忻州窯礦8308工作面巖移變化測(cè)量規(guī)律研究

胡曉燕，陳建華

（大同煤礦集團(tuán)公司，山西大同037003）

1 概況

忻州窯礦位于大同煤田東北端，現(xiàn)開(kāi)采侏羅系14-3#煤層，礦井通風(fēng)系統(tǒng)合理、穩(wěn)定、可靠。礦井水文地質(zhì)類型中等，高瓦斯礦井。

1.1 工作面基本情況

井田內(nèi)為中山丘陵黃土地貌景觀，地形較復(fù)雜，黃土梁及“V”字溝谷發(fā)育，地勢(shì)大致為北西高，南東低。井田內(nèi)無(wú)大的地表水體。

8308 工作面對(duì)應(yīng)地面位置為礦井東部，地面為黃土溝谷及山梁，煤層埋藏深度301～336m 左右。地表最高點(diǎn)位于井田西北區(qū)域地面三角點(diǎn)，高程1336.93m，最低點(diǎn)位于井田東南小溝谷內(nèi)，高程1132.8m，相對(duì)高差204.13m，地形較為復(fù)雜。

1.2 開(kāi)采煤層及煤層

8308 工作面地面標(biāo)高在1195～1229m 之間，工作面標(biāo)高在 890～906m 之間。8308（I）工作面走向長(zhǎng)230m，工作面傾向?qū)?31.3m，煤層厚度在0.8～5.85m，平均厚度為4.11m。8308（II）工作面走向長(zhǎng)819.6m，工作面傾向?qū)?31.3m，煤層厚度在0.8～5.85m，平均厚度為4.40m。煤層傾角平均為3°。平均開(kāi)采深度為318m。

1.3 開(kāi)采條件

設(shè)站工作面8308工作面采用長(zhǎng)壁后退式一次采全高，頂板管理為自動(dòng)垮落及強(qiáng)制放頂，相關(guān)開(kāi)采技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 地表變形觀測(cè)站布置

2.1 地表變形觀測(cè)站布置

（1）地表移動(dòng)變形觀測(cè)站設(shè)計(jì)采用剖面線觀測(cè)站，設(shè)計(jì)走向觀測(cè)線一條和傾向觀測(cè)線兩條。

（2）為準(zhǔn)確獲取地表移動(dòng)變形的規(guī)律，地表移動(dòng)觀測(cè)線設(shè)計(jì)布置在地表移動(dòng)變形主斷面上。觀測(cè)線方向布置成與工作面邊界垂直。

（3）為便于設(shè)點(diǎn)和觀測(cè)，觀測(cè)線選在地形較為平坦地區(qū)，避開(kāi)沖溝和陡崖。

（4）考慮到工作面回采時(shí)間及項(xiàng)目的完成時(shí)間，綜合地形條件為便于進(jìn)行觀測(cè)，設(shè)計(jì)開(kāi)采沉陷觀測(cè)線布置工作面中間，分為走向觀測(cè)線A 線和傾向觀測(cè)線B線、C線。

2.2 觀測(cè)站設(shè)計(jì)時(shí)所用到開(kāi)采沉陷參數(shù)

地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)所用的開(kāi)采沉陷參數(shù)有：走向充分采動(dòng)角ψ3、傾向上山充分采動(dòng)角ψ2、傾向下山充分采動(dòng)角ψ1，走向移動(dòng)角δ、傾向下山移動(dòng)角β、傾向上山移動(dòng)角γ，移動(dòng)角修正值Δδ、Δβ、Δγ及最大下沉角θ等。

地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)的開(kāi)采沉陷參數(shù)取值如下：

（1）基巖移動(dòng)角（走向δ，傾向上山γ，傾向下山β）：

δ=72°

表1 設(shè)站工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)表

γ=72°

β=δ-0.7α=72°-0.7×3°=70°

（2）表土層移動(dòng)角：

φ=45°

（3）移動(dòng)角修正值（走向 Δδ，傾向上山 Δγ，傾向下山Δβ）：

Δδ=Δγ=20°

Δβ=18°

（4）充分采動(dòng)角：

ψ3=61°

（5）最大下沉角：

θ=90°-0.7α=88°

2.3 觀測(cè)線的位置及長(zhǎng)度、測(cè)點(diǎn)及控制點(diǎn)的數(shù)目的確定

8308工作面布置了兩條傾向觀測(cè)線和一條走向觀測(cè)線。

每條觀測(cè)線長(zhǎng)度等于觀測(cè)站長(zhǎng)度再加上控制段長(zhǎng)度。各觀測(cè)線邊界段長(zhǎng)度考慮綜合移動(dòng)角按下式計(jì)算：

