葫蘆素煤礦首采工作面地表移動觀測技術(shù)及規(guī)律研究

尹明國

(中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司,鄂爾多斯 017000)

葫蘆素礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗和伊金霍洛旗境內(nèi),在呼吉爾特礦區(qū)的中部,該井田南北走向長度約7.4 km,東西傾斜寬約13.4 km,井田面積92.761 km2。首采面位于東翼三條大巷南部,走向推進(jìn)長度都是4 150 m,工作面煤層平均厚度2.6 m,屬中厚煤層,煤層傾角為1～3°,工作面對應(yīng)的地面標(biāo)高為+1 304～+1 328 m,工作面標(biāo)高為+673～+694 m,上覆基巖厚度為590～609 m,地表松散層厚度為21～33 m,以風(fēng)積砂為主。

許多學(xué)者對煤礦開采地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了研究[1-4],有效解決了地表建(構(gòu))物壓煤問題[5,6]。葫蘆素煤礦屬于新建礦井,對其地表移動規(guī)律尚缺乏深入研究,無成熟沉陷資料可供參考。筆者所開展的厚風(fēng)積沙地表沉陷規(guī)律實測研究,不僅可以有效解決地表建(構(gòu))筑物壓煤問題,指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn),還能豐富該區(qū)域的覆巖移動變形規(guī)律,提高礦井整體效益。

筆者創(chuàng)新觀測方法,通過現(xiàn)場實測,對實測資料進(jìn)行綜合分析,求取地表移動參數(shù),為礦區(qū)留設(shè)地表建(構(gòu))筑物的保護(hù)煤柱及建(構(gòu))筑物壓煤開采設(shè)計提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 創(chuàng)新觀測方法

筆者基于傳統(tǒng)的測量方法,利用RTK 技術(shù),聯(lián)合水準(zhǔn)儀等測量工具,創(chuàng)新了地表變形觀測方法,具體方法如下:

1.1 控制點布設(shè)采用RTK+全站儀聯(lián)合觀測

按照地表觀測設(shè)計,選擇合適地點布設(shè)控制點,控制點埋設(shè)后先采用RTK 進(jìn)行觀測,然后采用索佳DX-101AC全站儀進(jìn)行聯(lián)測,保證控制點精度。

1.2 沉降觀測點布設(shè)采用RTK+全站儀+電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行全面觀測

按照走向線和傾向線埋設(shè)好沉降觀測點后,對地形特別復(fù)雜、水準(zhǔn)儀觀測困難的地段,使用RTK+全站儀聯(lián)合測量的方法測量沉降點的坐標(biāo)和高程,對地形較平緩的地段,使用RTK+電子水準(zhǔn)儀的方法進(jìn)行觀測。

1.3 沉降觀測采用RTK+電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行日常觀測

工作面地表沙丘較大,使用水準(zhǔn)儀觀測較為困難,采用RTK 觀測的方法對沉降點進(jìn)行多次重復(fù)觀測,確保觀測精度;21103工作面地表沙丘起伏比較平緩,采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測。

2 觀測精度對比

2.1 常規(guī)測量地表沉陷觀測點高程精度分析[7]

走向線構(gòu)成6 km 長附合水準(zhǔn)線路,高程最弱點誤差處在水準(zhǔn)線路中點處。水準(zhǔn)按四等要求施測,每公里高差中誤差為Mw=±10 mm,最弱點高程誤差為:m==±12.2 mm,(L=6 km)。

2.2 應(yīng)用RTK 技術(shù)地表沉陷觀測點高程精度分析

使用RTK 觀測,其高程精度為±(10+1 ppm×D),最弱點在離參考站距離最遠(yuǎn)處,即走向線終點處,距離D=6 km,則最弱點高程誤差:m==±12.3 mm。

