寺河煤礦地表移動變形規(guī)律及角量參數(shù)實(shí)測研究*

吳光亮，郭文兵，趙高博，徐飛亞

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦, 山西 沁水 048205；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454000;3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454000)

煤炭資源的開采將造成地表沉陷，進(jìn)而引起礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、地面建筑物、鐵路等嚴(yán)重破壞，給煤炭企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)賠償負(fù)擔(dān)[1-2]，研究地表移動變形規(guī)律及角量參數(shù)可為解決這些問題提供一定的理論指導(dǎo)。

早在五、六十年代波蘭和原蘇聯(lián)等國家開展了巖層與地表移動工作，對巖層與地表移動和變形資料進(jìn)行了分析研究，求取了各種巖移參數(shù)，指導(dǎo)“三下”采煤和礦山環(huán)境保護(hù)[3]。德國、澳大利亞等國也進(jìn)行了大量的地表與巖層移動規(guī)律的研究工作[4]。在我國從五十年代開始，開灤、平煤、峰峰礦區(qū)建立了全國第一批巖移觀測站[5-6]，總結(jié)出了巖移參數(shù)，用于現(xiàn)場指導(dǎo)礦區(qū)安全生產(chǎn)[7-10]。這對我國“三下”采煤工作具有重要的實(shí)際意義，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

目前關(guān)于寺河煤礦地表移動規(guī)律研究較少，尚沒有明確該地質(zhì)采礦條件下的地表角量參數(shù)，本文的研究結(jié)果得出了寺河煤礦地表移動變形規(guī)律及角量參數(shù)，可進(jìn)一步為我國類似地質(zhì)條件礦區(qū)的地表沉陷治理提供依據(jù)。

1 寺河煤礦4307工作面概況

寺河礦4307大采高綜采工作面走向長為296 m，傾向長為1 042 m，呈“刀把型”，如圖1所示。工作面平均采深為566.3 m，煤層煤厚平均為6.0 m，煤層平均傾角5°。工作面采用傾向長壁大采高自然冒落后退式綜合機(jī)械化采煤方法。該工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

圖1 4307工作面示意圖

表1 4307工作面頂?shù)装迩闆r

2 地表移動觀測站設(shè)計(jì)

地表移動觀測站是指在開采進(jìn)行之前，在開采影響范圍內(nèi)的地表或其它研究對象上，按照一定要求設(shè)置的一系列互相聯(lián)系的觀測點(diǎn)[4]。本次建立的觀測站設(shè)計(jì)類型屬于剖面線狀普通地表移動觀測站。

參照寺河礦4307工作面地質(zhì)采礦條件與《煤礦測量規(guī)程》，本次設(shè)計(jì)走向觀測線與傾向觀測線各一條，且互相垂直，均布置在下沉盆地的主斷面上。

2.1 觀測線位置及長度確定

(1)傾向觀測線位置的確定：根據(jù)山西寺河礦采礦地質(zhì)條件，其4307工作面沿走向?qū)儆诘乇矸浅浞植蓜?，沿傾向?qū)儆诘乇沓浞植蓜?，本次設(shè)計(jì)的傾向觀測線布置在采空區(qū)的中心。觀測線位置的選擇考慮地表地形以及地下開采情況。

(2)走向觀測線位置的確定：如圖2所示，根據(jù)4307工作面采礦地質(zhì)條件，本次觀測站只設(shè)一條走向觀測線。

圖2 4307工作面觀測站平面設(shè)計(jì)示意圖

為了使走向觀測線D線不受鄰近開采的影響，在走向主斷面上，要保證走向觀測線D線到開切眼的距離D1為：

D1=hcotφ+(H0-h)cot(δ-Δδ)

(1)

式中，δ為走向移動角，69°；H0為平均開采深度，566.3 m；h為松散層厚度，13.6 m；φ為松散層移動角，45°；Δδ為走向移動角的修正值，取17°。

經(jīng)計(jì)算得出，D1為456 m。4307工作面在走向方向?yàn)榉浅浞植蓜?，無法取得充分采動角參數(shù)值，因此采用公式：

D2≥0.7H0

(2)

