煤礦開采工作面地表巖移觀測站設(shè)計(jì)及地表移動分析

孟京　王宏濤　王耀興

【摘 要】對煤礦地下開采導(dǎo)致的地面沉陷進(jìn)行觀測站設(shè)計(jì)并進(jìn)行地表移動觀測與分析，對于保障煤礦安全生產(chǎn)、預(yù)測地表沉陷范圍、降低開采成本具有重要意義。本文以建新煤礦4210工作面為研究對象，進(jìn)行了地表移動站設(shè)計(jì)，采用實(shí)地觀測法對該工作面進(jìn)行地表移動觀測，以獲取本地區(qū)特有條件下，因地下煤層開采后，引起的地表移動、變形及破壞規(guī)律，并計(jì)算獲得各種移動角、邊界角、最大下沉角、充分采動角等數(shù)據(jù)，為礦區(qū)規(guī)劃、環(huán)境評價(jià)、礦井設(shè)計(jì)、以及安全合理的留設(shè)保安煤柱提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】地下開采;地表移動;觀測站

中圖分類號： TD325.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）22-0188-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.087

煤炭資源的開發(fā)與利用，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境有著顯著的影響，開采塌陷造成地面構(gòu)筑物、道路損毀，良田無法耕種，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞[1]。為有效減小和的防治地下開采所帶來的不良影響，必須掌握地表移動和變形規(guī)律。本文以建新煤礦4210工作面為研究對象，通過對該工作面進(jìn)行地表移動觀測，按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程要求建立地表移動觀測站。在此，基于觀測計(jì)劃獲得實(shí)測數(shù)據(jù)，通過實(shí)地觀測、分析數(shù)據(jù)和研究規(guī)律，獲得礦區(qū)特有開采條件下的基本巖層移動參數(shù)，為合理布設(shè)工作面和選定開采順序、保護(hù)地面和井下設(shè)施，安全、高效生產(chǎn)，提供有效保障[2-4]。

1 礦區(qū)概況

建新煤礦（建南井田）行政區(qū)劃地處延安市黃陵縣腰坪境內(nèi)，隸屬黃陵縣店頭鎮(zhèn)。自然地理分布地處黃陵縣建莊林區(qū)，屬陜北黃土高原南部的低中山丘陵，區(qū)內(nèi)山巒起伏、溝壑縱橫、地形復(fù)雜，屬侵蝕構(gòu)造地形，并呈堆積的山間河谷地貌特征。植被以灌木、松樹等為主，覆蓋密度大，為典型的低山林區(qū)，水系較發(fā)育。西以山神廟梁為界，東至新村川，北以原建莊中部無煤帶為界，南至齊家灣。井田地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°48′15″～108°55′15″，北緯35°20′30″～35°24′00″，范圍由四十個(gè)拐點(diǎn)構(gòu)成，東西長約10.5km，南北寬約6.4km，面積約49km2。建新煤礦風(fēng)井附近有布設(shè)的D級GPS點(diǎn)，點(diǎn)位保存完好，成果可靠，可作為本項(xiàng)目連接測量工作的起算數(shù)據(jù)。

2 觀測站設(shè)計(jì)

為更準(zhǔn)確研究開采過程以及開采后的地表移動變形，按規(guī)程要求在地表建立了觀測站，本觀測站考慮到工作地點(diǎn)位于山區(qū)，觀測站點(diǎn)埋設(shè)比較困難，地形陡峭，工作難度大，布設(shè)方案擬定為：布設(shè)一條走向觀測線B和一條傾向觀測線A[5-7]。傾向觀測線A受臨近采空區(qū)影響，布設(shè)53個(gè)工作測點(diǎn)，長度約1600m，盡可能布置成直線，貫穿整個(gè)42盤區(qū)西至溝口位置;受地形影響，走向觀測線B布設(shè)20個(gè)工作測點(diǎn)，布置在沉陷盆地內(nèi)，長度500m。4210工作面地表移動觀測站觀測線布設(shè)如圖1所示。

圖1 4210工作面地表移動觀測站觀測線布設(shè)圖

地表移動觀測工作可分為： 觀測站的連接測量、全面觀測、單獨(dú)進(jìn)行水準(zhǔn)測量、地表破壞的測定和編錄。地表移動觀測的基本內(nèi)容是在地下開采過程中，定期地、重復(fù)地測定觀測線上各測點(diǎn)在不同時(shí)期內(nèi)空間位置變化[8]。

3 地表移動分析

3.1 參數(shù)解算

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行地表移動變形參數(shù)計(jì)算分析，獲得了此地質(zhì)采礦條件下的計(jì)算參數(shù)見表1。通過充分性判斷，確定該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下采空區(qū)走向和傾向?qū)嶋H長度分別為1925m和210m，平均采深600m，采動程度由D/H表示，即：210/600<1.2～1.4、1925/600>1.2～1.4：傾向非充分采動，走向已充分采動。

以下沉10mm確定邊界點(diǎn)，至采空區(qū)邊界的連線與水平線在礦柱一側(cè)的夾角稱為邊界角，按斷面不同，分別為走向邊界角δ0、下山邊界角β0、上山邊界角γ0。走向方向因觀測點(diǎn)較少，不能判斷邊界位置，走向邊界角δ0不能計(jì)算。