L=Htan 50°

式中：H——工作面邊界開(kāi)采深度，m。

2.4 測(cè)點(diǎn)的構(gòu)造及埋設(shè)方法

觀測(cè)站的各條觀測(cè)線，每條觀測(cè)線兩端各設(shè)置一組（2個(gè)）固定點(diǎn)（如條件不具備，也可在一端設(shè)置一組3個(gè)固定點(diǎn)），固定點(diǎn)間距離為50m；固定點(diǎn)距采空區(qū)邊界的水平距離應(yīng)大于0.7H（H為開(kāi)采深度）。觀測(cè)點(diǎn)布置在兩組固定點(diǎn)之間。

在黃土層覆蓋較厚的地區(qū)采用長(zhǎng)為0.6m 以上的螺紋鋼釬底部焊接10cm×10cm 鋼板底座，埋入地下后澆灌水泥砂漿作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，螺紋鋼釬頂部鋸“十”字作為標(biāo)志，標(biāo)樁側(cè)面或頂端用紅油漆標(biāo)出觀測(cè)點(diǎn)點(diǎn)名。

2.5 測(cè)點(diǎn)數(shù)目及其密度

根據(jù)開(kāi)采實(shí)際采深，選用地表移動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)間距為25m。在觀測(cè)線工作長(zhǎng)度以外設(shè)置觀測(cè)站控制點(diǎn)。在觀測(cè)站存在期間，以控制點(diǎn)的空間位置(x、y、z)作為觀測(cè)站的起算數(shù)據(jù)，因此必須保證其堅(jiān)固、穩(wěn)定。為了保證觀測(cè)資料的準(zhǔn)確，必要時(shí)應(yīng)對(duì)控制點(diǎn)的穩(wěn)定性定期進(jìn)行檢測(cè)?？刂泣c(diǎn)應(yīng)埋沒(méi)在觀測(cè)線的兩端，每端不少于兩個(gè)，如因地形、地物等條件的限制，只能在觀測(cè)線一端設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，控制點(diǎn)不得少于3個(gè)。工作測(cè)點(diǎn)的外端點(diǎn)至控制點(diǎn)的距離及控制點(diǎn)間的距離為50m。

3 觀測(cè)內(nèi)容及方法

3.1 觀測(cè)所使用的儀器及精度

地表移動(dòng)觀測(cè)站建立后，要分別進(jìn)行與觀測(cè)礦區(qū)控制網(wǎng)連測(cè)和全面觀測(cè)工作，本次設(shè)計(jì)測(cè)量工作采用GPS靜態(tài)測(cè)量方法，利用多臺(tái)套雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量工作，經(jīng)測(cè)量軟件解算，獲取各觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3.2 地表移動(dòng)觀測(cè)站觀測(cè)內(nèi)容及時(shí)間安排

地表移動(dòng)觀測(cè)站建立后即要進(jìn)行觀測(cè)，在開(kāi)采過(guò)程中不同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不同的觀測(cè)內(nèi)容，觀測(cè)時(shí)間和次數(shù)可按采動(dòng)前、移動(dòng)初始期、移動(dòng)活躍期和移動(dòng)衰退期四階段安排，具體見(jiàn)表2。

3.3 地表移動(dòng)觀測(cè)站連測(cè)、觀測(cè)的方法及要求的精度

地表移動(dòng)觀測(cè)的基本內(nèi)容是：在采動(dòng)過(guò)程中用常規(guī)全站儀方法和GPS測(cè)量的方法，定期地、重復(fù)地測(cè)定觀測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期內(nèi)空間位置的變化。地表移動(dòng)觀測(cè)站的觀測(cè)工作分為：觀測(cè)站的連接測(cè)量、全面觀測(cè)、單獨(dú)進(jìn)行的水準(zhǔn)巡視測(cè)量、地表破壞的測(cè)定和編錄。

表2 巖移觀測(cè)表

3.3.1 連接測(cè)量

在觀測(cè)站地區(qū)被采動(dòng)之前，為了確定觀測(cè)站與開(kāi)采工作面之間的相互位置關(guān)系，應(yīng)在觀測(cè)站的某一個(gè)控制點(diǎn)與礦區(qū)控制網(wǎng)之間進(jìn)行測(cè)量，以確定這個(gè)控制點(diǎn)的平面位置和高程，然后再根據(jù)它來(lái)測(cè)定其余的控制點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)的平面位置。采用GPS 進(jìn)行觀測(cè)，用不少于五臺(tái)套的靜態(tài)GPS 接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，按規(guī)程規(guī)定的E級(jí)網(wǎng)精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施測(cè)。

3.3.2 全面觀測(cè)

為了準(zhǔn)確地確定工作測(cè)點(diǎn)在地表移動(dòng)開(kāi)始前的空間位置，在與礦區(qū)控制網(wǎng)連測(cè)后、地表開(kāi)始移動(dòng)之前，對(duì)地表觀測(cè)站的全部測(cè)點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測(cè)，兩次觀測(cè)的時(shí)間間隔不超過(guò)5d。獨(dú)立進(jìn)行的兩次全面觀測(cè)，兩次測(cè)得的同一點(diǎn)高程差不大于10mm、同一邊的長(zhǎng)度差不大于4mm時(shí)，取平均值作為觀測(cè)站的原始觀測(cè)(又稱初次觀測(cè))數(shù)據(jù)。同時(shí)，按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)將各測(cè)點(diǎn)展繪到觀測(cè)站設(shè)計(jì)平面圖上。

