礦區(qū)地表沉降規(guī)律監(jiān)測研究

王鵬

摘? 要：煤礦井下開采過程中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，地表應(yīng)力不斷發(fā)生變化，當(dāng)采空區(qū)達(dá)到一定大小后，即會導(dǎo)致地表巖層開裂、垮落和塌陷，破壞地表建筑物、管線、耕地等基礎(chǔ)設(shè)施，造成重大安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。文章以陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)某工作面為研究對象，對其采煤過程中引起的地表沉降進(jìn)行了全面的觀測，將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、整理，并進(jìn)行分析研究，得出采空區(qū)地表沉降的空間時間移動規(guī)律，為礦區(qū)正常生產(chǎn)與地表恢復(fù)治理提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦;采空區(qū);沉降觀測;沉降曲線

中圖分類號：TD327 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0063-03

Abstract： In the process of underground mining in coal mine， with the continuous advance of the working face， the surface stress is constantly changing. When the goaf reaches a certain size， it will lead to the cracking， collapse and collapse of the surface strata and destroy the infrastructure such as surface buildings， pipelines and cultivated land， resulting in major safety accidents and economic losses. In this paper， taking a working face in Yuheng Mining Area of Jurassic Coalfield in Northern Shaanxi as the research object， the surface subsidence caused by coal mining is comprehensively observed， and the observed data are counted， sorted out， analyzed and studied. The spatial and temporal movement law of surface subsidence in goaf is obtained， which provides a reference basis for normal production and surface restoration in mining areas.

Keywords： coal mine; goaf; settlement observation; settlement curve

引言

地表沉降是指由于人類工程活動或自然因素變化，引起地表巖層或土體在自身重力作用下發(fā)生下沉的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。礦區(qū)采空區(qū)地表沉降是最典型的因人類工程活動所引發(fā)的地表沉降現(xiàn)象之一，由于人為因素不斷對地下礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采和挖掘，上方基巖在自身重力作用下逐漸發(fā)生開裂和下沉，自上而下形成彎曲帶、斷裂帶、冒落帶三個帶[2-3]，礦區(qū)地表沉降具有漸變性、突發(fā)性、破壞大及不可逆等特點(diǎn)[4]，往往會造成重大的安全事故和財產(chǎn)損失。因此必須加強(qiáng)對礦區(qū)采空區(qū)地表沉降觀測研究，具有十分重要的意義[5]。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市西北方位，距市區(qū)約20km，處于國家規(guī)劃的“陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)”（北區(qū)）的東北部。地理位置處于毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，地表皆為沙漠灘地，沙漠覆蓋率在80%以上。區(qū)域地形較平坦，地勢總體是西高東低，最大相對高差不足150m。

1.2 地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地層主要為三疊系和侏羅系砂巖層，地表大部分第四系風(fēng)成沙及黃土所覆蓋。巖性主要為：粗中細(xì)粒長石砂巖、粉砂巖、泥巖互層。主要含煤地層為延安組，共含煤多達(dá)23層。其中2、4-2、5、7號煤層為中厚可采煤層，層位較為穩(wěn)定，產(chǎn)狀與其所賦存的地層產(chǎn)狀一致，向西北緩傾，傾角小于1°[6]。文章主要研究以某工作面開采過程中引起的地表沉降變化[7]。工作面長約1600m，寬為230m。開采煤層為延安組2號煤層，煤層平均厚度約2.69m，傾角0.5°左右，屬穩(wěn)定型中厚煤層，平均埋深355m。采用走向長壁工作面布置，綜合機(jī)械化采煤工藝一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2 觀測方案

2.1 觀測設(shè)計

本區(qū)域地勢較為平坦，地面標(biāo)高相差不到15m，且開采煤層為近水平緩傾斜煤層，因此觀測站布設(shè)成沿主剖面的線狀觀測站，即在工作面上方布設(shè)走向觀測線和傾向觀測線各一條，觀測線均設(shè)在地表移動的主斷面上[8]。根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》（2010版）規(guī)定：確定觀測線長度所用的移動角應(yīng)盡可能采用本井田已求得的參數(shù)值。參照本礦的地質(zhì)采礦條件選取參數(shù)如表1[9]：

