孟村礦首采工作面開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)研究

薛志強(qiáng),張艷超,楊 釗,殷國(guó)棟

(1.陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713600;2.陜西天潤(rùn)科技股份有限公司,陜西 西安 710054)

煤炭是傳統(tǒng)能源的主體,是重要的能源資源,在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),仍是我國(guó)的主體能源[1-3]。煤炭資源開(kāi)采包括井工開(kāi)采和露天開(kāi)采,我國(guó)煤炭資源開(kāi)采絕大部分屬于井工開(kāi)采,工作面在回采過(guò)程中必然造成上覆巖層不同程度的破壞,引起地表沉陷變形[4-6],使得煤炭資源開(kāi)發(fā)與地表建構(gòu)筑物和環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益凸顯。彬長(zhǎng)礦區(qū)屬于陜北重要的煤炭生產(chǎn)基地。煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)采,引起地表沉陷,從而影響建構(gòu)筑物安全、造成滑坡和泥石流等自然災(zāi)害。因此,在工作面回采過(guò)程中對(duì)地表沉陷進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)非常有必要。特別是新開(kāi)采工作面的礦區(qū)首采工作面,因無(wú)參考數(shù)據(jù),地表沉陷特征和損害分析更加重要。本文以孟村礦401盤(pán)區(qū)401101工作面為研究對(duì)象,進(jìn)行開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè),該工作面為盤(pán)區(qū)的第一個(gè)工作面。通過(guò)地表沉陷過(guò)程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)計(jì)算和變形分析獲得首采工作面地表移動(dòng)變形規(guī)律與巖移參數(shù),為礦區(qū)“三下”開(kāi)采和保護(hù)煤柱留設(shè)提供依據(jù)。

1 工程概況

孟村礦屬于黃隴黃土層塬梁溝壑區(qū),黃土層厚96～170 m,地勢(shì)西北高東南低,位于黃龍侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部。煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,傾角4～8°,厚3.70～26.3 m,平均厚16.25 m,為單一可采煤層。礦井采用上、下分層綜放開(kāi)采工藝。401101工作面可采長(zhǎng)2 090 m,傾向180 m,回采煤層厚10.5～12.0 m,平均11.25 m,采用后退式走向長(zhǎng)壁采煤法,全垮落法頂板管理,綜放開(kāi)采方法,機(jī)采高3.5 m,放煤高7 m,采放比1∶2,回采至距離停采線30 m處,開(kāi)始不放頂煤,進(jìn)入末采。

2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

地表沉陷監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)主要參考礦井地形地質(zhì)情況和煤層開(kāi)采條件,設(shè)計(jì)和建立地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)站。一般包括監(jiān)測(cè)線位置、長(zhǎng)度和監(jiān)測(cè)站數(shù)量設(shè)計(jì),地表沉陷監(jiān)測(cè)線又分為走向監(jiān)測(cè)線和傾向監(jiān)測(cè)線。

2.1 監(jiān)測(cè)線位置

監(jiān)測(cè)線位置設(shè)置需結(jié)合孟村礦地質(zhì)資料,且必須通過(guò)最大下沉角與基巖接觸面的交點(diǎn)在地表的投影。經(jīng)計(jì)算,最終確定走向觀測(cè)線的位置向下山方向移動(dòng)37.5 m.本項(xiàng)目中根據(jù)工作面地表建筑物分布,為了更好地預(yù)防地表建筑物損壞,布設(shè)兩條傾向觀測(cè)線,兩條觀測(cè)線相距250 m,距開(kāi)切眼距離分別為645 m、895 m.

2.2 監(jiān)測(cè)線長(zhǎng)度

走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度一般應(yīng)覆蓋整體采空區(qū),長(zhǎng)度計(jì)算方法如圖1所示。

圖1 觀測(cè)線長(zhǎng)度計(jì)算示意

當(dāng)遇到超長(zhǎng)工作面,且長(zhǎng)度大于開(kāi)采深度的0.9倍時(shí),走向觀測(cè)線可只設(shè)半條。為準(zhǔn)確獲取401101工作面地表沉陷過(guò)程、分析地表移動(dòng)規(guī)律,在走向方向布設(shè)完整觀測(cè)線,長(zhǎng)度覆蓋沉陷盆地走向主斷面;沿傾向布設(shè)兩條觀測(cè)線,長(zhǎng)度覆蓋移動(dòng)盆地傾向主斷面。經(jīng)計(jì)算,走向觀測(cè)線長(zhǎng)3 450 m,傾向觀測(cè)線(B線、C線)均為1 562 m.

