綜放開采條件下某礦地表移動分析

宋亞澤 史杰波 張遇鵬

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司；2.山西澤州天泰岳南煤業(yè)有限公司)

煤炭資源持續(xù)利用開發(fā)，開采強度也在不斷加大，地表沉陷對村莊等構(gòu)筑物造成的破壞也越來越嚴重，所以對巖層移動參數(shù)的研究已成為煤礦安全生產(chǎn)合理布置工作面的先決條件。多年來，通過學者不斷的深入研究，已基本掌握各種地質(zhì)條件下地面巖移變形的一般規(guī)律[1-5]。但對近年來興起的大采高、綜放等開采條件下，地表巖移分析研究較少[6-12]，本項目針對某礦在綜放開采條件下開展巖移觀測研究，以期獲得地表移動變形參數(shù)，為現(xiàn)代礦山安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 工作面地質(zhì)采礦條件

某礦首個回采工作面位于礦井一水平一采區(qū)3號煤層。受控于煤系基底起伏呈微波狀單斜構(gòu)造，高程由西南向東北逐漸降低，進風順槽一側(cè)相對較高。根據(jù)工作面順槽掘進期間獲取的地質(zhì)資料可知，該工作面煤層埋藏深度約為410～436 m，平均422 m；標高+530～+545 m，平均+538 m；傾角0～8°，平均4°；工作面斜長180 m，走向長1 030 m；地表多為山壑溝谷，沖積層厚度20 m；煤層頂板為黑色泥巖，有時含粉砂巖或變?yōu)樯百|(zhì)泥巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖，煤層厚度4.2～7.89 m，平均5.8 m。采用綜采放頂煤開采工藝。

2 觀測站設計及觀測方法

2.1 觀測站設計

網(wǎng)狀觀測站和面線觀測站是目前布設觀測站主要形式，網(wǎng)狀觀測站成本高,主要用于在建筑物密集區(qū)和開采地質(zhì)條件十分復雜的礦層，該礦的地表多山壑溝谷，村莊等建筑物少，地質(zhì)條件十分簡單，所以本次觀測采用1條沿著煤層走向、1條沿著傾斜方向且相互垂直的2條測線組成的面線觀測站。

走向半盆地觀測線(Z線)沿工作面走向方向垂直于切眼，從切眼中心位置起，用長度LZ控制走向半盆地范圍，按式(1)計算：

LZ≥2hcotφ+2(H0-h)cot(δ-Δδ) ，

(1)

式中，h為沖積層厚度，取20 m；φ為沖積層移動角，取45°；H0為平均開采深度，取422 m；δ為走向移動角，取75°； Δδ為走向移動角修正值，一般取20°。

通過計算得知，走向觀測線LZ應大于等于603 m。

傾向全盆地觀測線(Q線)沿傾斜方向與走向觀測線垂直且相交，方向與煤層傾向方向相同，把觀測區(qū)域擴大到工作面兩邊煤柱，監(jiān)測整個盆地的沉陷動態(tài)，按下列式(2)計算：

LQ=2hcotφ+(H1-h)cot(β-Δβ)+D1cosα+(H2-h)cot(γ-Δγ) ，

(2)

式中，H1為開采下邊界開采深度，取436 m；β為傾向采空區(qū)下邊界移動角，取78°；Δβ為傾向采空區(qū)下邊界移動角修正值，一般取20°；D1為切眼長度，取180 m；α為煤層平均傾角，取4°；H2為開采上邊界開采深度，取400 m；γ為傾向采空區(qū)上邊界移動角，取75°；Δγ為傾向采空區(qū)上邊界移動角修正值，一般取20°。

計算得知，傾向全盆地觀測線LQ=746 m。

D2為工作面切眼與布設的傾向觀測線的距離、D3為布設的傾斜觀測線與工作面停采線的距離，需滿足：

D2、D3≥hcotφ+(H0-h)cot(δ-Δδ) .

(3)

從式(3)計算結(jié)果可以得到302 m，但根據(jù)實際的地形情況，按照D2=400 m進行布設，自然能滿足D3要求，所以本次設計Q線與開切眼的間距選取為400 m。

依據(jù)《煤礦測量規(guī)程》相關(guān)要求，本次走向及傾向測點間距均取25 m，走向觀測線取整數(shù)共25個觀測點，沿工作面推進方向編號為Z1～Z25，長度625 m；傾向觀測線取整數(shù)共30個觀測點，編號為Q1～Q30，長度750 m。在走向線上一端布設2個控制點(G1、G2)，在傾向線兩端各布設2個控制點(G3、G4、G5、G6)，控制點與測點的外端點間距為100 m(圖1)。

圖1 測站布設

2.2 觀測方法

地表觀測主要使用的儀器設備包括尼康DTM-352C全站儀、華測X10及其它輔助設備。埋設觀測點半個月后開展2次連接測量，誤差精度按照5″導線測量要求，將測站與礦區(qū)控制網(wǎng)聯(lián)系起來；在地表移動之前進行2次全面測量，建立移動前與工作面測量位置關(guān)系網(wǎng)，在工作面推采過觀測區(qū)之前和過觀測區(qū)之后分別進行1次全面觀測；每月進行1次日常觀測。

