大采高綜采工作面地表沉降變形規(guī)律模擬研究及觀測(cè)站的建立

雒崇華

(山西焦煤霍州煤電呂臨能化有限公司, 山西 呂梁 033200)

1 前言

某礦4418工作面位于-600m水平,前組四采區(qū)四層煤第二亞階段。東臨F12斷層;西臨4418工作面采空區(qū);南臨4417工作面采空區(qū);北臨4419工作面采空區(qū),上覆4218工作面已開采結(jié)束。該工作面走向長為900m,傾斜寬為137m,工作面標(biāo)高為-500～-550m。

本工作面設(shè)計(jì)開采煤層為四層煤，煤層穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,變異系數(shù)為7.7%,可采指數(shù)為1,煤層厚度為3.02～8.52m，平均煤厚為5.4m。通過地質(zhì)資料分析和工作面掘進(jìn)揭露巷道證實(shí)，該工作面范圍內(nèi)，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層穩(wěn)定。工作面直接頂為泥巖，厚12.7m，基本頂?shù)[巖，厚24.8m。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度1.5m，基本底為中粒砂巖，厚度0.9m。該工作面采用一次采全高大采高綜采工藝。該工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，工作面共揭露一條斷層,對(duì)回采影響不大。煤層走向155°，傾向65°，傾角22°。

該工作面瓦斯涌出量為0.6m3/min，瓦斯等級(jí)為低級(jí)，發(fā)火期2～3個(gè)月，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，爆炸指數(shù)為39.28%。

該工作面對(duì)應(yīng)地表附近有村落，通過數(shù)值模擬研究該工作面回采過程中對(duì)地面沉降的影響，采取適當(dāng)措施，保護(hù)地面建筑物的安全。

2 地表沉降模擬研究

2.1 地表沉降模型

采用UDEC模擬軟件，依據(jù)工作面的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，模擬工作面上覆巖層的移動(dòng)情況。圖1所示為采用UDEC建立的數(shù)值模擬模型，模型高為540m，寬為800m，同時(shí)模型左、右各留100m，開采長度為600m。該工作面采高為5.4m，該數(shù)值模型采高為5m，每次開采5m，為了觀測(cè)采動(dòng)過程中地表的變形規(guī)律，在模型中設(shè)置了5條觀測(cè)線，觀測(cè)工作面開采過程中巖層的移動(dòng)情況，觀測(cè)線具體設(shè)置在煤層上方2m、20m、120m、140m、地表表層，測(cè)線布置如圖2所示。

圖1 UDEC數(shù)值模擬模型圖

圖2 測(cè)線布置示意圖

2.2 地表沉降數(shù)值模擬分析

隨著數(shù)值模擬的運(yùn)行，通過導(dǎo)出數(shù)值模擬中測(cè)線的數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)線6的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析，測(cè)線的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)工作面開始回采時(shí)，地表巖層沒有發(fā)生沉降。隨著工作面的不斷推進(jìn)，巖層移動(dòng)逐漸波及至地表，地表開始出現(xiàn)沉降[1]。工作面開采長度越大，地表沉陷范圍越大、下沉量越大。當(dāng)工作面推進(jìn)至400m時(shí)，地表沉降趨于穩(wěn)定，下次量約為2.5m，且工作面中部對(duì)應(yīng)的地表沉降最大。

圖3 測(cè)線6的變化曲線

3 建立地表觀測(cè)站

礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)站可以不同時(shí)間定期、重復(fù)的觀測(cè)地表的變化情況，因此為了更好觀測(cè)該礦井工作面地表的沉降情況，在地表建立移動(dòng)觀測(cè)站。現(xiàn)在從以下幾個(gè)方面建立地表移動(dòng)觀測(cè)站。

3.1 觀測(cè)站控制點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

地表移動(dòng)觀測(cè)站的控制點(diǎn)標(biāo)石采用鋼筋混凝土預(yù)置標(biāo)樁或現(xiàn)場混凝土澆筑標(biāo)樁，其規(guī)格應(yīng)參照《煤礦測(cè)量規(guī)程》等相關(guān)要求制作(可使用一層標(biāo)石)。標(biāo)樁的底部埋深要低于凍土層2.5m，標(biāo)樁要牢固，以使其可以和地表一起移動(dòng)。

測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)現(xiàn)場埋設(shè)，應(yīng)在標(biāo)定的位置上挖一個(gè)直徑0.2～0.3m，深度不小于0.6m的坑，用混凝土灌筑，中間用16～20mm的鐵桿作標(biāo)志，作為測(cè)點(diǎn)標(biāo)志的中心。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)在凍土層以下0.5m左右，同時(shí)測(cè)點(diǎn)周圍填緊土石，以防止測(cè)點(diǎn)受凍土影響[2]。

3.2 觀測(cè)站所需儀器與方法

1) 所需儀器

移動(dòng)觀測(cè)站里需要全站儀，測(cè)角精度2″,與礦區(qū)控制網(wǎng)連測(cè)全面測(cè)量。水準(zhǔn)儀進(jìn)行巡視測(cè)量和水準(zhǔn)測(cè)量。GPS與礦區(qū)控制網(wǎng)連測(cè)全面測(cè)量。

2) 測(cè)量方案

在觀測(cè)點(diǎn)埋好10～15天，點(diǎn)位固結(jié)之后，進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)工作包括下列內(nèi)容：

(1)連接測(cè)量。根據(jù)礦區(qū)地面控制網(wǎng)和觀測(cè)站位置及其地形情況，用插點(diǎn)法測(cè)定觀測(cè)線交點(diǎn)或一個(gè)控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，其他控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)可按四等導(dǎo)線測(cè)角方法所測(cè)得角度和觀測(cè)線邊長丈量的結(jié)果。

如采用GPS進(jìn)行觀測(cè)，用不少于三臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，按照規(guī)程規(guī)定的C級(jí)網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施測(cè)。

(2)全面觀測(cè)。在與礦區(qū)控制網(wǎng)連測(cè)后、地表開始移動(dòng)之前，應(yīng)對(duì)地表觀測(cè)站的全部測(cè)點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測(cè)，觀測(cè)間隔時(shí)間不超過5天。同一地點(diǎn)的兩次測(cè)量高程差小于10mm、長度差小于4mm時(shí)，取平均值做為觀測(cè)數(shù)據(jù)，并繪到觀測(cè)站設(shè)計(jì)平面圖上。

當(dāng)?shù)乇沓两第呌诜€(wěn)定時(shí)，再進(jìn)行一次全面測(cè)量。連續(xù)半年以上，地表各點(diǎn)的累積下沉量小于30mm，可以認(rèn)定地表下沉穩(wěn)定。

4 結(jié)論

對(duì)該工作面地表沉降規(guī)律進(jìn)行模擬，該工作面中部對(duì)應(yīng)地表下沉量最大，下沉降為2.5m，水平移動(dòng)影響范圍要略大于工作面回采的長度。同時(shí)介紹了該礦井地表移動(dòng)觀測(cè)站的建立方案。