采煤工作面地表巖移觀測方法設計

王 博，楊昆侖

(1.陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710054;2.陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院，陜西 西安 710000)

0 引言

多年來，礦區(qū)煤炭開采區(qū)地表移動變形引發(fā)的地質災害一直不同程度地存在著[1-2]，并且伴隨著煤炭開采能力和技術的不斷提升，這一現(xiàn)象在今后仍會加劇和持續(xù)。此次工作面地表開采沉陷觀測項目，是為了對下峪口煤礦即將開采的23208工作面的地表進行監(jiān)測，獲取在開采推進過程中，地表沉降的具體情況包括時間及空間信息。同時，通過對這2個工作面的地表開采沉降監(jiān)測，在完成工作面概率積分法預測模型時，各參數(shù)的計算可為煤礦其他工作面的開采提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

1 地面變形觀測線設計

由于下峪口煤礦近10年未進行過地面開采沉陷相關的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。此次地面變形觀測線的設計參數(shù)，選用同礦區(qū)地質、采礦條件相似的礦井已求得的角值進行計算。根據(jù)收集到的已有參數(shù)，結合《煤礦測量規(guī)程》及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》有關規(guī)定[3-5]，具體取值如下：基巖移動角β=γ=δ=70°～75°=74.8°；沖積層移動角φ=45°；煤層傾角α=4°；最大下沉角θ=90°-0.6α=87.6°；移動角修正值(走向Δδ，傾向上山Δγ，傾向下山Δβ)Δδ=Δγ=Δβ=20°。此次地面變形觀測線設置成直線，并與煤層走向垂直或平行。

地面變形觀測線一般可設走向觀測線和傾斜觀測線各一條，設在移動盆地的主斷面位置。也可以在地裂縫、地面塌陷的重點觀測區(qū)域，增加觀測線，設置成網(wǎng)狀觀測線。當工作面走向長度大于0.9H0時，可以只設半條走向觀測線。此次23208工作面，長度為1 260 m，平均開采深度H0約為460 m，工作面走向長度1 260 m>0.9H0=414 m，工作面布設半條走向觀測線。

此次地面變形觀測中利用剖面線狀觀測線的設計方法。走向觀測線應設在移動盆地的走向主斷面上，具體的確定方法為：在傾斜主斷面上，從采空區(qū)中心用最大下沉角θ劃線與地表相交于O點，通過O點作平行煤層走向的垂直斷面，此斷面所在的位置就是走向觀測線的位置。

具體的操作為，從采區(qū)中心O的正上方，向下山方向移動d=H0ctgθ的距離，23208工作面向下山方向移動距離為19.3 m。通過該點沿礦體走向做剖面線，即得到走向觀測線平面位置，如圖1所示。

圖1 走向觀測線定位示意圖

在預計的工作面停采線位置上，如圖2所示。做與水平面的夾角(δ-Δδ)與基巖和松散層交接面相交，再從交點以φ角劃線與地表相交，得B1點。同理，在開切眼一側按上述做法在地表求得B2點，B1B2即為走向觀測線長度。

圖2 走向觀測線分布圖

走向觀測線的長度B1B2按式(1)計算。

B1B2=2hctgφ+2(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+D

(1)

式中：h—平均厚松散層厚度；φ—沖積層移動角；H0—平均采深；δ，Δδ—走向移動角及其修正值；D—工作面可采走向長度。23208工作面h為15 m，H0為460 m，可得走向長度為1 260 m。

根據(jù)工作面的具體情況，將式中的數(shù)值帶入，可以求得23208工作面B1B2=1 922 m；工作面布置半條走向觀測線，則工作面走向觀測線長度為961 m。

自采區(qū)的上、下邊界分別以(γ-Δγ)和(β-Δβ)劃線與基巖和松散層交接相交，再從交點以φ角劃線交于地表A1、A2點，如圖3所示，A1A2即為傾斜觀測線長度。