由此可見,理論上用RTK 作業(yè)模式測量的高程精度優(yōu)于水準(zhǔn)測量精度,從而在理論上保證了RTK 監(jiān)測礦區(qū)開采地表沉陷的可行性。

3 測量作業(yè)預(yù)控管理

測量作業(yè)預(yù)控管理的核心是預(yù)控和精細(xì)化缺一不可,互為依托,相互補充。精細(xì)化預(yù)控管理技術(shù)從大方向著眼,從細(xì)微處入手,更加強調(diào)兩者的完美結(jié)合。在項目管理中創(chuàng)新各項技術(shù)和管理手段,以便更好地完成本次研究。

3.1 充分了解現(xiàn)場地形地貌

充分了解現(xiàn)場地形地貌,再根據(jù)實際地貌制定針對性測量方案,這也是一切測量工作開始的依據(jù),是體現(xiàn)測量工程預(yù)控管理技術(shù)的價值所在。

3.2 做好對儀器的檢校

在工程開始前到有資質(zhì)的單位檢校測量儀器,保證工程開始后儀器正常使用。檢校后,測量人員對儀器進(jìn)行再次檢查,確保各類指標(biāo)都在規(guī)定范圍內(nèi)。測量人員每月對儀器進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)指標(biāo)超限的應(yīng)立即停止使用,并送檢。

3.3 觀測質(zhì)量的控制

在測量過程中要以“精度控制”為主線,強調(diào)“精”和“細(xì)”。選用索佳DX-101AC 全站儀,測角精度±1″級,保證觀測精度。測量人員分組施測,明確分工,每組明確一個主測人員,分別使用RTK、全站儀、電子水準(zhǔn)儀觀測,減小人為引起的測量誤差。測量人員分工明確,外業(yè)時各司其職,內(nèi)業(yè)計算要有主測、主算和技術(shù)員,三者分別計算和相互檢核。

4 應(yīng)用RTK 監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的技術(shù)措施

利用RTK 觀測已知控制點,進(jìn)行測區(qū)實時偏差值修正,人為求取RTK 沉陷監(jiān)測埋石點,并用GPS靜態(tài)測量無約束平差求出各點地方坐標(biāo),作為地表沉陷監(jiān)測的參考基準(zhǔn)。利用RTK 觀測沉降點,采用延長觀測站觀測時間、使用強制對中、連續(xù)多次采集觀測數(shù)據(jù)等措施,大大降低了觀測誤差。

5 21102工作面地表移動觀測站的設(shè)計

沿工作面走向在主斷面布設(shè)全盆地走向觀測線,長度4 700 m,傾向觀測線設(shè)2條,根據(jù)地形實際情況埋設(shè)6個控制點。

6 主要研究成果

6.1 地表沉降值分布

走向線最大下沉值1 353 mm,平均下沉速率1.3 mm/d。

6.2 開采下沉系數(shù)

工作面于2018 年7 月回采結(jié)束,距今已有3 a多,基本達(dá)到充分下沉。已知葫蘆素煤礦的覆巖層為中硬巖層,K1、K2可取0.8,計算得到的采動系數(shù)為:n1=0.51,n2=1.01,煤層傾角為2°,可計算得工作面下沉系數(shù)為:q=0.67。

6.3 主要影響半徑和主要影響角正切[8]

主要影響角正切為開采深度與主要影響半徑之比,計算公式為:tanβ=H/r。式中:H為開采深度;r為主要影響半徑。

由觀測數(shù)據(jù)計算知,工作面主要影響半徑為:r走=W0/i0=260 m。式中:r走為走向主要影響半徑;W0為最大下沉值;i0為最大傾斜值。

6.4 拐點偏移距

根據(jù)拐點的下沉值約為最大下沉值的一半這一性質(zhì),可在下沉曲線圖上確定拐點。工作面拐點偏移距:s走=54.4 m=0.07H,偏向采空區(qū)內(nèi)。

6.5 巖性系數(shù)

