煤礦開采地表移動變形觀測與分析

李 揚，劉 威，魯 坤

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021；2.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199)

0 引言

煤炭資源作為我國基礎(chǔ)能源之一，在國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展進(jìn)程中長期占據(jù)著不可或缺、舉足輕重的地位。煤礦開采引起的地表移動和變形是一個非常復(fù)雜的力學(xué)變化和時空變化過程[1-3]。通過對煤炭開采區(qū)地表移動變形進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)和歸納具有獨特性的移動變形規(guī)律，對指導(dǎo)安全生產(chǎn)和減少因地表沉陷導(dǎo)致的各種損失都具有重要的意義[4-5]。彬長礦區(qū)某煤礦地表移動變形觀測工作區(qū)由101、102、103和104這4個工作面由東向西依次排列而成，區(qū)內(nèi)地表高程約為+880～+1 180 m。工作區(qū)南部臨近村莊和農(nóng)田，地勢平坦，以黃土地貌為主；中部和北部有河流流經(jīng)，由于地表水和雨水的影響，溝谷較深，主要地形地貌為山坡和河溝。溝谷受河流水流長期侵蝕而形成典型的沖溝地形，溝谷兩側(cè)地形坡度陡峭，工作區(qū)內(nèi)雜草叢生，溝底蘆葦茂盛，樹林零星分布于整個區(qū)域。溝內(nèi)大部分地方為第四系黃土，溝底局部可見基巖出露，地表覆蓋層厚度為90～270 m。

1 地表移動觀測

1.1 觀測線的布設(shè)

設(shè)計參數(shù)：因該煤礦以前未開展過地表移動變形觀測相關(guān)工作，沒有工作區(qū)內(nèi)的實測變形參數(shù)可供參考，因此，設(shè)計中采用的參數(shù)是由臨近開采地質(zhì)條件相似的煤礦的現(xiàn)有參數(shù)來計算的。按照已有參數(shù)結(jié)合相關(guān)測量規(guī)范規(guī)定，設(shè)計參數(shù)取值為平均厚松散層厚度h取200 m；基巖移動角β、γ、δ介于70°與75°之間，取72°；沖積層移動角φ為45°；煤層傾角α取2°；最大下沉角θ=90°-0.6α=88.8°；移動角修正值Δδ、Δγ、Δβ均取值為20°；平均開采深度H0取650 m。

觀測線位置：根據(jù)工作區(qū)地形地貌及其他相關(guān)條件，地表移動變形觀測線的形狀布設(shè)成直線，并與煤層走向線垂直或平行。因此走向觀測線布設(shè)于開采工作面走向上方，且考慮到煤層傾角和最大下沉角的影響相對于傾斜主斷面中心向下山偏移一定的距離,d=H0cotθ=650cot88.8°=13.616 m，傾斜觀測線與走向觀測線的位置關(guān)系為垂直交叉，并保證距開切眼或停采線的距離不小于0.7H0，且傾斜觀測線間距不得超過50 m。

觀測線長度：①計算公式。通過控制布設(shè)的觀測線長度足夠體現(xiàn)出移動盆地的特點。觀測線長度要并留出一定的富余量，延伸出移動盆地邊界以外，以便最終能準(zhǔn)確地確定出移動盆地邊緣的實際位置。走向觀測線長度計算公式

L走=2hcotφ+2(H0-h)×cot(δ-Δδ)+D

(1)

傾斜觀測線長度計算公式

L傾=2hcotφ+(H1-h)cot(β-Δβ)+(H2-h)cot(γ-Δγ)+Lcosα

(2)

②計算結(jié)果及觀測線布設(shè)。由于工作區(qū)4個工作面平行分布且走向長度一致，故傾斜觀測線可共同布設(shè)2條；101、102、103和104這4個工作面分別布設(shè)一條走向觀測線，故走向觀測線共布設(shè)4條。因工作區(qū)內(nèi)平均開采深度在650 m左右，根據(jù)規(guī)范要求取觀測點間距為25 m。通過上述公式計算可得，102、103、104這3個工作面的走向觀測線長度均為1 500 m，所以每條走向觀測線的埋石數(shù)量為63個(兩頭均多布設(shè)了一個)，而由于101工作面已趨于穩(wěn)定，故在布設(shè)其走向觀測線時在開始部分少設(shè)置10個點，101工作面走向觀測線為53個點；2條傾斜觀測線每條線分別布設(shè)84個觀測點。同時，按照滿足規(guī)范的原則共布設(shè)了10個觀測站控制點。最終工作面及地表移動觀測線布設(shè)，如圖1所示。