上山邊界角γ0以KA01作為邊界點(diǎn)計(jì)算，KA01距離采空區(qū)邊界224.5m，開采深度600m，

γ0=atn（600/224.5）=69.5°? ? ? ? ? ? ?（1）

下山邊界位置受其他工作面采空區(qū)影響不能準(zhǔn)確判斷。

地表移動盆地主斷面上臨界變形值（傾斜、水平變形、曲率）中最外邊一個(gè)點(diǎn)至采空區(qū)邊界連線與水平線在礦柱一側(cè)的夾角稱為移動角，按斷面不同，分為走向移動角δ、下山移動角β和上山移動角γ。走向方向因觀測點(diǎn)較少，不能判斷最外圍位置，走向移動角δ不能計(jì)算。

在第9、10、11期觀測數(shù)據(jù)中，僅觀測點(diǎn)A16曲率值達(dá)到臨界值，所以上山方向以A16點(diǎn)位置計(jì)算上山移動角γ，A16點(diǎn)距離4210工作面邊界的水平距離為78.5m，開采深度為600m，松散層厚度20m（未達(dá)到1/10采深，忽略計(jì)算），

γ=atn（600/78.5）=82.5°? ? ? ? ? ? ? ?（2）

下山移動角受其他采空區(qū)影響不能準(zhǔn)確判斷。

工作面推進(jìn)工程中，工作面前方的地表受到采動影響下沉，這種現(xiàn)象稱為超前影響，以地表下沉10mm判斷，下沉點(diǎn)與當(dāng)時(shí)工作面的連線和水平線在礦柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角ω;開始下沉的點(diǎn)到工作面的水平距離稱為超前影響距l(xiāng)。

走向線第2、3期觀測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)工作面推進(jìn)到790m時(shí)，地表B111地表下沉5mm，B112下沉9mm，超前影響距離為171m;當(dāng)工作面推進(jìn)到890m時(shí)，地表B109下沉11mm，B108下沉8mm，超前影響距離為170m，判斷超前影響距離l=170m。平均開采深度600m，超前影響角

ω=arccot（l/H0）=74.2°? ? ? ? ? ? ? ? （3）

在傾斜主斷面上，由采空區(qū)的中點(diǎn)和地表移動盆地最大下沉點(diǎn)在地表水平上投影點(diǎn)的連線與水平線之間在煤層下山方向一側(cè)的夾角。

根據(jù)第11期觀測數(shù)據(jù)，傾向觀測線A23、A24達(dá)到最大下沉值，擬合下沉曲線后，取A23點(diǎn)為最大下沉位置，距離工作面下邊界為35.3m，距離上邊界為249.7m，距離工作面中心位置142.5m，偏離下山方向，開采深度600m。

最大下沉角θ=atn（600/142.5）=76.6°? ? ? ? （4）

綜上，根據(jù)地表移動觀測資料計(jì)算，獲得了一些本地質(zhì)、地形、采礦條件下的巖層和地表移動參數(shù)，這些參數(shù)是在實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過整理、分析、計(jì)算得到的，較為客觀的反映了開采的實(shí)際情況。表1為地表移動參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3.2 地表移動變形特點(diǎn)

在整個(gè)地表移動過程中，地表任一點(diǎn)的下沉速度是有規(guī)律地變化的，開始時(shí)很慢，逐漸增大，達(dá)到最大值，然后逐漸變小，直至最后移動停止。在一般情況下，點(diǎn)的下沉速度的變化在時(shí)間上和空間上是連續(xù)的、漸變的。圖2為走向線變形曲線圖，圖3為傾向線變形曲線圖。

結(jié)果表明：走向線方向最大下沉點(diǎn)位于B120，下沉值為1007mm;同時(shí)傾斜值趨近于0，符合沉降最大下沉點(diǎn)附近傾斜趨近于0，負(fù)曲率的規(guī)律;同時(shí)水平變形曲線和曲率曲線相似，符合一般般規(guī)律。傾向線方向最大下沉出現(xiàn)在A33點(diǎn)附近，達(dá)到2222mm，位于工作面下山方向邊界上方，不符合一般規(guī)律，但下沉曲線和傾斜曲線一致，即最大傾斜出現(xiàn)在工作面邊界上方，最大下沉點(diǎn)附近傾斜趨近于0，最大下沉點(diǎn)附近曲率為負(fù)曲率;同時(shí)曲率曲線和水平變形曲線走向基本一致，說明傾向觀測線觀測工作效果較好。

4 結(jié)論

根據(jù)對實(shí)測資料進(jìn)行綜合分析，本次開采為走向方向充分采動，傾向方向非充分采動條件下的規(guī)律。

（1）最大下沉點(diǎn)偏向下山方向明顯，位于4210和4208工作面邊界上方。

（2）下沉曲線、傾斜曲線、曲率曲線基本一致，其中曲率曲線凹凸不明顯。

（3）采深較大，沉降速度比較平緩，水平移動不明顯，活躍期不明顯，下沉周期較長，現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)不能完全分析。

（4）最大下沉角偏小，下沉偏移4208工作面過多，需要更多數(shù)據(jù)支撐。

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