巖性系數(shù)K由最大下沉角確定,系數(shù)K的計算公式為:K=(90°-θ)/α,α為煤層傾角;θ為最大下沉角。傾向線最大下沉角為88.5°,則K=0.75。

6.6 啟動距

由工作面進(jìn)尺與走向線觀測數(shù)據(jù)可知,工作面在推進(jìn)至260 m 時地面無顯現(xiàn)沉降,工作面推進(jìn)至346 m 時,工作面觀測到沉降,推算出啟動距為282 m,約0.41H。

6.7 超前影響距和超前影響角

根據(jù)超前影響距和超前影響角的關(guān)系,可得超前影響角ω=arctan(l/H0),l為超前影響距,m;H0為平均開采深度(取值680 m)。因此,推算工作面的超前影響距為488 m,超前影響角為54.3°。

6.8 最大下沉速度系數(shù)

最大下沉速度系數(shù)與工作面最大下沉速度、地表最大下沉值、開采深度、露巖性質(zhì)以及工作面推進(jìn)速度有關(guān),地表點最大下沉速度表示為:

式中:K為下沉速度系數(shù);V為工作面推進(jìn)速度,m/d;H0為平均開采深度,m;Wmax為本工作面的地表最大下沉值,mm。

根據(jù)工作面實測數(shù)據(jù),經(jīng)計算得下沉速度系數(shù)為:K=1.5。

6.9 移動邊界角

松散層與基巖邊界角分別求取,使開采影響范圍的確定更加準(zhǔn)確,能夠更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。依據(jù)《煤礦測量規(guī)程》所確定的“下沉10 mm 的點為地表下沉盆地邊界點”的標(biāo)準(zhǔn)。因工作面傾角較小,在一定開采范圍內(nèi)可以認(rèn)為:邊界角在走向及上、下山方向近似相等。由采深和松散層厚度h1、h2,可求得基巖厚度Hj1、Hj2,依據(jù)幾何關(guān)系可得:

式中:L1、L2為走向及傾向方向下沉10 mm 邊界至采空區(qū)水平距離;ψ為松散層邊界角;δ為下山方向邊界角。

由公式(2)和(3)解得:松散層邊界角為ψ0=28°,基巖邊界角為δ0=γ0=β0=56°。

7 結(jié) 論

(1)沉降分析

葫蘆素煤礦區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較全,工作面煤層上方存在兩種較厚的巖層:①中-上三疊統(tǒng)延長組(T3y)以黃、灰綠、紫、灰黑色塊狀中粗粒砂巖為主,夾灰黑、灰綠色泥巖和煤線,厚度100～312 m;②侏羅統(tǒng)富縣組(J1f),上部為淺黃、灰綠、紫紅色泥巖,夾砂巖;下部以砂巖為主,局部為砂巖與泥巖互層;底部為淺黃色礫巖,厚度0～110 m,自礦區(qū)東部向西逐漸變薄,直至尖滅。

工作面上方頂板有多層較厚的巖層,它對覆巖移動起控制作用,這種起控制作用的厚而堅硬巖層稱為“托板”,由于“托板”托住了其上覆巖層和松散層,其上覆巖土層的移動和變形完全受“托板”的沉陷控制。這些巖土層隨“托板”的沉陷和變形而產(chǎn)生運動時,巖土層內(nèi)部既不產(chǎn)生豎向壓縮變形,也不產(chǎn)生豎向拉伸變形,層內(nèi)無斷裂、無離層?！巴邪濉币陨蠋r土層的移動變形連續(xù),無體積變形,地表最大下沉量等于托板整體沉陷量。

(2)以10 mm 下沉點為邊界,工作面切眼南側(cè)影響水平距離為220 m,首采工作面西側(cè)和東側(cè)影響距離為450 m,開采下沉系數(shù)為0.67,主要影響角正切為2.61,松散層邊界角為ψ0=28°,邊界角為β0=54°。