圖3 傾斜觀測線分布圖

傾斜觀測線的長度的按式(2)計算。

A1A2=2hctgφ+(H1-h)ctg(β-Δβ)+(H2-h)ctg(γ-Δγ)+Lcosα

(2)

式中：h—平均厚松散層厚度；φ—沖積層移動角；H1、H2—分別為采區(qū)下邊界和上邊界的開采深度；β、Δβ—下山移動角及其修正值；γ、Δγ—上山移動角及其修正值；L—工作面的傾斜長度；α—煤層傾角。

根據(jù)上面的公式，將2個工作面的參數(shù)分別代入，其中，23208工作面長度為1 260 m。所以，傾斜觀測線長度為：875 m。

地面變形觀測線上的觀測點應有一定的密度，可根據(jù)開采深度和設站目的來定[6-9]。地面變形觀測線上測點數(shù)目和密度，主要取決于引起變形的地下開采深度和設站目的，和礦區(qū)地形地質條件、水文條件、開采情況密切相關。觀測線上測點密度應滿足表1。

表1 開采深度和點間距對應表

坡度大于20°的山地，開采深度大于300 m時，測點密度可放寬至30～50 m。

鑒于此次工作面開采深度為460 m，所以點間距離選擇25 m。

23208工作面共布設2條觀測線，其中傾斜觀測線1條，一條走向觀測線。23208工作面的走向觀測線長度為961 m，所以走向觀測線設計埋石數(shù)量為39個；傾斜觀測線布置了1條，長度875 m，設計埋石數(shù)量為35個。

2 地表巖移觀測方法

2.1 觀測要求

觀測區(qū)域位于丘陵區(qū)，且起伏較小，故地面變形觀測線的平面觀測采用RTK測量的方法，高程采用全站儀電磁波測距高程測量。埋石工作結束，經(jīng)過10～15 d標石沉降穩(wěn)定之后，方能進行觀測。

為了減小誤差，提高觀測精度，采用固定的觀測方式和觀測流程，對每個觀測點，平面觀測采用RTK，高程觀測采用三角高程附合導線測量，每次都用相同的方式進行測量。RTK測量時每次都盡量采用相同的基站點、相同的儀器；三角高程測量每次都盡量采用相同的起始點和閉合點。并且對每個觀測點盡量固定采用相同的儀器和人員。

為了保證所獲得觀測資料的準確性和可比性，以及氣象元素的大體一致，每條觀測線上各觀測點的觀測應盡可能在一日內(nèi)完成，特別是在移動活躍階段。

在地面變形觀測線的觀測過程中，不僅要及時地記錄和描述地表出現(xiàn)的裂縫位置、寬度的變化，變形的形態(tài)和時間，并及時上圖，還要記載每次觀測時工作面開采的相應位置、實際采出厚度、工作面推進速度、地質、水文等有關情況。

在觀測過程中，應每6個月測量一次觀測站控制點的變化，如發(fā)現(xiàn)控制點發(fā)生位移，應把控制點作為觀測點與其他觀測點一起進行觀測，而另行布置控制點。

2.2 初始觀測

在進行觀測站控制點連接測量后，標石沉降穩(wěn)定，地表開始變形之前，應對觀測線上的全部觀測點獨立進行2次全面觀測。

獨立進行的2次全面觀測，2次測得的同一點高程差不大于10 mm、同一邊的長度差不大于4 mm時，取平均值作為觀測線上各觀測點的原始觀測數(shù)據(jù)。同時，按各測點的實測數(shù)據(jù)展繪到觀測站設計平面圖上。

最初的全面觀測獲得的原始觀測數(shù)據(jù)是地面平面位移和高程沉降的比較基礎。

2.3 全面觀測

全面觀測的內(nèi)容，包括測定觀測線上各觀測點的平面位置和高程。

最初的全面觀測后，在采動影響前進行日常巡視觀測，如果發(fā)現(xiàn)測點的累計下沉量達到10 mm時，即認為地表已經(jīng)開始變形，進入地表移動初始期。

