大埋深薄基巖綜采工作面地表沉陷規(guī)律研究

張文山 劉崢 王海軍

摘要：介紹了趙固一礦首采工作面開(kāi)展的巖移觀測(cè)站工作及其取得的成果，敘述了本礦巨厚沖積層薄基巖綜采開(kāi)采條件下地表沉陷規(guī)律的一些研究與實(shí)踐，并對(duì)所取得的成果進(jìn)行了一定的分析。

關(guān)鍵詞：巨厚沖積層 薄基巖 綜采 沉陷規(guī)律

1 礦井概況

趙固一礦位于焦作煤田東部、太行山南麓，行政區(qū)劃隸屬輝縣市管轄，井田中心有公路通向新鄉(xiāng)市、焦作市、輝縣市、嘉縣等，交通便利。

趙固一礦設(shè)計(jì)每年生產(chǎn)能力是240萬(wàn)噸，共有49年的服務(wù)年限。礦井主采二疊系山西組二1煤層，煤層傾角一般2～6°，賦存穩(wěn)定，平均厚度5.29m，屬全區(qū)可采的近水平穩(wěn)定型厚煤層。煤種為低中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)三號(hào)無(wú)煙煤，平均發(fā)熱量29.9千卡/千克。

礦井采用立井單水平盤(pán)區(qū)式開(kāi)拓，井口位置位于井田中深部，井口標(biāo)高+83.8m，車(chē)場(chǎng)水平標(biāo)高-525m，井深608.8m。工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置主、副、風(fēng)3個(gè)立井。通風(fēng)方式一開(kāi)始是中央并列式，后來(lái)考慮到礦井邊界安全出口，變成了兩翼對(duì)角式的通風(fēng)方式。

井田走向長(zhǎng)2.0～5.5km，傾斜寬9.5～11km，具有43.77km2的含煤面積，3.73億噸的總資源儲(chǔ)量，可采儲(chǔ)量1.64億噸。井田范圍內(nèi)二1煤層處于瓦斯風(fēng)化帶中，屬低瓦斯礦井，礦井開(kāi)采條件較好。

趙固一礦屬新建礦井，缺少巖移觀測(cè)資料和工程實(shí)例參照。因此為了較準(zhǔn)確獲取該地區(qū)地表移動(dòng)和變形規(guī)律及相關(guān)的地表移動(dòng)和變形的各種角量參數(shù)與預(yù)計(jì)參數(shù)，總結(jié)規(guī)律，為土地復(fù)墾奠定理論基礎(chǔ)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，決定對(duì)11011首采工作面做細(xì)致的地表巖移觀測(cè)。

2 工作面概況

2.1 11011工作面布置情況 11011首采工作面位于東一盤(pán)區(qū)西部，其具體位于工業(yè)廣場(chǎng)以東與石門(mén)河之間，文莊村東南，工作面中南部地面有西北流村，東北流村位于工作面南部以東地面，輝吳公路從工作面南部上方穿過(guò)。

2.2 開(kāi)采地質(zhì)條件 趙固一礦首采工作面主采煤層為二1煤，厚度5.93～6.42m，平均6.14m，煤層傾角沿工作面方向1～2°，沿推進(jìn)方向近似煤層走向。煤層節(jié)理、層理發(fā)育，局部含有薄層夾矸，而且性脆，煤的硬度f(wàn)=0.98～1.8。煤層頂板局部有炭質(zhì)泥巖薄層偽頂。直接頂為1.7m～6.8m厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖，直接頂上部夾有0.4m左右的煤線(xiàn)。老頂為4.4m～6.5m厚的大占砂巖，高角度節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，分層厚度0.3～0.5m，層間夾薄層泥巖或者砂質(zhì)泥巖。二1煤層底板距L9灰?guī)r12.2m～13.8m，距L8灰?guī)r24.5m～25.7m。煤層底板到L9灰?guī)r之間巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖；L9灰?guī)r到L8灰?guī)r之間為泥巖。

根據(jù)三維地震資料及順槽掘進(jìn)過(guò)程中的觀測(cè)，工作面內(nèi)賦存的斷層共計(jì)10條，其中六條對(duì)回采影響較大。

2.3 工作面開(kāi)采情況 表土層厚度480m，煤層頂板標(biāo)高-478.1m～-496.4m，煤層傾角0°～4°，走向長(zhǎng)度1124.2m，傾斜長(zhǎng)172.2m，平均采高3.3m，工作面實(shí)際回采率93%，循環(huán)進(jìn)尺0.6m，推進(jìn)速度6m/天。