圖1 工作面及地表移動觀測線布設(shè)圖

1.2 地表移動觀測點的測量

觀測要求：由于工作區(qū)地形復(fù)雜，斜坡和溝谷深度較深，地表移動變形觀測線的平面觀測采用全站儀附合導(dǎo)線方法，高程測量采用全站儀三角高程附合導(dǎo)線的方法進(jìn)行。必須在所有觀測點埋石完成并且標(biāo)石沉降穩(wěn)定后才能開始進(jìn)行觀測。觀測精度必須滿足表1和表2的要求。

表2 觀測點高程測量精度指標(biāo)

表1 觀測點平面測量精度指標(biāo)

連接測量：觀測站控制點連接測量的目的是將前期布設(shè)的基礎(chǔ)控制測量坐標(biāo)系與觀測站控制點相聯(lián)系，或?qū)⒂^測站控制點坐標(biāo)系與國家或礦區(qū)坐標(biāo)系相統(tǒng)一，從而達(dá)到統(tǒng)一觀測站與工作面相互位置關(guān)系的目的。為確保后期觀測數(shù)據(jù)和前期觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一基準(zhǔn)性，必須根據(jù)實際沉降情況和其他外界因素定期對觀測站控制點進(jìn)行穩(wěn)定性檢測。在每次對各個觀測站控制點進(jìn)行測量和檢測時均應(yīng)采用相同的起算點和觀測方法、觀測流程，且由同一觀測人員使用同一臺儀器設(shè)備，盡量達(dá)到減小測量誤差的目的。

全面觀測：初始全面觀測就是以觀測站控制點為基準(zhǔn)點，對所有觀測點的平面和高程進(jìn)行測量，獲得的觀測成果是后期全面觀測和周期性日常觀測位移、沉降的比較基礎(chǔ)。各條觀測線的觀測均應(yīng)盡量在一日內(nèi)完成，以保證觀測時氣象元素的大體一致性。全面觀測的測量工作主要是利用測量儀器在野外實地觀測每個觀測點的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而解算得到各點的平面坐標(biāo)和高程值。全面觀測主要依據(jù)工作面回采速度等相關(guān)因素，每次間隔約30 d左右進(jìn)行一次，直到全面觀測或日常觀測發(fā)現(xiàn)半年內(nèi)下沉值小于30 mm時進(jìn)行最后一次全面觀測，得到各觀測點最終的平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。

日常觀測：日常觀測指的是首次和末次全面觀測之間適當(dāng)增加的日常測量工作[6-7]。為了確定地表移動是否已經(jīng)開始，在工作面回采一定距離后，在可能首先移動的區(qū)域中選擇若干個觀測點，并在一定時間內(nèi)間斷地進(jìn)行周期性觀測，如果發(fā)現(xiàn)觀測點有下沉趨勢，說明地表已經(jīng)開始移動。

2 地表移動觀測數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)檢核與處理：對每天的野外觀測成果，要及時檢查數(shù)據(jù)的正確性和資料的完整性。如發(fā)現(xiàn)粗差或超限，應(yīng)及時采取補救措施或返工重測，直到全部觀測數(shù)據(jù)符合規(guī)范規(guī)定為止。檢查核對包括：野外觀測原始紙質(zhì)記錄紙是否與實際相符、記錄的格式和內(nèi)容是否規(guī)范和正確；如有電子數(shù)據(jù)需核對數(shù)據(jù)格式正確與否、數(shù)據(jù)文件是否完整可用；電子數(shù)據(jù)是否做好備份以及是否包含所有的外業(yè)測量數(shù)據(jù)等方面。在檢查核對外業(yè)成果準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)上，將觀測所得的紙質(zhì)原始記錄數(shù)據(jù)錄入電腦，利用地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行平差計算，得到所有觀測點的平面坐標(biāo)和高程值，同時計算相鄰測點間的水平距離在觀測線方向上的投影長度，為下一步制圖做好準(zhǔn)備。

計算移動變形值：觀測線觀測點每次觀測之后根據(jù)當(dāng)次實際觀測成果，與前次成果進(jìn)行比對和分析，然后計算各種移動和變形值。最終的地表移動變形應(yīng)根據(jù)末次全面觀測的結(jié)果并以觀測線為單位分別計算，主要包括各觀測點的下沉值W；水平移動值U；相鄰觀測點間的水平變形E和垂直變形值，包括傾斜i與曲率k；觀測點的下沉速度V；觀測點的橫向水平移動U′等。

