山移動角β=61.5°，傾向下山裂縫角β″=79.6°；傾向上山邊界角γ。=64.9°，傾向上山移動角γ=70.5°，傾向上山裂縫角γ″=86.1°。（5）通過實測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場踏勘對比結(jié)果分析，得出地表下沉盆地內(nèi)，地表建筑物破壞程度與地下開采區(qū)域的直接相關(guān)。下沉邊界與移動邊界之間的建筑物為I級破壞，一般采取局部維修裂縫；移動邊界與裂縫邊界之間的建筑物一般為Ⅱ級破壞，一般采取簡單加固維修墻體、門窗等；裂縫邊界內(nèi)部，即移動盆地中間的建筑物一般為Ⅲ級破壞，一般采取中等加固維修橫梁、圈梁等；裂縫邊界上的房屋Ⅳ級破壞，需對承重結(jié)構(gòu)增設(shè)基礎(chǔ)應(yīng)力板或搬遷安置。（6）通過研究龍?zhí)督M煤系地層分布和采空區(qū)頂板三帶發(fā)育高度，表明不同采動程度，龍?zhí)督M煤層頂板起控制作用的關(guān)鍵層的變化，即龍?zhí)督M煤系地層在非充分采動時上覆關(guān)鍵層為龍?zhí)督M四段；充分采動時主關(guān)鍵層為長興組三、四段，次關(guān)鍵層為龍?zhí)督M四段。

5 效益

5.1 經(jīng)濟效益

通過地表現(xiàn)場踏勘，地表移動盆地處于非充分沉降時，地表破壞性較小，對地表建筑物、水體無較大安全威脅，實測的裂縫角比彭家大堰塘煤柱留設(shè)方案的裂縫角值大，證明煤柱留設(shè)方案和“三下”采煤可行性方案安全可行，可實現(xiàn)多回采巖溶湖下壓煤和延長礦井服務(wù)年限，具有顯著的經(jīng)濟效益。

5.2 社會效益

項目開展期間，通過測定的超前影響角，啟動距等參數(shù)，開展因采礦活動避讓臨時安置工作10次，而開采過程中地面出現(xiàn)塌陷坑5處，其中包括直徑30m左右塌陷坑，由于及時采取避讓搬遷安置措施，未發(fā)生人員傷亡事故，具有明顯的安全效益。

5.3 社會效益

從項目開展以來，長期駐扎測量技術(shù)人員在采空區(qū)從事測量，安全巡視，地表調(diào)查等工作，雖然地表房屋出現(xiàn)了開裂，生產(chǎn)生活用水短缺，從未出現(xiàn)較大沖突事件，促進了礦井的維穩(wěn)工作，具有巨大的社會效益。

6 結(jié)論

在特殊地質(zhì)條件開采的山區(qū)，測定出的地表移動盆地各項巖層移動變形參數(shù)值，能為采煤沉陷區(qū)治理、留設(shè)保安煤柱等提供科學(xué)依據(jù)；下沉盆地移動變形三個階段時間劃分，對井下采掘活動和井上井下避災(zāi)安置有重大意義。項目已在實踐中運用，證明彭家大堰塘煤柱留設(shè)方案和“三下”采煤是安全可行的，項目經(jīng)濟效益和社會安全效益明顯，將顯著促進行業(yè)科技進步，在條件相似的礦井具有廣泛推廣應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]郭文兵，鄧喀中，白云峰.受斷層影響地表移動規(guī)律的研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，06：713-715.

[2]胡友健，吳北平，戴華陽，鄒友峰.山區(qū)地下開采影響下地表移動規(guī)律[J]. 焦作工學(xué)院學(xué)報，1999，04：242-247.

[3]劉立忠，李虎民，姜升. 松散沙層煤礦區(qū)采動影響試驗[J].金屬礦山，2015，04：127-131.

[4]方齊，郭廣禮，朱曉峻. 礦區(qū)地表觀測站輔助設(shè)計與數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)[J].金屬礦山，2015，05：129-134.

[5]王新全，劉金舉，趙俊.厚沖積層條帶開采地表移動變形觀測分析[J].能源技術(shù)與管理，2009，04：74-76.

[6]王明柱，郭廣禮，王磊.礦區(qū)地表移動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[J].測繪科學(xué)，2012，04：67-69.

作者簡介：

王煥明（1964-），男，四川大竹人，采礦高級工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。