3 觀測成果整理及分析

工作面觀測從2017年12月—2019年7月共進行各種觀測21次，地表沉降穩(wěn)定的判定標準為6個月內(nèi)地表各點的累計下沉值不超過30 mm。

3.1 移動和變形計算

將21次觀測原始資料進行整理分析計算各觀測線的最大下沉值。第m次觀測時n點下沉值采用式(4)計算：

(4)

如圖2所示，工作面推采至96 m時，Z3～Z11之間形成了一個小型下沉盆地，工作面地表有明顯的下沉，下沉盆地隨著工作面的不斷推采，逐漸向推采方向變大，最大下沉值也呈同樣趨勢，通過對后續(xù)的最后幾次觀測數(shù)據(jù)分析，最大下沉值發(fā)生在Z16點，最大下沉值為2 860 mm。

圖2 走向下沉曲線

如圖3所示，傾向上地表下沉盆地在采空區(qū)正上方下沉明顯且幅度大，越遠離采空區(qū)下沉幅度越小，Q線的下沉與工作面的推進成正比關(guān)系，最大下沉值發(fā)生在Q15，最大值為2 850 mm，最大下沉值發(fā)生在采空區(qū)中間位置的Q15點。

圖3 傾斜下沉曲線

觀測日期同圖2。

m次觀測時n點水平移動采用式(5)計算：

(5)

式中，Ln為n點的水平移動，mm；

經(jīng)分析走向上工作面未推進至該點時，該點會朝著切眼方向移動，工作面推過該點后，該點的移動方向與原來移動方向相反，向著采空區(qū)盆地中部移動，傾向上處于采空區(qū)上方的地表移動值越來越大，但移動方向與工作面的推采方向相反，符合實際的開采沉陷規(guī)律。

3.2 地表移動角量求取

利用實測的地表移動數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理分析得出在該采礦地質(zhì)條件下的一些角量，摸清綜放工作面采空區(qū)地表的移動特征。

(1)啟動距。啟動距是在走向剖面上地表開始移動時采煤工作面的推進距離，判斷標準為地表任意觀測點的下沉值達到10 mm。根據(jù)地表監(jiān)測點多期的實測三維坐標數(shù)據(jù)，得到綜放工作面的走向啟動距為96 m，按覆巖總厚度計算，該面平均埋深422 m，得到啟動距約為煤層平均采深的0.23。

(2)超前影響角。超前影響是工作面回采造成的前方巖層地表下沉的現(xiàn)象，計算公式為

(6)

式中，ω為超前影響角，(°)；l為超前影響距，m。

超前影響距是指回采工作面前方下沉值達到10 mm的地表觀測點與工作面推進位置之間的水平距離，根據(jù)測量資料可得工作面的超前影響距為130 m，經(jīng)式(6)計算獲得超前影響角為72.8°。

(3)最大下沉速度滯后角。根據(jù)本次觀測資料，最大下沉速度點的位置滯后工作面一段距離，最大下沉速度滯后角計算公式為

(7)

式中，φ為最大下沉速度滯后角，(°)；L為最大下沉速度滯后工作面的距離，m。

分析觀測資料可知，Z15測點發(fā)生最大下沉，滯后工作面的距離為106 m，經(jīng)式(7)計算獲得最大下沉速度滯后角75.9°。

3.3 地表移動穩(wěn)定后的角值求取

(1)邊界角。工作面傾角4°，為水平煤層，所以只考慮走向、傾向主斷面邊界角，上山邊界角和下山邊界角近似認為相等。邊界角以下沉10 mm的位置作為臨界邊界，走向邊界角和傾向邊界角分別由式(8)和(9)確定。

(8)

(9)

式中，δ0為走向邊界角，(°)；β0為下山邊界角，(°)；γ0為上山邊界角，(°)；L1為切眼與地表移動沿走向邊界在水平方向的距離，m；L2為工作面兩幫與地表移動沿傾向邊界在水平方向上的距離，m。由式(8)和(9)，可得δ0=76.6°，β0=γ0=70.4°。

(2)移動角。利用最后一次全面觀測成果，對一般磚石結(jié)構(gòu)的建筑物可按水平變形ε=2 mm/m、傾斜變形i=3 mm/m，曲率K=0.2×10-3/m中最外一個臨界值作為標準求取移動角，經(jīng)計算可得如下參數(shù)(表1、表2)。

表1 地表走向移動角

表2 地表傾向移動角

依據(jù)以上計算成果，綜合地表移動角在走向方向上宜采用74°，上山綜合移動角宜采用79°，下山綜合移動角宜采用77°，可以更好地保證地表建造物的安全。

4 結(jié) 語

(1)確定了走向觀測線和傾向觀測線的布設長度和位置，完成了綜放工作面地表移動觀測站的設計。

(2)通過長期對觀測站的觀測獲取了工作面多個地表移動參數(shù)，對指導礦井的安全生產(chǎn)、合理留設村莊等構(gòu)筑物保護煤柱具有重要的指導意義。