經(jīng)計(jì)算得出，D2為396.4 m。

(3)傾向觀測線長度的確定：傾向觀測線長度L傾按下式計(jì)算：

L傾=2hcotφ+(H1-h)cot(β-Δβ)+(H2-h)cot(γ-Δγ)+l1

(3)

式中，l1為工作面傾斜長度，1 042 m；γ為上山移動角，取值為69°；β為下山移動角，取值為66.5°；Δγ為上山移動角的修正值，取值為17°；Δβ為下山移動角的修正值，取值為18°；H1為534.8 m，H2為591.1 m。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得出傾斜觀測線長度L傾為1 982 m。根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況可知，本次設(shè)計(jì)的傾斜觀測線地表多為山區(qū)地形和耕種田地，如圖3所示。

圖3 4307工作面地表上方地形

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況和4307工作面采掘工程平面圖，本次傾斜觀測線在實(shí)際埋設(shè)的過程中會被一座大山分割成兩部分，因此在設(shè)計(jì)的過程中，分為兩段設(shè)計(jì)，得出傾斜觀測線長度L傾為500 m。

(4)走向觀測線長度的確定：走向觀測線長度L走半按下式計(jì)算：

L走半=hcotφ+(H0-h)cot(δ-Δδ)+l3/2+2t加

(4)

式中，δ為走向移動角，取值為69°；l3為工作面長度，取值為296 m；t加為增加一個測點(diǎn)的距離，取40 m；Δδ為走向移動角的修正值，由于工作面在走向方向?yàn)榉浅浞植蓜?，?0°。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得出走向觀測線長度L走半為757 m，而走向觀測線在布置的過程中會遇到大山相隔，因此最遠(yuǎn)只能布置到山腳下。經(jīng)綜合計(jì)算，L走半為600 m。

(5)測點(diǎn)數(shù)目及其密度的確定：本次設(shè)計(jì)的觀測線長度為760 m，間距取40 m，在工作面上順槽附近的測點(diǎn)加密，加密間距為20 m，實(shí)際布置測點(diǎn)23個；傾斜觀測線一條，長度為1 020 m，間距取40 m，在工作面停采線附近的測點(diǎn)加密，加密間距為20 m，故在傾斜觀測線上可布置31個測點(diǎn)。除控制點(diǎn)外，本次觀測站布置共埋設(shè)54個測點(diǎn)。4307工作面觀測站測點(diǎn)布置圖如圖4所示。

圖4 4307工作面觀測站測點(diǎn)布置圖

在實(shí)際埋設(shè)過程中，有些測點(diǎn)視情況而定，可以取消或添加，測點(diǎn)間距也可增大或減小。

2.2 觀測站設(shè)置時間與觀測站設(shè)站結(jié)果

(1)設(shè)置時間：地表移動變形尚未波及到設(shè)站地區(qū)地表時，就應(yīng)將設(shè)計(jì)好的觀測站標(biāo)定到實(shí)地上[11]。

寺河礦4307工作面于2017年2月15日開始進(jìn)行回采工作，工作人員于2017年1月12日在現(xiàn)場建立地表移動觀測站。

(2)設(shè)站要求：由于寺河礦地表為山區(qū)，交通不便，不宜埋設(shè)水泥樁，所以本次觀測站設(shè)置采用廢舊錨桿或者加工過的鋼管作為測點(diǎn)標(biāo)志，如圖5所示。

圖5 廢舊錨桿或鋼管測點(diǎn)標(biāo)志示意圖

(3)觀測站實(shí)際埋設(shè)情況：根據(jù)地表實(shí)際情況，A線測點(diǎn)從A6開始，最遠(yuǎn)埋設(shè)到A24，共23個點(diǎn)，B線測點(diǎn)從B1開始，最遠(yuǎn)埋設(shè)到B18，共18個點(diǎn)，觀測站實(shí)際埋設(shè)情況如圖6所示。

