變形監(jiān)測技術(shù)在礦井采空區(qū)沉降觀測中的應(yīng)用研究

范發(fā)龍

（山西省陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限公司一礦地質(zhì)測量部，山西 陽泉 045008）

1 引 言

全部垮落法管理頂板是我國煤礦管理頂板的主要方法，但隨著煤炭資源不斷向深部開采，高強(qiáng)度的采掘工作引起的地表沉降問題日益嚴(yán)重，對地表的建構(gòu)筑物、公路、鐵路等構(gòu)成了威脅，為了最大限度地保護(hù)礦區(qū)地面建構(gòu)筑物、公路、水體等不受地表沉降損害，研究煤礦開采引起的地表沉降移動規(guī)律顯得尤為必要[1-2]。本文以陽煤一礦9203工作面為研究對象，通過監(jiān)測整個回采過程的采空區(qū)變形地表沉降，在對現(xiàn)場獲得的觀測數(shù)據(jù)分析處理基礎(chǔ)上，獲取開采引起的地表變形參數(shù)，為研究地表移動變形范圍、變形規(guī)律、預(yù)測采空區(qū)地表穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)參考及決策支持。

2 工程地質(zhì)概況

該礦采區(qū)上方村莊密集分布，共有3個村莊、1條主要公路、1個超限站，建筑物壓煤情況嚴(yán)重。9203工作面布置在村莊外圍，地表有零星分散的公路、荒地等，便于開展測量工作。

開采的9203綜采工作面采用走向長臂法對煤炭進(jìn)行開采，頂板管理采用全部垮落法。回采工作面的推進(jìn)長度為715m，工作面布置斜長165m，開采的9號煤層厚度2.2m，煤層傾角7～13°，平均為11°。地面標(biāo)高+20.5m～ +23m，煤層埋深480～555m，平均埋深520m?；夭擅婷簩禹?shù)装鍘r性情況如表1所示。

表1 9203工作面頂?shù)装迩闆r

3 變形監(jiān)測

3.1 監(jiān)測原理

為得到準(zhǔn)確、可靠、科學(xué)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測點(diǎn)的布置應(yīng)滿足以下原則[3-4]：（1）監(jiān)測線布置在地面沉降線上；（2）監(jiān)測點(diǎn)范圍要超出移動盆地的邊界；（3）基準(zhǔn)點(diǎn)要設(shè)置在地表移動盆地之外，采取深埋的方式保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定準(zhǔn)確。

具體開采引起變形的有關(guān)參數(shù)為：走向移動角、上山移動角、下山移動角均為70°，修正值均采用20°；工作面覆巖松散層厚度取值為20m，移動角取值45°，回采面采深530m，工作面斜長165m，工作面推進(jìn)長度715m，最大下沉角θ=86°，煤層傾角α=8～12°。據(jù)此，根據(jù)地表沉陷理論計(jì)算，得出主要監(jiān)測點(diǎn)分布計(jì)算原理如圖1所示。

圖1 變形監(jiān)測點(diǎn)、控制點(diǎn)計(jì)算布置原理圖

3.2 監(jiān)測范圍

根據(jù)圖1計(jì)算，以測點(diǎn)覆蓋地表移動盆地邊界線計(jì)算，走向觀測線長V=1251m，傾向觀測線長S=1027m，監(jiān)測面積達(dá)到1.285km2。

3.3 測點(diǎn)布置

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，地表移動盆地沿走向呈左右對稱分布。因此，走向觀測線V沿工作面中線布置，沿回采方向編號V1～V17；傾斜方向分別布置A～I(xiàn)共9條觀測線，每兩條觀測線間相距40m或80m不等。以上每條觀測線中的監(jiān)測點(diǎn)兩兩相距40m布置，由回風(fēng)巷向運(yùn)輸巷方向編號1～10，共計(jì)107個監(jiān)測點(diǎn)。在E觀測線兩端每端布置3個控制點(diǎn)，編號K1～K6；V線兩端每端1個控制點(diǎn)，編號K7～K8，共8個控制點(diǎn)，用作測點(diǎn)基準(zhǔn)參考點(diǎn)。測點(diǎn)布置如圖2所示。

