寺河煤礦西三盤區(qū)地表與巖層移動觀測研究

＊郭向陽

（晉能控股集團(tuán)寺河煤礦 山西 048000）

為了掌握寺河煤礦3#煤開采引起的地表移動變形和破壞規(guī)律，在西三盤區(qū)W3302工作面上方建立地表巖移觀測站。通過長期進(jìn)行地表移動變形觀測，獲取各觀測點的變形數(shù)據(jù)，求取概率積分法預(yù)計參數(shù)和地表移動參數(shù)，包含裂縫角、移動角、邊界角、下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、拐點偏移距、主要影響半徑及角正切，運用于保護(hù)煤柱設(shè)計及煤礦環(huán)境影響評價，減少環(huán)境影響。

1.觀測站布設(shè)及觀測

(1)觀測站設(shè)置

根據(jù)工作面基巖移動角、安全系數(shù)、表土層移動角、最大下沉角等設(shè)計參數(shù)，在W3302工作面地表上方共設(shè)置A、B兩條觀測線。其中A線大致沿煤層走向主斷面方向布設(shè)，為走向觀測線；B線大致沿煤層傾斜方向布置，為傾向觀測線。實地布設(shè)各觀測線的長度和點數(shù)如表1，相關(guān)位置見圖1。

表1 W3302觀測站實地布設(shè)觀測線長度及點數(shù)一覽表

圖1 觀測線與工作面的相關(guān)位置

觀測點標(biāo)石采用預(yù)制標(biāo)樁和現(xiàn)場混凝土澆注標(biāo)樁，頂部中央有半球形標(biāo)志，刻有“十”字，埋沒深度應(yīng)大于當(dāng)?shù)貎鐾辽疃?，確保密實固結(jié)于土層，這樣測點隨著地表移動而同時移動。

(2)觀測站觀測

工作面開采造成地表移動變形，在移動范圍波及觀測站區(qū)域之前，應(yīng)先進(jìn)行觀測站連測，以確定開采工作面與觀測站間的空間相對位置關(guān)系，使寺河礦區(qū)控制網(wǎng)與觀測站聯(lián)系起來，以確定其對應(yīng)關(guān)系。

為了確定觀測站工作測點不受采動影響的空間位置，在地表開始移動之前、連測之后，需對觀測站進(jìn)行兩次獨立的全面觀測，取均值看作測點的初始觀測數(shù)據(jù)，按實際位置繪制到觀測站設(shè)計圖中。在開采過程中，每15d左右觀測一次。當(dāng)?shù)乇硪苿臃€(wěn)定后，進(jìn)行最后一次全面觀測。

W3302工作面地表移動觀測站的首次觀測為2019年6月27日，末次觀測為2021年3月22日。觀測時間見表2。

表2 W3302觀測站觀測情況一覽表

2.觀測數(shù)據(jù)處理及分析

對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和坐標(biāo)變換，計算觀測點的下沉（W）、傾斜（i）、曲率（k）、水平移動（u）、水平變形（ε）。

(1)觀測站概率積分法預(yù)計參數(shù)分析

表3 W3302觀測站移動變形模擬求參計算輸入?yún)?shù)表

概率積分法是開采沉陷預(yù)計的一種方法，結(jié)合模擬求參方法，類比已有的分析成果，確定初始參數(shù)，按本次觀測站A線、B線相同的地質(zhì)采礦條件和點位坐標(biāo)進(jìn)行移動變形計算，對比計算結(jié)果與實測值，分析差異情況，調(diào)整預(yù)計參數(shù)值，進(jìn)而繼續(xù)模擬計算，按此思路反復(fù)計算，直到獲得最佳模擬效果，其預(yù)計參數(shù)即為最優(yōu)模擬參數(shù)。

表4 移動變形模擬求參計算結(jié)果一覽表

將各次模擬計算結(jié)果與實測移動變形值相比較，最終選取A線第四次（A4）和B線第四次（B4）作為最佳模擬結(jié)果。實測與預(yù)計對比曲線見圖2（以A線為例）。

