大采高巨厚礫巖頂板跳躍式開采地表沉降規(guī)律的研究與應(yīng)用

王宜清

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）濟寧七五煤業(yè)有限公司，山東 微山 277606）

七五煤業(yè)隸屬于山東能源棗莊礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司。礦區(qū)位于濟寧市微山縣歡城鎮(zhèn)、夏鎮(zhèn)和棗莊市滕州張汪鎮(zhèn)的交界處，行政區(qū)劃歸濟寧市微山縣歡城鎮(zhèn)、夏鎮(zhèn)和棗莊市滕州張汪鎮(zhèn)管轄。本井田東至滕州東預(yù)測區(qū)，西部與岱莊煤業(yè)、付村煤礦、三河口煤礦交界，南至微山勘探區(qū)，北與歡城煤礦和田陳煤礦毗鄰。

七五煤業(yè)原為生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)設(shè)計生產(chǎn)能力10萬t/a的礦井，1975年移交山東省勞改局（現(xiàn)山東省監(jiān)獄管理局）后，改設(shè)計生產(chǎn)能力21萬t/a，1979年1月正式投產(chǎn)。1984年改擴建為設(shè)計生產(chǎn)能力60萬t/a，1992年達(dá)產(chǎn)。1992年10月，能源部將原屬棗莊礦務(wù)局建設(shè)開發(fā)的滕南許樓區(qū)劃為七五煤業(yè)開發(fā)后，再次改擴建為設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a，2002年礦井建設(shè)通過驗收。2013年核定礦井年生產(chǎn)能力100萬t。采用立井開拓，分兩個區(qū)生產(chǎn)，即-95m水平和-624m水平。井田內(nèi)地形平坦，大路縱橫，村莊稠密。地勢由東北向西南緩慢降低，地面標(biāo)高由42.44m降至33.32m，地形坡度約千分之一，屬濱湖沖積平原。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和鉆孔揭露資料分析，本井田內(nèi)地層自下至上有奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭紀(jì)月門溝群本溪組、石炭～二疊紀(jì)月門溝群太原組、二疊紀(jì)月門溝群山西組、二疊紀(jì)石盒子群、侏羅紀(jì)淄博群三臺組以及第四系。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計

1.1 監(jiān)測網(wǎng)（剖面）布設(shè)原則

布設(shè)原則是沿采空區(qū)大體走向和傾向布設(shè)數(shù)條剖面監(jiān)測線；實際監(jiān)測中，為了便于各監(jiān)測樁（釘）的保存，主要采用沿已有機耕道、鄉(xiāng)間道路、公路進(jìn)行線狀布設(shè)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測線的布設(shè)應(yīng)同時結(jié)合監(jiān)測區(qū)已存在的實際界線或地形地物特征，如地形地貌、地質(zhì)界線、建筑布局以及道路設(shè)施等，監(jiān)測線應(yīng)以這些界線或地物特征作為監(jiān)測線的組成部分或作為其重要補充。依據(jù)煤礦接續(xù)計劃和已采工作面情況，在達(dá)到監(jiān)測線精度要求的同時，遵循合理布設(shè)監(jiān)測工作，盡量減少監(jiān)測費用的原則。

1.2 監(jiān)測點的選擇及布設(shè)

根據(jù)采煤工作面展布方向、工作面長度、開采煤層深度、開采時間以及地面建構(gòu)筑物等因素綜合確定。本次設(shè)計在硬化路面采用監(jiān)測釘，在非硬化路面上采用預(yù)制監(jiān)測樁。在非硬化路面布設(shè)監(jiān)測樁時盡量布設(shè)在電線桿、井房以及灌溉井旁，減少因農(nóng)業(yè)活動對監(jiān)測樁的影響。監(jiān)測線兩端各設(shè)置一處工作基點，各監(jiān)測測點平均按點距50m布設(shè)監(jiān)測工作量。

監(jiān)測區(qū)位于北七采區(qū)內(nèi)，該監(jiān)測區(qū)主要是對2018~2021年計劃開采的701、709、711、713和717工作面以及近期已采工作面進(jìn)行監(jiān)測，本次設(shè)計在該監(jiān)測區(qū)內(nèi)布設(shè)監(jiān)測線5條QW04～08，測線總長度共約8.5km，工作基點9個。擬布設(shè)監(jiān)測點164個，其中監(jiān)測樁數(shù)量為20個，監(jiān)測樁埋設(shè)間距約300m，其余144個監(jiān)測點為監(jiān)測釘或水泥釘，測點間距50m。

1.3 監(jiān)測方案

1.3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與高程基準(zhǔn)

平面系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

1.3.2 監(jiān)測要求

地表形變監(jiān)測方法：地表移動觀測的基本內(nèi)容是：在采動過程中，定期地、重復(fù)地測定觀測線上各測點在不同時期內(nèi)空間位置變化。地表移動測量工作包括：連續(xù)測量、全面測量及日常測量的地表變形的測定和編錄。

1.4 監(jiān)測工程實施

本次監(jiān)測點采用預(yù)制水泥墩方式進(jìn)行埋設(shè)，并在埋設(shè)時進(jìn)行影像記錄和點位記錄。采空塌陷監(jiān)測點觀測樁結(jié)構(gòu)及埋設(shè)圖。

根據(jù)監(jiān)測區(qū)實際情況，采空塌陷采用電子水準(zhǔn)儀＋銦鋼尺進(jìn)行垂直形變監(jiān)測，采用全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)和導(dǎo)線測量技術(shù)對采空塌陷進(jìn)行水平位移監(jiān)測。觀測監(jiān)測區(qū)整體的采空塌陷情況，可以在較大的空間區(qū)域內(nèi)建立變形體間的關(guān)聯(lián)性。