圖6 4307工作面觀測線實(shí)際位置布設(shè)圖

3 地表移動盆地沉陷規(guī)律分析

3.1 地表下沉規(guī)律分析

4307工作面從2017年1月10日建立地表移動觀測站，進(jìn)行第一次的全面觀測，此次觀測成果作為原始數(shù)據(jù)，2017年4月19日進(jìn)行了工作面回采后的第一次觀測，到2018年4月24日止，已經(jīng)進(jìn)行了四次觀測工作。觀測期內(nèi)地表移動的穩(wěn)定性較好。

3.1.1 走向觀測線地表下沉特征

由于地表地形限制，B測線上測點(diǎn)并沒有布置到采空區(qū)中心，因此，得到最大下沉值要比實(shí)際的最大下沉值略小。根據(jù)實(shí)測下沉值，通過Curve Expert曲線軟件，對最后一次(2018年4月24日)所觀測的下沉值進(jìn)行擬合，得到走向方向上B線下沉曲線圖，如圖7所示。

圖7 走向方向B線下沉曲線圖

當(dāng)?shù)乇硖幱诜浅浞植蓜訒r，隨著工作面的推進(jìn)，地表下沉值逐漸增大，最大下沉點(diǎn)也隨著工作面的推進(jìn)前移，地表移動盆地的范圍與地表移動量都逐漸增加；在地表移動變形活躍期后，地表下沉曲線的斜率比較大，下沉劇烈且集中，引起地表的損害程度嚴(yán)重。

2017年8月14日，此時工作面推進(jìn)約766.4 m，在現(xiàn)場觀測中，發(fā)現(xiàn)在工作面上順槽附近出現(xiàn)了多條裂縫，如圖8所示。同時，在B11測點(diǎn)附近也出現(xiàn)了明顯的裂縫，這與曲線上的從B11測點(diǎn)開始出現(xiàn)了下沉比較劇烈的現(xiàn)象相吻合。但是這些裂縫長度較小，發(fā)育程度較低，寬度在1～3 cm之間。

圖8 工作面上順槽附近地表裂縫

在工作面回采結(jié)束后，工作面開采形成的地表移動盆地的剖面形狀趨向于一個碗形，由于地表地形的原因，最遠(yuǎn)的B18測點(diǎn)距離工作面中心36.8 m，此時地表移動和變形值要低于本地質(zhì)采礦條件充分采動時的移動變形值。最后一次觀測結(jié)束后，走向觀測線最大下沉值發(fā)生在B18測點(diǎn)，為4 116.5 mm，根據(jù)擬合可知，最大下沉值為4 200 mm。

3.1.2 傾向觀測線地表下沉特征

本次觀測站設(shè)計(jì)了一條傾向線，測出了傾向A線上的各測點(diǎn)的下沉值，并繪制成下沉曲線圖，如圖9所示。

圖9 傾向方向A線下沉曲線圖

由圖9可以看出,由于傾斜方向觀測線A線布置在工作面停采線附近，因此，在前期觀測中地表下沉較小。工作面回采結(jié)束后，地表最大下沉值發(fā)生在A3測點(diǎn)，下沉值為4 150.2 mm。

3.2 地表傾斜規(guī)律分析

通過走向、傾向線上各測點(diǎn)不同時間段的下沉值，繪制成傾斜曲線圖，如圖10、圖11所示。

圖10 走向線B線傾斜曲線圖

圖11 傾向線A線傾斜曲線圖

由圖10、圖11可知，山區(qū)地表曲線與平地傾斜曲線規(guī)律有一定的不同。由于走向上設(shè)置成半條觀測線，所以僅出現(xiàn)一個峰值，從停采線到工作面以內(nèi)附近測點(diǎn)下沉變化較大，造成了傾斜值變大。