煤層傾角小于2°，根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》，各移動角修正值分別為：

2.2 變形觀測

地表沉降觀測工作的基本內(nèi)容是：連接測量、全面觀測、日常觀測，以確定觀測線上的測點(diǎn)在不同時期內(nèi)空間位置的變化[10]。主要觀測數(shù)據(jù)包括：各測點(diǎn)的高程值、平面坐標(biāo)，以及對地表移動變形情況的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果記錄和素描。采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場觀測，該測量技術(shù)具有效率高、測點(diǎn)內(nèi)符合精度較高的優(yōu)點(diǎn)[11]，觀測時間間隔一般每月至少一次，中間根據(jù)地表移動情況可適當(dāng)加密，總共觀測了34次。由于在觀測過程中存在許多客觀原因，如部分測點(diǎn)在觀測后期遭到損壞，無法獲得相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)，同時觀測中可能個別觀測點(diǎn)存在粗差，在數(shù)據(jù)處理之前，需對其進(jìn)行剔除。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 分析原理

采空區(qū)沉降主要表現(xiàn)為垂直沉降和水平移動兩個方向，沉降和移動的計算主要包括：各測點(diǎn)的下沉和水平移動。各變形量計算方法如下：

4 結(jié)束語

（1）由傾向觀測線移動變形實(shí)測曲線圖可以看出，傾

向觀測線各測點(diǎn)隨著工作面的推進(jìn)，其下沉值逐漸增大，下沉速度于第11次達(dá)到了最大值59mm/d，此后下沉速度變緩，下沉值增大速度變慢，進(jìn)入衰退期。

（2）傾斜方向的水平移動變化特征與傾斜變形基本一致，隨著工作面推進(jìn)各測點(diǎn)的水平移動量不斷增大，移動速度于第27次觀測時達(dá)到最大移動值637mm，此后，隨著工作面的推進(jìn)，水平移動值都略有減小。

（3）走向觀測線各測點(diǎn)隨著工作面的推進(jìn)，下沉值逐漸增大，最大下沉點(diǎn)位置也隨著回采工作面的推進(jìn)而前進(jìn)。下沉值的增大主要集中在開采沉陷活躍期，其下沉量可以達(dá)到總下沉量的90%左右。

（4）走向觀測線上各測點(diǎn)的水平移動隨著工作面推進(jìn)而逐漸增大，而且靠近開切眼方向的水平移動值要大于開采過程中工作面方向的水平移動值，前者約為后者的2倍，這說明動態(tài)過程中的測點(diǎn)的水平移動值要小于地表穩(wěn)定后的各測點(diǎn)的水平移動值。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱建軍，賀躍光，曾卓喬.變形測量的理論與方法[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2003：89-166.

[2]劉應(yīng)龍.沿采煤工作面推進(jìn)方向的地表沉降規(guī)律研究[J].技術(shù)應(yīng)用與研究，2018（10）：107-108.

[3]黃樂亭，王金莊.地表動態(tài)沉陷變形三個階段與變形速度的研究[J].煤炭學(xué)報，2006，31（4）：420-424.

[4]胡志遠(yuǎn)，寧彬.基于BDS的地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)時代，2018（8）：40-42.

[5]尹培昌，朱秀英.煤礦礦井沉降觀測及數(shù)據(jù)分析[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報，2013，83（2）：5-6.

[6]李邦邦，劉智，余學(xué)義.陜北侏羅紀(jì)煤田采動損害現(xiàn)狀及評價方法[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2018（6）：5-6.

[7]顧偉.厚松散層下開采覆巖及地表移動規(guī)律研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2013，3.

[8]中華人民共和國能源部制定.煤礦測量規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010，6.

[9]許巖.西馬煤礦地表移動變形分布規(guī)律及巖移參數(shù)反演研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2014，3.

[10]范天安.山區(qū)井工開采煤礦地表變形規(guī)律研究[J].礦山測量，2018，46（6）：23-26.

[11]索俊鋒，魚書賓.小區(qū)域GPS-RTK高程擬合及精度分析[J].礦山測量，2012（6）：48-50.