3.4 觀測方案

（1）觀測頻次。根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）有關(guān)要求，需要對布置的觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化情況至少觀測兩次，并取平均值，作為沉降計(jì)算的數(shù)值[5]。考慮工作面推進(jìn)進(jìn)度，第一個觀測年前半年每月觀測2次，共計(jì)12次；后半年每月1次，共計(jì)6次；第二個觀測年每月一次，共12次。2016年8月回采開始至2017年9月，共計(jì)觀測20次。

（2）變形監(jiān)測網(wǎng)等級。根據(jù)《規(guī)范》要求，結(jié)合實(shí)際，按照變形監(jiān)測二級要求完成測量操作，使用水準(zhǔn)測量。

（3）高程系統(tǒng)。為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及后期使用，采用與礦區(qū)一致的高程系統(tǒng)。

（4）控制點(diǎn)。控制點(diǎn)選擇在沉降塌陷區(qū)外，且在底面位于凍土線下方500mm以下。

（5）方法及儀器。水準(zhǔn)儀選用徠卡NA2及配套水準(zhǔn)標(biāo)尺，按變形監(jiān)測二級水準(zhǔn)測量的要求完成作業(yè)；內(nèi)業(yè)平差計(jì)算采用Easyadj3.0進(jìn)行。

圖2 變形監(jiān)測點(diǎn)、控制點(diǎn)布置圖

4 數(shù)據(jù)分析

2016年8月回采開始至2017年9月，累計(jì)完成20×107=2140點(diǎn)次的垂直位移觀測，并匯總統(tǒng)計(jì)出每個監(jiān)測點(diǎn)的下沉總量，據(jù)此繪制地表沉降等值曲線。2016年底地表沉降等值曲線如圖3所示，圖4為地表沉降等值線范圍隨著工作面的推進(jìn)不斷發(fā)生變化。

根據(jù)圖3、4分析，隨著工作面推進(jìn)，地表下沉范圍在逐漸擴(kuò)大，但一直沒超出劃定監(jiān)測范圍，且邊界等值線變化不大，表明根據(jù)圖2計(jì)算設(shè)計(jì)的地表沉降邊界是正確的，且準(zhǔn)確度較高。

觀測數(shù)據(jù)顯示，工作面開始推進(jìn)后12天初次來壓，觀測時間12個月，期間共推進(jìn)700m，累計(jì)最大下沉量2812mm。最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在V11點(diǎn)處，達(dá)到2812mm，相近沉降量范圍較小，經(jīng)分析，該處對應(yīng)煤層位置存在一處高差6m、傾角53°的DF111正斷層，使得總體沉降量增大。

圖3 2016年底地表沉降等值曲線

圖4 地表沉降等值曲線演化圖

為了更直觀地研究沉降區(qū)域面積變化，根據(jù)不同時間的沉降面積統(tǒng)計(jì)，完成9203工作面地表沉降面積變化圖，如圖5所示。

由圖5可知，2017年2～4月，大于2m沉降量的范圍突然增大，2016年12月～2017年2月，0～1m沉降量范圍減小，表明采空區(qū)上覆巖層下沉速度增大；2017年5月后，沉降量逐漸穩(wěn)定，是因?yàn)槌两邓俣戎饾u減小并達(dá)到穩(wěn)定。

圖5 沉降區(qū)域面積變化圖

5 結(jié)束語

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性與測量操作的標(biāo)準(zhǔn)程度有關(guān)，數(shù)據(jù)的后期處理難度較大，但對結(jié)論得出以及沉降預(yù)測意義重大。

（2）隨著工作面推進(jìn)，地表下沉范圍在逐漸擴(kuò)大，但一直沒超出劃定監(jiān)測范圍，且邊界等值線變化不大，表明根據(jù)圖2計(jì)算設(shè)計(jì)的地表沉降邊界是正確的，且準(zhǔn)確度較高。

（3）與附近數(shù)據(jù)相比，斷層的存在使沉降量有一定程度的增大，表明斷層對地表沉降有較大影響，在做沉降預(yù)測時，斷層應(yīng)作為重要影響因素考慮。