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目

開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿觀測(cè)線按一定密度分布,參考《煤礦測(cè)量規(guī)程》和礦區(qū)地質(zhì)地形情況,結(jié)合開(kāi)采深度和監(jiān)測(cè)目的,確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距。首采工作面開(kāi)采平均深度為715 m,且地表地形復(fù)雜,具有一定坡度,確定以30 m間隔為監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距,共204個(gè)。

2.4 監(jiān)測(cè)線布設(shè)

為有效保護(hù)地表建構(gòu)筑物安全,結(jié)合實(shí)地情況,本項(xiàng)目將傾向觀測(cè)線布設(shè)在村莊附近,貫穿村莊,實(shí)現(xiàn)對(duì)村莊的有效預(yù)警和保護(hù),保證居民人身安全和減少財(cái)產(chǎn)損失,觀測(cè)站實(shí)際埋設(shè)位置如圖2所示。

圖2 觀測(cè)站實(shí)際埋設(shè)圖

3 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算

3.1 數(shù)據(jù)采集

在工作面回采過(guò)程中,進(jìn)行地表沉陷周期全面觀測(cè),采用RTK控制測(cè)量的方法測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo),在地表沉陷的活躍階段,應(yīng)在關(guān)鍵區(qū)域加密觀測(cè)。同時(shí),全面觀測(cè)應(yīng)在1～2 d內(nèi)完成,確保同期觀測(cè)數(shù)據(jù)不受煤層開(kāi)采的影響,保證數(shù)據(jù)的可靠性。項(xiàng)目組2018年5月—2021年5月進(jìn)行18次全面觀測(cè),獲取多組日常觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 移動(dòng)和變形計(jì)算

工作面地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)容主要包括下沉量計(jì)算、水平移動(dòng)計(jì)算、相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)傾斜量計(jì)算、監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉速度計(jì)算等。在本項(xiàng)目中重點(diǎn)計(jì)算分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下沉量和水平移動(dòng)量。

1) 下沉量。地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量監(jiān)測(cè)時(shí)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容,能夠反應(yīng)不同時(shí)期地表的下沉情況。參考公式(1)計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量,n點(diǎn)在m次觀測(cè)時(shí)的下沉量為:

(1)

“茶道不單單是喝茶，還有很多講究，可以插花，可以布茶席，可以做得很漂亮。還有音樂(lè)，比如用琵琶彈出贊美詩(shī)。”李路軍關(guān)于茶道的理解，反映了已經(jīng)融入中國(guó)的基督教，正在嘗試進(jìn)一步融合于中國(guó)文化。這種嘗試，還在繼續(xù)深入，更在隨著城市的發(fā)展、城市生活方式，以及審美趣味的改變而不斷創(chuàng)新。

地表下沉影響范圍隨著工作面不斷回采逐漸增大。當(dāng)工作面回采完成后,上覆巖層經(jīng)歷一段時(shí)間自然垮塌,地表逐漸達(dá)到穩(wěn)定,走向觀測(cè)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)A51下沉量最大,達(dá)到487 mm.

由圖3可知,傾向方向地表下沉盆地中心向下山方向偏移。地表沉陷穩(wěn)定后,傾向觀測(cè)線最大下沉量,分別發(fā)生在B20和C17觀測(cè)點(diǎn),下沉量分別達(dá)到401 mm、387 mm.

圖3 傾向觀測(cè)線下沉折線圖

2) 水平移動(dòng)。水平移動(dòng)監(jiān)測(cè)是地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容,通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平移動(dòng)量反應(yīng)地表水平移動(dòng)變化情況,監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算參考公式(2),n號(hào)點(diǎn)的水平移動(dòng)量為:

Un=[(Xmn-X0n)×cosα+(Ymn-Y0n)×sinα]×1 000

(2)

式中:Un為n點(diǎn)的水平移動(dòng),mm;Xmn、Ymn為m次觀測(cè)時(shí)n點(diǎn)的坐標(biāo);X0n、Y0n為首次觀測(cè)時(shí)n點(diǎn)的坐標(biāo);α為待求水平移動(dòng)方向的方位角,°.

在地表穩(wěn)定情況下時(shí),走向觀測(cè)線的最大水平移動(dòng)發(fā)生在A27點(diǎn)附近,其值為176.4 mm.傾向觀測(cè)線上山側(cè)的最大水平移動(dòng)值分別在B31和C27附近,其值分別是-128 mm、-132 mm;下山側(cè)的最大水平移動(dòng)值分別在B11和C14附近,其值分別是164 mm、177 mm.