進入地表移動初始期后，進行日常巡視觀測，當?shù)乇砝塾嬒鲁吝_到50～100 mm時，進行采動后的第一次全面觀測。隨后，當日常巡視觀測發(fā)現(xiàn)每月下沉值大于50 mm時，進入地表移動活躍期。

在地表移動活躍期按照開采進度進行不少于4次全面觀測。在全面觀測和巡視觀測時，若發(fā)現(xiàn)每月下沉值小于50 mm時，進入地表移動的衰退期。

衰退期的巡視觀測直到6個月內(nèi)的下沉值不超過30 mm時為止，此時地表移動穩(wěn)定，進行最后一次全面觀測，獲得地表變形穩(wěn)定后觀測點的平面和高程最終數(shù)據(jù)。

在地表移動的發(fā)生階段，一般可根據(jù)開采深度、回采工作面推進速度和頂板巖性等具體條件，每隔1～3個月進行一次全面觀測。

2.4 日常巡視觀測

日常巡視觀測時，可視情況在預計可能沉降劇烈的地區(qū)，只進行周期性高程觀測。

為判定地表是否已開始移動，在回采工作面推進到一定距離(相當于0.2～0.5平均開采深度)后，在預計可能首先移動的地區(qū)，選擇幾個工作測點，測量其高程變化，如果發(fā)現(xiàn)測點的累計下沉量大于10 mm時，即認為地表已經(jīng)開始移動。

在地表移動初始期、活躍期和衰退期，日常巡視觀測的復測時間間隔，視地表下沉的速度而定，一般是每隔15～30 d觀測一次。在地表移動活躍期，還應在下沉較大的區(qū)段，增加觀測次數(shù)，5～10 d觀測一次。

以上的設計觀測過程從采動影響前開始，經(jīng)過地表移動初始期、地表移動活躍期、地表移動衰退期，直到地表移動穩(wěn)定后是一個理想的過程，在開采地面變形觀測的實際工作中，可能不是從采動影響前就開始工作，要謹慎推斷和細心分析、善于總結。

3 工作面沉降分析方法

根據(jù)工作面所有觀測數(shù)據(jù)和已有的地形、地質、開采工藝等數(shù)據(jù)，對工作面的沉降情況做以下分析。

地表移動盆地的位置、大小、范圍—根據(jù)觀測點的沉降數(shù)據(jù)，對盆地的位置、大小、范圍等進行計算，得到地表移動盆地的大體情況。

最大下沉值的分布位置及大小—根據(jù)觀測點的數(shù)據(jù)，計算主斷面上最大下沉值的點位及工作面的開采沉陷最大下沉值。

地表移動盆地在主斷面上的移動和變形的分布與特征—通過觀測數(shù)據(jù)，可以得到地表移動盆地在主斷面上的下沉、水平移動等情況，得到地表移動盆地在主斷面上的變形規(guī)律。

工作面開采沉陷移動盆地的發(fā)展過程及相應的主要參數(shù)—根據(jù)歷次觀測數(shù)據(jù)和工作面的開采進度，總結地表移動各個階段(初始階段、活躍階段、衰退階段)的持續(xù)時間以及地表移動持續(xù)的總時間，計算工作面開采沉陷發(fā)生的起動距、超前距、滯后距等。

4 結語

此次在下峪口煤礦23208工作面進行地表巖移觀測站的設計和觀測，對觀測成果進行綜合分析，最終得出地表巖移規(guī)律，為今后進行“三下”采煤和留設保護煤柱及征遷賠償工作提供科學依據(jù)。以研究結果作為指導，將“三下”(建筑物下、水體下、鐵路下)壓煤開采出來，將會帶來巨大經(jīng)濟效益和社會效益，對于環(huán)境保護與土地復墾有一定的幫助，而且對于挖掘礦井生產(chǎn)潛力、保證礦井的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義，具備廣闊的應用前景。