工作面采用兩端斜切進(jìn)刀雙向割煤方式，翻轉(zhuǎn)搖臂割三角煤后轉(zhuǎn)入正常割煤，采煤機(jī)割煤后隨即移架、推移輸送機(jī)，完成一個(gè)循環(huán)。工作面采用采煤機(jī)落煤、裝煤，可彎曲刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，頂板支護(hù)采用支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架全封閉支護(hù)。工作面布置112架ZF6800/20/38型放頂煤液壓支架，機(jī)頭、機(jī)尾各3架ZFG7200/20/38型過(guò)渡液壓支架，最大控頂距5.0m，最小控頂距4.4m，支架中心距1.5m，全封閉式頂板管理，空頂距小于340mm。

3 工作面地表沉陷觀測(cè)情況

3.1 工作面觀測(cè)點(diǎn)的布置與觀測(cè) 由于11011工作面平均開(kāi)采深度為575m，大于300m，根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》的要求，觀測(cè)站點(diǎn)間距選擇為25m，需要在各條觀測(cè)線(xiàn)工作長(zhǎng)度以外設(shè)置觀測(cè)站控制點(diǎn)各3個(gè)。在第一條傾向觀測(cè)線(xiàn)東北、西南兩頭控制點(diǎn)編號(hào)為AW1、AW2、AW3、AE1、AE2、AE3，在第二條傾向觀測(cè)線(xiàn)東北、西南兩頭控制點(diǎn)編號(hào)為BW1、BW2、BW3、BE1、BE2、BE3，在走向觀測(cè)線(xiàn)西北、東南兩頭控制點(diǎn)編號(hào)為CN1、CN2、CN3、CS1、CS2、CS3由井下巷道導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)資料計(jì)算，A、C兩條觀測(cè)線(xiàn)交點(diǎn)A27的坐標(biāo)為（3920076.592，467421.899），B、C兩條觀測(cè)線(xiàn)交點(diǎn)A27的坐標(biāo)為（3919835.242，467600.085），走向觀測(cè)線(xiàn)方位角為143°33′43〞，傾向觀測(cè)線(xiàn)方位角為53°33′43〞。

控制點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)標(biāo)定位置挖一個(gè)直徑0.2m～0.3m，深度不小于0.6m的坑，用混凝土灌注中間用16～20mm的圓鋼筋作為標(biāo)志，標(biāo)志的頂部加工成球形，并鉆一個(gè)深3～5mm、直徑小于2mm的孔作為測(cè)點(diǎn)標(biāo)志的中心。或用預(yù)制的測(cè)點(diǎn)埋設(shè)。圓鋼筋頂部也可用鋼鋸鋸成相互垂直的十字，作為測(cè)點(diǎn)標(biāo)志的中心。在凍土地區(qū)，標(biāo)志澆灌深度應(yīng)在凍土線(xiàn)以下0.5m左右，標(biāo)志周?chē)罹o土石，和凍土隔離?？刂泣c(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)按設(shè)計(jì)要求用2″級(jí)全站儀或DJ2級(jí)經(jīng)緯儀配合鋼尺標(biāo)定，并按要求盡量布設(shè)在設(shè)計(jì)的方向線(xiàn)上。

11011工作面自2008年11月1日開(kāi)始回采至2009年11月23日回采結(jié)束。在11011工作面開(kāi)采過(guò)程中，在工作面上方設(shè)傾向觀測(cè)線(xiàn)2條。觀測(cè)線(xiàn)Ⅰ在2008年10月12日至2009年10月30日期間共測(cè)量了16次。觀測(cè)線(xiàn)Ⅱ在2009年04月01日至2010年01月30日期間共測(cè)量了10次。

3.2 觀測(cè)情況 通過(guò)觀測(cè)：11011工作面中心地表最大下沉量約為采高的0.8倍，最大下沉量為2377mm；以工作面中心線(xiàn)為中心，傾向方向上半徑500m范圍內(nèi)下沉量在50mm以上；下沉盆地以工作面走向中心線(xiàn)為長(zhǎng)軸呈橢圓坑狀。

