高強(qiáng)度開采地表實時下沉研究

朱占榮

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西榆林 719000)

0 概述

煤炭資源的開采在我國國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮了重要的作用，但與此同時，也給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了比較嚴(yán)重的影響。陜北煤炭開采區(qū)是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，重大的煤炭生產(chǎn)和建設(shè)工程星羅棋布，煤層賦存和開采條件好，為礦井的高產(chǎn)高效提供了先決條件。在新的快速、高強(qiáng)度、大規(guī)模開采技術(shù)得到應(yīng)用和推廣的條件下，加劇了土地和生態(tài)的破壞速度。高強(qiáng)度開采使礦區(qū)相對平衡的生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)劇烈變化，礦區(qū)生態(tài)效益的降低部分削弱了煤炭資源開采帶來的經(jīng)濟(jì)效益的貢獻(xiàn)。因此，大型煤炭基地強(qiáng)擾動條件下開采沉陷監(jiān)測技術(shù)研究勢在必行。傳統(tǒng)的預(yù)計技術(shù)和方法已經(jīng)滿足不了新情況的需要。高強(qiáng)度開采條件下的礦區(qū)地表的破壞體現(xiàn)出新的規(guī)律和問題，需要進(jìn)一步探索，為礦區(qū)的科學(xué)開采及環(huán)境治理提供理論依據(jù)。陜北地區(qū)在地質(zhì)采礦條件方面體現(xiàn)了一定的特殊性，同時在本區(qū)域建立的地表移動觀測站相對較少，對開采沉陷規(guī)律研究不充分。研究本區(qū)域的開采沉陷監(jiān)測及規(guī)律，有重要的理論意義和社會價值。

為了獲取豐富的開采沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)，我國開展了大量的開采沉陷監(jiān)測工作，唐凱[1]研究了基于單機(jī)站CORS的礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測方案，并分析了數(shù)據(jù)處理精度；康向陽[2]將近景攝影測量技術(shù)用于礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測中，獲得了大量的影像數(shù)據(jù)并分析了下沉盆地的范圍；楊瑞[3]闡述了礦山開采沉陷監(jiān)測的新進(jìn)展，指出實時動態(tài)監(jiān)測是目前的技術(shù)發(fā)展方向之一；王磊、李達(dá)、楊亞莉[4-6]利用INSAR技術(shù)分析了礦區(qū)沉陷，并獲得了一系列的技術(shù)流程和數(shù)據(jù)處理方法；李永強(qiáng)、曾凱[7-8]利用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測開采沉陷，獲得較好的實驗效果；王見紅、李圣軍[9-10]利用RTK技術(shù)監(jiān)測工作面主斷面上的地表移動，獲得了地表變形曲線和開采沉陷規(guī)律。

從文獻(xiàn)分析可知，目前對于開采沉陷的監(jiān)測主要體現(xiàn)為時間離散度高，多次靜態(tài)的特點。為了更加詳細(xì)地分析陜北礦區(qū)高強(qiáng)度開采地表實時動態(tài)特征，有必要建立高精度動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，為該區(qū)域的“三下”安全開采奠定基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)建立

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為榆樹灣煤礦，位于毛烏素沙漠西南邊緣，屬低緩的沙丘地貌。觀測站位于榆樹灣20101工作面上方。工作面2-2煤層賦存于延安組第四段頂部，是勘探區(qū)最厚的主要可采煤層。煤層底板標(biāo)高1 000～1 033m，可采面積16.42km2。工作面煤層傾角小(α=1.5°)，為近水平煤層，含0～2夾矸。夾矸位于煤層頂部或者底部，厚度0.08～0.38m。夾矸巖性為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，少數(shù)為泥巖。工作面走向為超充分采動，傾向為充分采動。邊界采深在261～289m,平均開采深度(H0)為275m，開采厚度為5m。井下推進(jìn)最快達(dá)到17m/d。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)及布點方案

采用GNSS自動化監(jiān)測方式對開采沉陷地表位移進(jìn)行實時監(jiān)測(圖1)。由于井下推進(jìn)速度快，常規(guī)觀測方法很難獲取實時下沉速度，為了監(jiān)測觀測點快速沉降過程，將實時監(jiān)測點布設(shè)在采空區(qū)中央正上方超充分采動區(qū)內(nèi)，為獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)及動態(tài)沉陷規(guī)律提供依據(jù)(圖2)。

圖1 實時監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 Real-time monitoring system framework

圖2 點位布置Figure 2 Observation points layout

系統(tǒng)安裝時，選用采用GPS與北斗二代雙模雙頻GNSS模塊儀器。儀器定位精度為：載波精度L1=0.5mm，L2=0.6mm；B1=0.6mm，B2=0.6mm；時鐘精度 50ns；動態(tài)差分精度水平：±(10+1×10-6×D)mm ；垂直：±(20+1×10-6×D)mm。預(yù)計該點的最大下沉量大于2 000mm，故監(jiān)測精度能滿足需要。數(shù)據(jù)采集時，采樣間隔為24h。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測點的實時下沉過程