在地表穩(wěn)定后，要進(jìn)行最后一次全面觀測(cè)，地表移動(dòng)穩(wěn)定的標(biāo)志是：連續(xù)6個(gè)月觀測(cè)地表各點(diǎn)的累計(jì)下沉值均小于30mm。

3.3.3 日常觀測(cè)工作

日常觀測(cè)工作，指的是首次和末次全面觀測(cè)之間適當(dāng)增加的全面測(cè)量工作，為判定地表是否已開(kāi)始移動(dòng)，在回采工作面推進(jìn)一定距離(相當(dāng)于0.2～0.5 平均開(kāi)采深度H0)后，在預(yù)計(jì)可能首先移動(dòng)的地區(qū)，選擇幾個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，每隔幾天用DS3型進(jìn)行一次水準(zhǔn)測(cè)量，按等外水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)下沉量大于10mm時(shí)，即認(rèn)為地表已經(jīng)開(kāi)始移動(dòng)。

4 成果

4.1 地表移動(dòng)變形觀測(cè)及變形規(guī)律研究

觀測(cè)站地處山區(qū)，地形條件復(fù)雜，觀測(cè)難度較大，在工作面中布設(shè)了三條觀測(cè)線，共進(jìn)行了20 次觀測(cè)，8308 回采工作面受地質(zhì)條件限制下沉變化情況復(fù)雜，但取得了較好的觀測(cè)成果。

針對(duì)走向和傾向三條觀測(cè)線的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)觀測(cè)成果，對(duì)隨工作面推進(jìn)過(guò)程中的地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行分析，基本掌握了忻州窯礦開(kāi)采14-3#煤層的地表動(dòng)態(tài)及靜態(tài)變形規(guī)律。

4.2 實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形參數(shù)

通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析研究，分析研究了忻州窯礦開(kāi)采14-3#煤層的地表動(dòng)態(tài)及靜態(tài)變形參數(shù)。

（1）實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形最大值。實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形最大值如表3所示。

（2）地表移動(dòng)變形角量參數(shù)。依據(jù)忻州窯礦8308回采工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求取的山區(qū)移動(dòng)范圍角量參數(shù)和模擬求取的觀測(cè)條件下移動(dòng)范圍角量參數(shù)如表4所示，地表最大下沉角值如表5所示。

表3 地表移動(dòng)變形最大值

（3）移動(dòng)變形過(guò)程參數(shù)。根據(jù)忻州窯礦8308 工作面地表下沉觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料分析可知本觀測(cè)條件下求取的地表移動(dòng)過(guò)程參數(shù)如表6所示。

最大下沉速度可按如下經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式估算：

表4 移動(dòng)范圍角量參數(shù)

表5 地表最大下沉角值

式中：Wmax——移動(dòng)期內(nèi)的最大下沉值；

H——開(kāi)采深度；

C——工作面的平均推進(jìn)速度；

KV——系數(shù)，KV=1.29。

（4）概率積分法地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)。根據(jù)8308 回采工作面實(shí)測(cè)資料，利用概率積分法模擬求參得到的最佳預(yù)計(jì)參數(shù)值如下。

表6 地表移動(dòng)過(guò)程參數(shù)表

下沉系數(shù)：q=0.8

水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.17

主要影響角正切：tanβ=1.5

開(kāi)采影響傳播角：θ= 75°

拐點(diǎn)偏移距：Si=0.03·Hi

4.3 項(xiàng)目主要成果及研究意義

對(duì)忻州窯礦8308 工作面對(duì)應(yīng)地面布設(shè)觀測(cè)站，通過(guò)歷時(shí)兩年的20 次的外業(yè)觀測(cè)，獲取了一套較完整的沉陷觀測(cè)成果數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確獲取沉陷規(guī)律及參數(shù)提供了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。同時(shí)，結(jié)合忻州窯礦14-3#煤層特征及8308 工作面采礦地質(zhì)條件，分析總結(jié)了忻州窯礦開(kāi)采14-3#煤層的地表移動(dòng)變形特點(diǎn)及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變形分布規(guī)律。通過(guò)研究獲取了移動(dòng)穩(wěn)定后地表移動(dòng)變形的分布及其主要參數(shù)：移動(dòng)角、邊界角、最大下沉角、超前影響角、超前影響距、滯后角及滯后距和地表最大下沉速度等。

通過(guò)巖移觀測(cè)分析，為礦區(qū)解決開(kāi)采損害問(wèn)題及保護(hù)煤柱留設(shè)提供了技術(shù)參數(shù)，通過(guò)模擬分析對(duì)照實(shí)測(cè)結(jié)果，求取了概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，并針對(duì)回采工作面進(jìn)行了整體預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)結(jié)果也證明模擬參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。