杭來灣煤礦塌陷區(qū)地面沉降監(jiān)測方案設(shè)計

韓鑫儒，張博龍

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

杭來灣煤礦經(jīng)過近5年的開采，在采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)形成了大面積地面塌陷區(qū)，采空區(qū)內(nèi)3#煤層開采導(dǎo)致地表呈條帶狀或橢圓狀塌陷。由于周邊礦井沒有相關(guān)的地表沉陷變形分布特征及各項移動參數(shù)可供參考，因此迫切需要開展礦井采空區(qū)地表移動規(guī)律方面的研究，否則將嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)和長遠(yuǎn)發(fā)展[1-2]。然而開采引起的巖層與地表移動規(guī)律和過程極其復(fù)雜，受煤層埋深、煤層厚度、覆巖特性、開采方法等諸多因素影響，目前研究采空區(qū)地表沉陷規(guī)律和參數(shù)主要方法是現(xiàn)場觀測[3-5]。通過分析現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，掌握采空區(qū)地表沉陷移動規(guī)律和各項巖移參數(shù)，將為礦井大采高綜合機械化開采提供移民搬遷、生態(tài)復(fù)墾、保安煤柱設(shè)計等方面的參考，可以促進(jìn)礦井持續(xù)、穩(wěn)定、高效、安全發(fā)展。

1 礦井概況及監(jiān)測內(nèi)容

1.1 礦井概況

杭來灣井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)，礦井核定生產(chǎn)能力為8.00 Mt/a，服務(wù)年限為67.9 a；杭來灣煤礦301盤區(qū)3#煤可采厚度為8.27～10.41 m，平均煤厚度9.13 m，礦井采用長壁綜合機械化采煤法，開采301盤區(qū)3#煤上分層，全部垮落法管理頂板。301盤區(qū)由東向西布置有10個綜采工作面，工作面走向長度4 313.3 m，傾向長度299.1 m。

1.2 監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計

設(shè)計思路：30107和30108回采工作面回采前，在工作面內(nèi)及周邊影響范圍內(nèi)布置觀測線，并沿線設(shè)置觀測點，回采過程中連續(xù)觀測地表的位移和高程變化及監(jiān)測點之間的相對位移，分析和總結(jié)地表變形規(guī)律和相關(guān)巖移參數(shù)。

巖移參數(shù)的確定：由于該礦井還沒有開采沉陷方面的實測資料，地表觀測站的設(shè)計按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》和《煤礦測量規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行[6-7]，參考其他開采條件類似礦井的地表移動觀測經(jīng)驗來確定。地表移動觀測站設(shè)計采用的巖移和采礦相關(guān)參數(shù)取值如下：①基巖移動角δ=β=γ=72°；②松散層移動角φ=45°；③煤層傾角α=0°；④最大下沉角θ=90-0.6α=90°；⑤移動角修正值(走向Δδ，傾向下山Δβ，傾向上山Δγ)Δδ=Δβ=Δγ=20°；⑥松散層厚度h=70 m；⑦平均采深H0=230 m，工作面走向長D=4 313.3 m，工作面的傾向長度L=300 m。

觀測線位置的確定：①根據(jù)最大下沉角，計算的走向觀測線Z1和Z2距離工作面上水平中央的距離為

D3=H0·ctgθ

(1)

式中：H0—開采深度，230 m；θ—最大下沉角，90°。計算得D3=0 m，因此，走向觀測線的位置在30108工作面中心的正上方。

②傾向觀測線Q1和Q2到開切眼的距離D1應(yīng)滿足D1≥h·ctgφ+(H0-h)·ctg(β-Δβ)=70ctg45°+160ctg52°=195 m；③傾向觀測線Q3和Q4到停采線的距離D2應(yīng)滿足D2≥h·ctgφ+(H0-h)·ctg(β-Δβ)=70ctg45°+160ctg52°=195 m。由于礦井開采沉陷規(guī)律尚不明確，為了最大限度獲取移動變形數(shù)據(jù)，將觀測線在半盆地的邊界長度定為300 m。觀測線的位置設(shè)計如圖1所示。

