厚煤層機(jī)械化放頂煤開(kāi)采沉陷規(guī)律研究*

任傳建，雷 勇，汪李輝，王志紅

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

引言

作為采煤大國(guó)，開(kāi)采沉陷是我國(guó)目前煤礦開(kāi)采面臨的重要問(wèn)題之一[1]。地下煤炭的采出，使巖體的原始力學(xué)平衡狀態(tài)受到破壞，上覆巖層產(chǎn)生移動(dòng)與變形，當(dāng)開(kāi)采面積達(dá)到一定范圍后，移動(dòng)與變形將擴(kuò)展到地表，使地表發(fā)生移動(dòng)和變形，形成開(kāi)采沉陷問(wèn)題[2]。由于開(kāi)采沉陷受礦山地質(zhì)條件和采礦技術(shù)等諸多因素影響，開(kāi)采沉陷及其引發(fā)的地表移動(dòng)規(guī)律的研究涉及的學(xué)科眾多，是十分復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[3]，從巖體采動(dòng)初期應(yīng)力變化到巖體冒落、斷裂、離層，直到地表移動(dòng)甚至地表塌陷的整個(gè)過(guò)程，都呈現(xiàn)出明顯的非線性機(jī)制和規(guī)律。為保護(hù)井巷、地面設(shè)施和水體等，使其免受開(kāi)采的有害影響，必須掌握地表與覆巖受采動(dòng)影響的移動(dòng)和變形規(guī)律。煤層開(kāi)采后所引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律的特點(diǎn)已引起廣大采礦工作者和有關(guān)部門(mén)的高度重視[4-5]。

1 概況

選取的實(shí)驗(yàn)工作面位于-810 水平，工作面地面投影為農(nóng)田、一水溝從工作面南部流過(guò)，地面標(biāo)高為+43.61～+43.95m，以西為尚未開(kāi)采的1303N 工作面，以東為開(kāi)采完畢的1301N 工作面，以北是未開(kāi)采的三采區(qū)，工作面平均走向長(zhǎng)度為2570m，傾斜寬度258m，工作面開(kāi)采面積663060m2；可采煤層為三層煤，煤層傾角 2°～6°，煤平均厚度為9.4m。煤層較穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于厚煤層放頂煤開(kāi)采。

2 地面觀測(cè)

2.1 觀測(cè)站設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采技術(shù)，沉陷變形規(guī)律特殊，還要兼顧留設(shè)煤柱的安全性，因此地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，靈活地進(jìn)行觀測(cè)線布設(shè)。本文在進(jìn)行觀測(cè)站設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了以下幾個(gè)方面：

（1）觀測(cè)站沿工作面的走向和傾向成線狀布置。

（2）盡量選取平坦地勢(shì)區(qū)布置觀測(cè)線。

（3）為了使測(cè)點(diǎn)能夠更有效地反映地表移動(dòng)的特征，充分結(jié)合工作面的地質(zhì)條件、采礦條件以及相鄰工作面的地表移動(dòng)參考資料。

（4）考慮到占用農(nóng)田可能引發(fā)的土地征用、農(nóng)作物補(bǔ)償以及植被對(duì)視線的遮擋影響等因素，進(jìn)行了開(kāi)采前的觀測(cè)，選擇適當(dāng)?shù)挠^測(cè)頻次。

2.2 觀測(cè)站的布設(shè)形式

為保證觀測(cè)站點(diǎn)不受工作面采動(dòng)下沉影響，在移動(dòng)盆地以外選取了6 個(gè)點(diǎn)建立GPS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的點(diǎn)分布在測(cè)區(qū)周?chē)⑴R近觀測(cè)線，點(diǎn)位穩(wěn)定有利于保存。水準(zhǔn)基點(diǎn)是為了測(cè)定工作測(cè)點(diǎn)的高程而建立的，其要求與控制點(diǎn)一樣，也設(shè)置在移動(dòng)盆地范圍以外，在條件合適的地方，可與控制點(diǎn)合二為一。本觀測(cè)站這六個(gè)點(diǎn)均為水準(zhǔn)基點(diǎn)。

圖1 P01-P40（走向）實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)下沉曲線圖

圖2 P01-P40（傾向）實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)下沉曲線圖

由于初步預(yù)計(jì)的采空區(qū)最大下沉達(dá)3200mm，會(huì)導(dǎo)致地面積水，為了在此條件下能夠順利進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)點(diǎn)在移動(dòng)盆地中的位置和預(yù)計(jì)下沉量決定采用合適的點(diǎn)結(jié)構(gòu)，對(duì)部分測(cè)點(diǎn)需作特別處理，甚至部分點(diǎn)需要進(jìn)行接高。所有測(cè)點(diǎn)均為預(yù)制混凝土樁，樁中間的鋼筋（直徑為20mm）作標(biāo)志（其底部為人字形，頂部為球形），在球形頂部為直徑小于2mm，深度為5mm 的鉆孔，在鉆孔中嵌入銅芯，以此作為測(cè)點(diǎn)標(biāo)志中心。