2.2 繪制移動變形曲線

工作區(qū)內(nèi)每條觀測線的觀測和計算都完成以后，才能進(jìn)行相關(guān)圖件的編制工作。主要包括觀測站平面圖、斷面圖、移動變形曲線圖等。觀測站平面圖根據(jù)開采區(qū)井上下對照圖或采掘工程平面圖繪制，在保證圖面清晰易辨的前提下保持比例尺一致，圖形至少要包含觀測點點位、地形地物要素、保護(hù)煤柱線、地裂縫、塌陷坑等各種要素的形態(tài)和發(fā)現(xiàn)時間等，以清晰反映出開采過程對地表移動和變形的影響。觀測線斷面圖根據(jù)主斷面上各點位置和每次沉降值進(jìn)行繪制。移動變形曲線圖根據(jù)內(nèi)業(yè)計算得到的移動變形數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，曲線圖能反映出沿觀測線主斷面方向的地表移動變形特點及其發(fā)展的過程。傾向觀測線A、B這2條實測下沉曲線分別如圖2、圖3所示，走向觀測線C、D、E、F這4條實測下沉曲線分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖2 傾向觀測線A線實測下沉曲線圖

圖3 傾向觀測線B線實測下沉曲線圖

圖4 走向觀測線C線實測下沉曲線圖

圖5 走向觀測線D線實測下沉曲線圖

圖6 走向觀測線E線實測下沉曲線圖

圖7 走向觀測線F線實測下沉曲線圖

3 地表移動變形參數(shù)算法及規(guī)律分析

3.1 地表移動變形參數(shù)算法

主要參數(shù)：概率積分法是一種目前國內(nèi)比較成熟、應(yīng)用廣泛的開采沉陷預(yù)計方法。由于這種方法的移動變形預(yù)計公式中包含概率積分，故稱為概率積分法。此法預(yù)計地表變形的參數(shù)主要有下沉系數(shù)q，水平移動系數(shù)b，開采影響傳播角θ0，主要影響角正切tanβ，以及拐點偏距S[8-11]。各參數(shù)計算方法見表3。

表3 地表變形參數(shù)算法

移動角值：在分析工作面開采沉陷時，還要用到一系列角度值來表現(xiàn)地面開采沉陷情況，這些角值主要包括移動角、邊界角、裂縫角、最大下沉角、充分采動角等，各角值計算方法見表4。

表4 地表變形角值算法

3.2 地表移動變形規(guī)律分析

變形形式：工作區(qū)內(nèi)地表移動變形最明顯和易于發(fā)現(xiàn)的形式就是地裂縫，地裂縫在地形相對平坦的區(qū)域易于發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田里的裂縫在耕作時會被填埋，農(nóng)作物茂密季節(jié)也不易發(fā)現(xiàn)，坡度較陡的山坡地帶受雜草遮蓋難于發(fā)現(xiàn)，地裂縫位置向煤層傾向下山方向偏移較大，地形上向坡上偏移，但相對于移動盆地的中心對稱分布。

偏移的雙向性：工作區(qū)內(nèi)坡度較大的地表移動具有向采空區(qū)和山坡下偏移的雙向性，坡面下滑會引起向坡下方向的移動和下沉，而坡間平地或山谷因滑移形成擠壓而表現(xiàn)為地表的抬升，而且最終下沉量比相同條件下平地的下沉值要小。

參數(shù)變化：在沖積層層厚大，其下巖層層厚小，且?guī)r層強(qiáng)度小時，會導(dǎo)致工作面地表沉降的下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)和主要影響范圍角均較大的結(jié)果。

4 結(jié)語

地表移動變形的分布規(guī)律反映的是在煤礦工作面開采過程中地表移動變形的空間時間特征與開采地質(zhì)條件等因素間的相互作用關(guān)系。地下開采引起上覆巖層和地表的移動變形是一個非常復(fù)雜的動態(tài)變化過程，受到諸多方面因素的影響，而且各因素的準(zhǔn)確值也很難取得。煤礦工作面開采地表移動變形觀測是防治礦區(qū)地表沉陷等地質(zhì)災(zāi)害的主要方法，深入、持續(xù)的進(jìn)行觀測與分析并總結(jié)歸納出煤礦實際的開采沉陷規(guī)律，用以指導(dǎo)沉陷災(zāi)害的防治工作，可以為現(xiàn)代化煤礦的安全生產(chǎn)、環(huán)境治理、生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)健康發(fā)展和人民生活水平的不斷提高都具有極為重要的意義。