觀測線長度的確定：工作面走向斷面和傾向斷面觀測線長度的計算和參數(shù)按圖2所示的要求選取。①走向觀測線長度LGN按下式計算

LGN=2htgφ+2(H0-h)·ctg(δ-Δδ)+D

(2)

式中：H0—平均采深，230 m；h—松散層厚度，70 m；φ—松散層移動角，45°；D—工作面走向長，210 m；δ—基巖走向移動角，72°；Δδ—走向移動角修正值，20°。計算得，LGN=4 913.3 m；

②傾向觀測線長度LAB按下式計算

LAB=2h·ctgφ+(H0-h)·ctg(β-Δβ)+(H0-h)·ctg(γ-Δγ)+L·cosα

(3)

式中：α—煤層傾角，0°；L—工作面傾向長，300 m；β—傾向下山移動角；Δβ—傾向下山移動角修正值；γ—傾向上山移動角；Δγ—傾向上山移動角修正值。計算得，LAB=690 m。

圖1 觀測線的位置示意

圖2 觀測線的長度確定

1.3 采空區(qū)觀測站設(shè)計

監(jiān)測點密度和間距：根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》的要求，觀測點的間距設(shè)計按表1進(jìn)行設(shè)置。30107工作面觀測站沿工作面回采方向布置觀測線，確定走向觀測線長度4 313.3 m，點間距15 m，設(shè)計329個工作測點。30108工作面觀測站沿走向在切眼側(cè)布設(shè)1 000 m，點間距為15 m，設(shè)計68個工作測點。根據(jù)設(shè)站目的和開采順序，設(shè)計時工作面傾向長度綜合30106、30107、30108等3個工作面，確定布設(shè)兩條傾向觀測線。向采空區(qū)和未采區(qū)方向延伸300 m，布設(shè)一條傾向觀測線長度1 200 m，設(shè)計80個工作測點；布設(shè)一條傾向觀測線長度900 m，設(shè)計60個工作測點，測線布置如圖3所示。

表1 開采深度與測點間距對照表

圖3 開采沉陷觀測線布置圖

監(jiān)測周期：30106工作面開采結(jié)束一定時間后，上覆巖層在重力作用下被重新壓實，地表沉降逐漸穩(wěn)定。為隔離相鄰工作面采空區(qū)積水，確保安全生產(chǎn)，工作面順槽之間留設(shè)了相應(yīng)的保護(hù)煤柱，這些煤柱對采空區(qū)依然具有支撐作用。受采空區(qū)頂板壓力、采空區(qū)積水、圍巖變形等因素影響，相鄰采空區(qū)之間的煤柱可能出現(xiàn)再次垮落的現(xiàn)象，引起覆巖和地表的再次移動。因此，將監(jiān)測周期設(shè)置為3 a，每月觀測一次位移和高程，并盡量減小每次觀測時間，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2 測量方法

2.1 儀器及精度

測量儀器：地表沉降監(jiān)測儀器和方法，主要受地形條件和環(huán)境條件影響。結(jié)合工作面的實際情況，觀測線工作測點的平面位置和高程按一級RTK動態(tài)測量精度要求施測，觀測采用蘇光……GPS平面位置精度±(5 mm+2×10-6)高程精度±(10 mm+2×10-6)。檢測儀器采用TOPCONAT-G2 精密水準(zhǔn)儀(精度為0.4 mm)，拓普康7501全站儀，測角精度2″，測距精度±(2 mm+2×10-6D)。

觀測精度：觀測站觀測的平面和高程采用RTK一級快速靜態(tài)觀測，觀測時采用三角架對中，整平。觀測站外業(yè)觀測可采用相應(yīng)等級的衛(wèi)星定位靜態(tài)技術(shù)測定坐標(biāo)，全站儀測量邊長和角度等方法，高程外業(yè)檢測可采用相應(yīng)等級的三角高程、幾何水準(zhǔn)測量等方法，各項檢查必須符合《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量(RTK)技術(shù)規(guī)范》和《建筑變形測量規(guī)范》要求[8-9]。