2.3 GPS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立及觀測(cè)站的聯(lián)測(cè)

觀測(cè)站聯(lián)測(cè)的目的是將礦區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)按一定的精度要求傳遞到地表移動(dòng)觀測(cè)站，根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》，傳統(tǒng)的觀測(cè)站聯(lián)測(cè)方法是：根據(jù)礦區(qū)地面控制網(wǎng)，按近井點(diǎn)測(cè)量的要求測(cè)量觀測(cè)線交點(diǎn)或某一控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。其余控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)可用一級(jí)導(dǎo)線的方法求得。由于本觀測(cè)站設(shè)計(jì)采用全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行觀測(cè)，因此可采用建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)方式進(jìn)行觀測(cè)站聯(lián)測(cè)，即聯(lián)測(cè)礦區(qū)地面控制網(wǎng)中的 N1、N2、N3、W1、W2、W3 六個(gè)平面控制點(diǎn)和 N1、N2、N3、W1、W2、W3 六個(gè)高程控制點(diǎn)（這些點(diǎn)均位于移動(dòng)影響范圍外的穩(wěn)定地區(qū)），與觀測(cè)站的控制點(diǎn)和水準(zhǔn)基點(diǎn)一起組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)用GPS 測(cè)量方法按D 級(jí)平面控制網(wǎng)的要求進(jìn)行觀測(cè)。采用三等水準(zhǔn)要求進(jìn)行礦區(qū)高程控制點(diǎn)與觀測(cè)站水準(zhǔn)基點(diǎn)聯(lián)測(cè)。

接下來(lái)在設(shè)置觀測(cè)站地區(qū)未受采動(dòng)影響之前，進(jìn)行了兩次獨(dú)立的全面觀測(cè)，獲得各測(cè)點(diǎn)的高程及其相應(yīng)的平面位置，并且記錄原有的地表破壞，對(duì)破壞情況進(jìn)行詳細(xì)描述。該部分的工作在聯(lián)測(cè)之后而地表尚未移動(dòng)之前進(jìn)行，要求兩次測(cè)量的同一觀測(cè)點(diǎn)的高程差小于10mm，同一邊長(zhǎng)差值小于4mm，求取這兩次觀測(cè)的平均值作為初次觀測(cè)數(shù)據(jù)。

而在有采動(dòng)影響，產(chǎn)生地表移動(dòng)的過(guò)程中，需要求得地表下沉的最大速度，最終確定地表移動(dòng)的停止時(shí)間。該階段日常觀測(cè)工作采取重復(fù)水準(zhǔn)測(cè)量，按四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求用單程的附合水準(zhǔn)或水準(zhǔn)支線進(jìn)行往返測(cè)量，其時(shí)間間隔根據(jù)地表下沉的速度確定（地表下沉活躍期觀測(cè)周期約為15 天；衰退期可延長(zhǎng)至30 天）。日常觀測(cè)中，需在采掘工程平面圖上將觀測(cè)日期和工作面位置及時(shí)標(biāo)定。若出現(xiàn)地表移動(dòng)異常，需要及時(shí)進(jìn)行記錄發(fā)生時(shí)間和描述其詳細(xì)情況，以便更準(zhǔn)確和真實(shí)地獲得礦井的地表移動(dòng)規(guī)律。

3 地表移動(dòng)觀測(cè)資料整理分析

工作面自回采以來(lái)，地表下沉量逐漸增大，形成下沉盆地。最近一次的觀測(cè)，地表最大下沉值約6131mm（位P19 處）。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用概率積分法計(jì)算獲得了以下參數(shù)：下沉系數(shù)q=0.80，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.35，主要影響角正切值 tgβ=2.2，最大下沉角 θ=90°-0.5α（0.5 為開(kāi)采影響系數(shù)），拐點(diǎn)平移距s=50m。為檢驗(yàn)參數(shù)的正確性，首先運(yùn)用概率積分法對(duì)工作面進(jìn)行地表下沉預(yù)計(jì)，然后將得到的下沉曲線與最后一期的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行擬合比較，結(jié)果顯示兩者擬合情況良好，說(shuō)明求得的計(jì)算參數(shù)符合實(shí)際，圖1、圖2為實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)下沉曲線圖。

地表移動(dòng)速度的變化及其與工作面的相應(yīng)關(guān)系。地表任意一點(diǎn)在下沉過(guò)程中是規(guī)律變化的，下沉初期，下沉速度較慢，但隨著時(shí)間推移，速度變大，最終達(dá)到一個(gè)最大值，達(dá)到最大值之后，速度開(kāi)始減慢直至停止。因此，在時(shí)間和空間上下沉點(diǎn)速度變化是連續(xù)和漸變的。

根據(jù)計(jì)算，在觀測(cè)期間，p19 點(diǎn)具有最大下沉值，達(dá)到6130mm，故選取地表p19 號(hào)測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，圖3 中的B 實(shí)線表示地表P19 號(hào)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中的下沉值變化，A 實(shí)線表示測(cè)點(diǎn)的下沉速度變化。從曲線的分布可看出，地表點(diǎn)的下沉速度在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中是有規(guī)律變化的，其數(shù)值是先由小到大。地表點(diǎn)的下沉速度在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中具有的最大下沉速度為36.5mm/d，最大下沉速度后，下沉速度變化將逐漸平緩，最終基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過(guò)厚煤層機(jī)械化放頂煤實(shí)驗(yàn)工作面觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析，獲得了該地區(qū)工作面開(kāi)采后引起的地表變形的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)下沉速度曲線分析地表點(diǎn)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)變化規(guī)律，豐富了該區(qū)的地表沉陷理論，為該區(qū)的礦區(qū)安全開(kāi)采提供了供參考的技術(shù)參數(shù)和變形預(yù)計(jì)方法，對(duì)于厚煤層機(jī)械化放頂煤的開(kāi)采和研究具有一定實(shí)踐意義。