采用SDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)采集測區(qū)周邊已有4個控制點。GPS衛(wèi)星接收天線采用三腳架固定，每個控制點觀測兩次，每次觀測15min，2次觀測成果較差合格后取中數(shù)使用，然后采用TGO軟件中點校正功能，求取測區(qū)七參數(shù)，校正后點位殘差最大1.1cm，符合規(guī)范要求。利用SDCORS技術(shù)，輸入求取的七參數(shù)，采集測區(qū)內(nèi)控制點3個，經(jīng)檢核精度符合規(guī)范要求，可以使用。

采用SDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個觀測點獨立觀測2次，每次觀測數(shù)據(jù)均在30個歷元以上，兩次觀測坐標(biāo)互差不大于2cm，觀測成果取其2次觀測結(jié)果的平均數(shù)?；鶞?zhǔn)點和工作基點共布設(shè)29個。本項目沉降觀測起算點為PD23，水準(zhǔn)等級為三等，其與基準(zhǔn)點及工作基點形成閉合水準(zhǔn)路線，并在沉降觀測點觀測時檢查基準(zhǔn)點及工作基點的穩(wěn)定情況，確保沉降觀測的基準(zhǔn)點及工作基點的穩(wěn)定和有效?；鶞?zhǔn)點及工作基點設(shè)置完成，達(dá)到穩(wěn)定后與起算水準(zhǔn)點進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測。

2 建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測

2.1 監(jiān)測內(nèi)容與方法

根據(jù)地面變形和地裂縫的發(fā)育和分布，對可能受其影響的建（構(gòu)）筑物的變形情況進(jìn)行巡視。對村莊建筑物墻壁開裂監(jiān)測采用人工巡查、米尺丈量的方法進(jìn)行。監(jiān)測頻率為1次/月，雨季及發(fā)現(xiàn)變形異常時須加密觀測。

2.2 監(jiān)測點的選擇與布設(shè)

根據(jù)監(jiān)測設(shè)計監(jiān)測點布設(shè)情況，在全區(qū)布設(shè)地表變形影響監(jiān)測點7處，監(jiān)測點主要分布在井田內(nèi)各村莊、道路等處，監(jiān)測點已建設(shè)完成，與設(shè)計數(shù)量一致。

3 工作面地表變形概率積分法預(yù)計

3.1 工作面地表變形概率積分法預(yù)計

通過使用地表概率積分預(yù)計軟件MSDFVS對701工作面條帶開采的下沉值、水平變形值、水平移動值、傾斜值、曲率變形值進(jìn)行了全盆地預(yù)計，得到了條帶開采地表移動與變形值分布等值線圖。

3.2 工作面實測數(shù)據(jù)與預(yù)計數(shù)據(jù)對比

701工作面的實測地表變形數(shù)據(jù)與預(yù)計數(shù)據(jù)如表1所示，并計算了二者相對誤差。

表1 七五煤礦701工作面預(yù)計巖移參數(shù)表

從表2對比分析可知，相對誤差均符合要求，下沉等值線圖符合實際情況。

表2 預(yù)計下沉值與實測下沉值對比

4 結(jié)語

許樓新區(qū)315工作面巖移參數(shù)與701工作面巖移參數(shù)如表3所示。

表3 701、315工作面巖移參數(shù)對比分析表

（1）通過對比分析，許樓新區(qū)315工作面和701工作面下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)值相差很小。這是由于七五煤業(yè)許樓新區(qū)315工作面和701工作面所處同一采區(qū)，所以具有相似的地表下沉規(guī)律。

（2）地表沉陷是煤層開采后覆巖移動傳播到地表的綜合表現(xiàn)形式，大體上可分為兩類：一類是連續(xù)形變；另一類是非連續(xù)形變。地表形變量的大小和方向與礦層開采條件、覆巖性質(zhì)和開采間隔時間密切相關(guān)，根據(jù)覆巖巖性結(jié)構(gòu)組合和力學(xué)特征與礦層之間的時空關(guān)系，可以把上覆巖層分為4類：堅硬-堅硬型覆巖均為堅硬巖層，強度高，巖性致密且整體性好，礦層開采后覆巖不易垮落；軟弱-軟弱型，即整個上覆巖層皆為軟弱巖層，礦層開采后覆巖移動在較短的時間內(nèi)就能傳播到地表；軟弱-堅硬型(下部巖層為軟弱巖層上部巖層為堅硬巖層)；堅硬-軟弱型(下硬上軟)。

研究表明微山湖礦區(qū)位于大范圍巨厚堅硬礫巖層上方，礫巖厚度從100~300m不等，七五煤礦是微山湖礦區(qū)的重要組成部分，其3煤上方為均厚220m堅硬巨厚礫巖層，煤層開采過后出現(xiàn)一定程度采空區(qū)，由于工作面深度較大(700m)因而壓力巨大，煤層開采后的采空區(qū)給巖層壓力釋放提供了空間，因此出現(xiàn)地表沉陷，然而堅硬且大面積連成片狀的巨厚礫巖層承載住了絕大部分壓力，同時由于礫巖層壓力得到釋放，會一定程度向采空區(qū)膨脹，膨脹到一定程度后會穩(wěn)定下來，由于礫巖層的膨脹會導(dǎo)致其密度和承載來自地表壓力的能力變小，因此地表出現(xiàn)一定程度的下沉，但其遠(yuǎn)小于其他煤礦采區(qū)下沉量。