4 地表沉陷規(guī)律分析

4.1 超前影響距和超前影響角 超前影響角的計(jì)算公式：？棕=arc cot■

式中：l——超前影響距，m；

H——平均開(kāi)采深度575m。

根據(jù)11011工作面觀測(cè)資料顯示，得到超前影響距值如表1：

表1

■

由表可求得平均超前影響距為L(zhǎng)=300m，超前影響角ω為

？棕=arc cot■=62.5°

4.2 最大下沉速度及滯后角和滯后距 地表最大下沉速度計(jì)算公式：

Vmax=k■W/H0

分析可知：最大下沉速度Vmax為41mm/d；工作面平均推進(jìn)速度c為6m/d；工作面最大下沉值W約為2377mm；H0平均開(kāi)采深度575m；該工作面下沉速度系數(shù)k為4.05。

地表最大下沉距計(jì)算公式：

？準(zhǔn)=arc cot■

式中：l——滯后距，m；

H——平均開(kāi)采深度575m。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料得，采區(qū)中央點(diǎn)號(hào)的最大下沉速度均達(dá)2377mm/d。最大下沉速度滯后距為65～76.5m，最大下沉速度滯后角為82.4～83.5°。

5 巖移參數(shù)的擬合方法

影響地表移動(dòng)變形的主要因素：下沉系數(shù)η；采深、巖性系數(shù)c等。在此工程實(shí)例中開(kāi)采深度一定，是一定值不參與擬合；主要影響半徑由主要影響角確定。因此，主要參與擬合的參數(shù)有：下沉系數(shù)；采深、巖性系數(shù)；主要影響角。

首先以觀測(cè)線(xiàn)Ⅰ的第二次觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合，擬合出相關(guān)參數(shù)；再以此為基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行第三次觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合。如果擬合誤差小于工程允許范圍，擬合結(jié)束；反之，則繼續(xù)擬合，直到擬合精度符合工程需求。

觀測(cè)線(xiàn)Ⅰ第十六次觀測(cè)擬合結(jié)果：

圖1 觀測(cè)線(xiàn)Ⅰ第十六次觀測(cè)值擬合結(jié)果

觀測(cè)線(xiàn)Ⅱ第十次觀測(cè)擬合結(jié)果：

圖2 觀測(cè)線(xiàn)Ⅱ第十次觀測(cè)值擬合結(jié)果

觀測(cè)線(xiàn)Ⅰ、Ⅱ擬合結(jié)果匯總：

表2 觀測(cè)線(xiàn)擬合結(jié)果匯總表

■

根據(jù)擬合結(jié)果及綜合分析：下沉系數(shù)：q=0.91；主要影響角：β=72°；松散層移動(dòng)角：φ=45°；采深、巖性系數(shù)：c=6。根據(jù)以上地表移動(dòng)參數(shù)，應(yīng)用剖面函數(shù)法、概率積分法等對(duì)礦區(qū)地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，確定地表變形范圍，指導(dǎo)塌陷區(qū)綜合治理及土地征用和村莊搬遷。

6 地表沉陷特征

6.1 11011工作面平均超前影響距為L(zhǎng)=300m，超前影響角為62.5°，最大下沉速度達(dá)41mm/d，最大下沉速度滯后距平均為65～76.5m，最大下沉速度滯后角為82.4～83.5°。

6.2 厚沖積層薄基巖綜采開(kāi)采條件下地表沉陷具有最大下沉值、最大下沉速度、水平變形量明顯偏大等特點(diǎn)。

6.3 11011工作面寬深比大，采動(dòng)充分度大。同時(shí)11011工作面表土厚度大，基巖厚度偏小，覆巖相對(duì)軟弱，采寬與基巖比大，從而使地表移動(dòng)變形增大，盆地位于采空區(qū)中心上方附近。

7 結(jié)束語(yǔ)

①巖層移動(dòng)傳播到地表的沉陷現(xiàn)象，反映了巖層移動(dòng)的傳播方式和移動(dòng)狀況，為地表移動(dòng)的描述和預(yù)測(cè)提供依據(jù)。②開(kāi)采沉陷引起的巖層與地表移動(dòng)屬于大變形理論范疇，從開(kāi)采沉陷的機(jī)理上講，由煤礦開(kāi)采所誘發(fā)的土地沉陷可以用“兩種移動(dòng)”和“三種變形”來(lái)描述。③必須采取必要的措施來(lái)避免開(kāi)采沉陷，因?yàn)槠鋵?duì)土地資源的影響和破壞是巨大的。

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