圖2 下沉預(yù)計與實測曲線對比圖

根據(jù)W3302工作面實測資料，利用概率積分法模擬求參取得的最佳預(yù)計參數(shù)值如表5。

表5 地表移動變形預(yù)計最佳參數(shù)

(2)地表移動范圍角量參數(shù)分析

邊界角、移動角和裂縫角是三個地表移動范圍角量參數(shù)，其中邊界角按下沉10mm確定；地表裂縫角按最外側(cè)的裂縫位置確定，移動角則按臨界變形值（傾斜取3mm/m；曲率取0.2×10-3/m；水平變形取2mm/m）確定。確定移動角時還應(yīng)考慮表土層移動角。表6為求取結(jié)果。

表6 地表移動范圍角量參數(shù)

3.地表移動參數(shù)在保護(hù)煤柱設(shè)計中的應(yīng)用

我國各大煤炭企業(yè)面臨建筑物下采煤問題，根據(jù)保護(hù)等級確定維護(hù)帶寬度，結(jié)合礦區(qū)的地質(zhì)條件及煤層埋藏條件，以及移動角等參數(shù)留設(shè)建筑物保護(hù)煤柱。寺河礦區(qū)煤層平均傾角為3°，小于5°，為水平煤層，故在一定開采范圍內(nèi)可以認(rèn)為移動角及邊界角在走向及傾向上、下山方向近似相等。利用移動角參數(shù)，結(jié)合松散層、煤層等地質(zhì)采礦條件，留設(shè)保護(hù)煤柱，確保地面河流、鐵路、建筑物等地物安全運行，減小開采的有害影響。

4.地表沉陷在環(huán)境影響評價中的應(yīng)用

寺河煤礦位于山區(qū)，煤炭開采造成原有植被、土壤遭到破壞，使礦區(qū)自然生態(tài)發(fā)生變化，引起水土流失、地表沉陷、山體滑坡等環(huán)境問題。

根據(jù)此次W3302巖移觀測站獲取的沉陷系數(shù)、村莊破壞程度、地表塌陷情況等實際數(shù)據(jù)，依據(jù)“三下”采煤規(guī)范進(jìn)行分析，確定對工作面上方建筑物的影響程度，上部公路下沉程度及對正常影響的使用，對土地破壞程度的水平變形傾斜變形影響，及時采取有效的治理措施，對公路采取填墊路基措施，對土地進(jìn)行綜合治理，減少對環(huán)境的影響和破壞。同時可根據(jù)W3302工作面獲取的地表巖移規(guī)律，提前對臨近及相同地質(zhì)采礦條件下的工作面環(huán)境破壞進(jìn)行預(yù)計分析，核實地表沉陷范圍，調(diào)查重點構(gòu)筑物預(yù)防采煤沉陷破壞的有效措施、沉陷范圍內(nèi)土地復(fù)墾及生態(tài)修復(fù)的有效性，以提前采取有效措施，最大程度減小對環(huán)境的破壞，達(dá)到《環(huán)境影響評價法》中對水、大氣、聲、固體廢棄物、地表沉陷及生態(tài)、土地復(fù)墾及水土保持工程、清潔生產(chǎn)、公眾參與、環(huán)境管理和環(huán)境監(jiān)測等要求。

5.結(jié)論

在寺河煤礦W3302工作面上方布設(shè)巖移觀測站，經(jīng)過長期觀測，獲取大量實測資料，通過分析，獲得該地質(zhì)采礦條件下概率積分法預(yù)計參數(shù)和地表移動參數(shù)。為減少煤礦開采對環(huán)境的影響和破壞，在類似采礦、地質(zhì)、地形情況下，將其應(yīng)用于地表移動預(yù)測和地表沉陷及生態(tài)環(huán)境影響評價，以采取有效的環(huán)境治理措施。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，考慮地質(zhì)情況的變化，運用地表移動參數(shù)留設(shè)保安煤柱，以指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)。