3.3 水平移動和變形特征分析

通過計(jì)算走向、傾向各測點(diǎn)的水平移動值和水平變形值，繪制成相應(yīng)的水平移動和水平變形曲線圖，分別如圖12～圖15所示。

由圖12～圖15可知，走向、傾向觀測線的水平移動符合一般的地表水平移動規(guī)律：在地表下沉盆地邊界至拐點(diǎn)處的地表水平移動漸增，拐點(diǎn)至地表最大下沉點(diǎn)間水平移動減小，在拐點(diǎn)附近的地表移動值最大，地表移動盆地內(nèi)各點(diǎn)的水平移動方向都指向盆地中心。同時，在曲線中可以看出：在最大下沉點(diǎn)附近水平移動值不為零，主要是由于山區(qū)地表地形起伏較大。地表下沉盆地邊緣為拉伸區(qū)，地表下沉盆地中部為壓縮區(qū)。

圖12 走向線B線水平移動曲線

圖13 走向線B線水平變形曲線

圖14 傾向線A線水平移動曲線

圖15 傾向線A線水平變形曲線

4 地表角量參數(shù)分析

本次求取寺河礦4307工作面的地表角量參數(shù)以最后一次測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，由于觀測線在走向和傾向方向上各布置半條，因此根據(jù)實(shí)測值和預(yù)計(jì)值求取走向方向和下山方向的角值，上山方向角值可根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)值求取[12]。

(1)移動角：通過插值可以計(jì)算出水平變形量為2 mm/m的位置，經(jīng)過計(jì)算該點(diǎn)位置距上順槽為235 m，由于工作面平均采深566.3 m，考慮松散層移動角，一般取45°進(jìn)行計(jì)算，松散層的厚度為13.6 m，因此根據(jù)求取移動角的定義，可以計(jì)算走向移動角δ為68.2°。同理，計(jì)算下山移動角δ′為65.3°。

(2)邊界角：下沉為10 mm的位置位于B6和B7之間，結(jié)合預(yù)計(jì)等值線圖，取B6和B7測點(diǎn)中點(diǎn)為計(jì)算的邊界點(diǎn)，此點(diǎn)距離上順槽為261 m，工作面平均采深為566.3 m，考慮松散層移動角，按45°計(jì)算，松散層厚度取13.6 m，計(jì)算出走向邊界角δ0為65.9°。同理，計(jì)算出下山邊界角β0為59.2°。

(3)充分采動角：從傾向方向的實(shí)測下沉數(shù)據(jù)及對應(yīng)的下沉曲線可知，最大下沉點(diǎn)為A3測點(diǎn)，該點(diǎn)到工作面下山邊界(停采線)的距離為450 m，平均采深為566.3 m。根據(jù)充分采動角的定義，傾向的充分采動角為51.7°。根據(jù)實(shí)際情況可知，在A3測點(diǎn)與A6測點(diǎn)之間由于缺少測點(diǎn)，因此，計(jì)算出來的值要比實(shí)際值略小。

5 結(jié) 論

(1)以寺河煤礦4307工作面為工程背景，系統(tǒng)闡述了地表移動觀測站的設(shè)計(jì)、建立過程，理論計(jì)算確定了觀測線的位置與長度，對相似地形條件下建立地表移動觀測站具有一定的參考意義。

(2)根據(jù)現(xiàn)場地表移動觀測站的四次全面監(jiān)測結(jié)果，繪制了4307工作面在傾向、走向方向上的地表下沉值、地表傾斜值、水平移動及水平變形曲線圖，得到了寺河煤礦地表移動變形規(guī)律。

(3)依據(jù)4307工作面最后一次監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算得到寺河礦的地表角量參數(shù)：走向移動角與上山移動角分別為68.2°、65.3°；走向邊界角與下山邊界角分別為65.9°、59.2°；傾向方向的充分采動角為51.7°。