2.2 觀測方法及預(yù)期結(jié)果

觀測方法：30107工作面地表移動觀測站布置圖，以礦井井上下對照圖和采掘工程平面圖為底圖，在圖上直接選取觀測站控制點和設(shè)計觀測點的坐標(biāo)和高程，用GPS-RTK按設(shè)計進(jìn)行測點埋設(shè)和測點標(biāo)定。測點埋設(shè)完成后，待自身沉降穩(wěn)定之后，即可進(jìn)行觀測，地表移動觀測站的觀測工作可分為采前觀測、采中觀測和采后觀測。①采前觀測—工作面開始回采前，對所有觀測點進(jìn)行兩次觀測，間隔小于5 d，兩次測得的同一點高差不大于10 mm、點位差不大于30 mm時，取平均值作為各工作測點的基準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)地表沉降的活躍程度將地表移動可分為4個階段，分別為初始期、活躍期、衰退期和穩(wěn)定期。連續(xù)6個月各觀測地表點累計下沉值均小于30 mm時，視為地表沉降趨于穩(wěn)定；②采中觀測—所謂日常觀測工作，指的是首次和末次全面觀測之間適當(dāng)增加的測量工作，為判定地表是否已開始移動，在回采工作面推進(jìn)一定距離后在預(yù)計可能首先移動的地區(qū)，選擇幾個工作測點，每隔幾天進(jìn)行一次測量，觀測頻率視地表下沉的速度而定，一般是每隔1～3個月觀測一次。在地表移動的活躍期段，應(yīng)在沉降較大區(qū)域，增加觀測次數(shù)。為減小儀器、人員和環(huán)境因素對觀測結(jié)果的影響，監(jiān)測的整個過程應(yīng)當(dāng)由專門人員使用固定儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。在工作面回采過程中，需要詳細(xì)記錄和描述裂縫出現(xiàn)的時間、塌陷區(qū)形態(tài)、工作面對應(yīng)位置、采厚、工作面推進(jìn)速度、頂板垮落狀況等有關(guān)情況；③采后觀測—由于采空區(qū)沉降的周期較長，為達(dá)到要求的觀測精度，需要盡可能地延長觀測周期。工作面回采過后半年，可適當(dāng)?shù)販p小觀測頻率，一般是每隔3～4個月觀測一次，直至各個觀測點觀測周期滿3 a。

預(yù)期結(jié)果：通過對回采工作面開采沉陷監(jiān)測預(yù)計可獲得如下成果。①煤層開采的地表移動規(guī)律；②采空區(qū)地表移動相關(guān)參數(shù)；③沉降觀測成果表；④沉降速度、時間和沉降量關(guān)系曲線；⑤位移時間曲線圖、內(nèi)部位移時間曲線圖；⑥穩(wěn)定性評價參數(shù)；⑦觀測成果綜合分析報告。

3 結(jié)語

采煤引起的地表沉陷和移動是一個復(fù)雜的過程，以杭來灣煤礦為研究對象，根據(jù)礦井覆巖性質(zhì)、開采厚度、煤層埋深、采煤方法及地表沉降特征，規(guī)劃和設(shè)計了杭來灣煤礦采空區(qū)地表沉降觀測方案。獲取礦井地表移動規(guī)律和相關(guān)巖移參數(shù)，并通過對觀測資料的綜合分析，評價杭來灣煤礦塌陷區(qū)穩(wěn)定性和演變規(guī)律，預(yù)期可以為礦井大采高綜合機械化開采提供移民搬遷、生態(tài)復(fù)墾、保安煤柱設(shè)計、資源回收等方面的參考資料，進(jìn)而確保礦井持續(xù)、穩(wěn)定、高效發(fā)展。