從2014年1月4日直到2014年6月7日連續(xù)開展點位置信息采集，獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)，并計算了下沉速度和下沉值。為分析地表下沉數(shù)據(jù)和開采狀態(tài)數(shù)據(jù)，繪制觀測動態(tài)演化曲線圖(圖3)。

圖3 觀測點動態(tài)演化曲線Figure 3 Observation point dynamic evolution curve

2.2 開采沉陷動態(tài)特征分析

1)超前影響角和最大下沉速度滯后角。將工作面開始開采時間2013年12月4日作為起始時刻T1，各個時刻到T1間隔的天數(shù)為工作面開采時間t，回歸分析2014年1月到3月工作面距離觀測點水平距離L與t之間的關(guān)系如下：

L=0.178 5t2-17.377t+312.23，R2=0.991 7

(1)

其中R2為一元二次回歸的相關(guān)系數(shù)，該值越大曲線擬合效果越好。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，在2014年1月18日，監(jiān)測點下沉10mm，當(dāng)時t=45d，帶入(1)式計算得L=-108.27m，取整數(shù)為-108m，即工作面還未到達(dá)測點正下方，工作面開采引起的超前影響距L1為108m。超前影響角為ω=arctan(H0/L1)=68.6°，H0為平均開采深度，由實際的地質(zhì)條件決定。

在2014年2月26日，監(jiān)測點達(dá)到最大下沉速度388.7mm/d,此時t=84d，帶入(1)式計算得到為L2=112.1m，取整數(shù)，為112 m，即監(jiān)測點達(dá)到最大下沉速度時，工作面到該點的水平距離為最大下沉速度滯后距。最大下沉速度滯后角為φ=arctan(H0/L2)=67.8°。

2)啟動期與活躍期分析。啟動期，2014年1月18日監(jiān)測點下沉達(dá)到10mm，2月16日下沉速度達(dá)到1.6mm/d,故啟動期為2014年1月18日到2月16日，共29d。

活躍期，2014年2月16日到2014年3月24日，下沉速度總體大于1.6mm/d，該段時間為活躍期，共35d。

啟動期與活躍期為地表損害迅速發(fā)展并劇烈體現(xiàn)的階段，為地表防護(hù)與預(yù)警的重要時期，準(zhǔn)確獲得該數(shù)據(jù)對于“三下”安全開采有重要意義。

2.3 實時與間隔觀測方法對比

傳統(tǒng)的地表移動監(jiān)測，采用大觀測周期間隔測量方法。如煤礦測量規(guī)程，將日常的高程測量周期規(guī)定為0.5月或1月1次，在地表活動劇烈的時候加密觀測周期，故最短的觀測周期也為數(shù)日。本文從實時監(jiān)測數(shù)據(jù)中截取間隔觀測數(shù)據(jù)，間隔周期為10d，并將計算的下沉速度與實時數(shù)據(jù)作對比。下沉速度曲線圖見圖4。

圖4 實時與間隔觀測下沉速度曲線對比Figure 4 Comparison of real-time and interval-period observation curves

將實時觀測下沉速度曲線與間隔觀測下沉速度曲線對比可知，在高強(qiáng)度開采條件下地表移動速度快，采用間隔觀測方法常常掩蓋了地表下沉最大瞬時速度，減少了最大下沉速度計算值，分析精度差。同時會給地表損害帶來誤判，難免會給“三下”開采生產(chǎn)活動帶來一定的負(fù)面影響。實時監(jiān)測可以獲得準(zhǔn)確的地表下沉速度，為高強(qiáng)度開采條件下的地表動態(tài)預(yù)警提供技術(shù)支持，為“三下”安全生產(chǎn)奠定堅實基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

高強(qiáng)度開采是我國大型煤炭生產(chǎn)基地主要的生產(chǎn)方法，本文結(jié)合高強(qiáng)度開采地表移動速度快的特點，采用實時GNSS觀測方法，監(jiān)測采空區(qū)上方地表位移，獲得了以下主要結(jié)論：

1)通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集及處理等試驗過程，獲得了一套高強(qiáng)度開采條件下地表下沉實時監(jiān)測方案；建立了在實時監(jiān)測條件下，分析地表動態(tài)移動特征的分析方法，確定了榆樹灣煤礦20101工作面開采，地表下沉的啟動期與活躍期、最大下沉速度、超前影響角和最大下沉速度滯后角，對該種地質(zhì)采礦條件下的三下采煤生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

2)分析了實時監(jiān)測方法與傳統(tǒng)間隔觀測方法的區(qū)別，獲得了實時監(jiān)測方法的優(yōu)越性。在類似的高強(qiáng)度采動條件下，如果經(jīng)費和實際條件滿足，建議在主斷面超充分采動區(qū)至少建立一個實時監(jiān)測點，以便獲得更加準(zhǔn)確的地表動態(tài)移動參數(shù)和規(guī)律。