觀測(cè)線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾斜、曲率、水平變形、下陷速度最大變形值如表1所示。

表1 地表沉陷變形最大值

4 結(jié)果分析

4.1 采動(dòng)過(guò)程地表沉陷沉陷特征

1) 下沉速度與沉陷過(guò)程。工作面回采過(guò)程中地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉陷變形,經(jīng)歷了初始階段、活躍階段和衰退階段,相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下沉速度也經(jīng)歷了由小到大,達(dá)到最大值后逐漸減小至零。以走向觀測(cè)線A35監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行計(jì)算,下沉量、下沉速度與回采過(guò)程如圖4所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)在前期回采過(guò)程中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量和下沉速度均較小,地表沉陷處于初始階段;隨著回采通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平投影位置,下沉速度逐漸迅速增加,下沉量急劇增大,地表沉陷呈現(xiàn)活躍狀態(tài);在采空區(qū)上覆巖層經(jīng)歷一段時(shí)間塌陷后,下沉速度逐漸減小,下沉量增長(zhǎng)緩慢,直至穩(wěn)定,地表沉陷處于衰退階段,地表沉陷趨于穩(wěn)定。

圖4 A35下沉速度與下沉量關(guān)系圖

在下沉的開(kāi)始和衰退階段,A35號(hào)觀測(cè)點(diǎn)每天的下沉速度<0.5 mm,活躍階段的每天下沉速度>0.5 mm,根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可以得出,其最大下沉速度為1.7 mm/d.A35號(hào)點(diǎn)在下沉活躍期下沉量為164 mm,占下沉總量的64%,進(jìn)一步顯示地表下沉量在下沉活躍期最多。

3) 最大下沉速度滯后角。最大下沉速度滯后角主要預(yù)測(cè)采空區(qū)最危險(xiǎn)區(qū)域、下沉速度最大區(qū)域。通常以最大下沉速度滯后距離及最大下沉速度滯后角來(lái)表示。通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)綜合計(jì)算和分析,首采工作面最大下沉速度滯后角為70.2°.

4.2 地表穩(wěn)定后角值確定

在開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析中,可通過(guò)邊界角、移動(dòng)角、最大下沉角和充分采動(dòng)角等角量參數(shù),對(duì)工作面煤層開(kāi)采導(dǎo)致地表出現(xiàn)的下沉盆地進(jìn)行描述。

1) 邊界角。邊界角主要用來(lái)確定開(kāi)采沉陷引起的地表沉陷邊界,進(jìn)而確定開(kāi)采沉陷影響范圍。但由于測(cè)量誤差和季節(jié)變化,下沉值為0 mm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)難以確定,因此以下沉10 mm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為下沉盆地邊界的判定依據(jù)。邊界角一般采用沉陷邊界點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線在采空區(qū)外側(cè)水平線的夾角表示,上山、下山和走向的邊界角依次用β0、γ0、δ0表示。經(jīng)計(jì)算,首采工作面走向邊界角為75.8°,上山綜合邊界角為55.5°,下山綜合邊界角為52.4°.

2) 移動(dòng)角的確定。移動(dòng)角是指在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的情況下,采空區(qū)邊界和主斷面上臨界變形值所在點(diǎn)的連線與水平線在采空區(qū)外側(cè)的夾角。臨界變形值采用地表傾斜臨界變形值(3 mm/m)、曲率臨界變形值(0.2×10-3/m)、水平變形的臨界變形值(2 mm/m)進(jìn)行判定,當(dāng)變形值超過(guò)臨界變形值時(shí),可確定該監(jiān)測(cè)點(diǎn)為移動(dòng)變形邊界。經(jīng)計(jì)算,首采工作面的走向綜合移動(dòng)角85.2°,上下山方向綜合移動(dòng)角分別為64.8°和82.4°.

3) 最大下沉角和充分采動(dòng)角。最大下沉角指在移動(dòng)盆地的傾斜主斷面上,采空區(qū)的中心點(diǎn)與地表最大下沉點(diǎn)的連線與水平線之間在礦層下山方向的夾角,可確定最大下沉點(diǎn)所在位置。經(jīng)計(jì)算得最大下沉角為84.4°.

充分采動(dòng)角可以確定充分采動(dòng)范圍,指在充分采動(dòng)下,地表移動(dòng)盆地主斷面上的移動(dòng)盆地平底邊緣在地面水平線上投影點(diǎn)與同側(cè)的采空區(qū)邊界的連線和煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角。經(jīng)計(jì)算,首采工作面充分采動(dòng)角為48.7°.

4.3 概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)確定

概率積分法是我國(guó)目前常用的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法[7-9],在概率積分法預(yù)計(jì)采動(dòng)地表移動(dòng)變形時(shí),需要確定下沉系數(shù)、主要影響角正切值、水平移動(dòng)系數(shù)、拐點(diǎn)偏移距和開(kāi)采影響傳播角5個(gè)預(yù)計(jì)參數(shù)。

1) 下沉系數(shù)是在充分采動(dòng)條件下,由地表出現(xiàn)的最大下沉值與平均開(kāi)采厚度之比來(lái)確定。通過(guò)綜合計(jì)算,對(duì)比分析,最終確定首采工作面下沉系數(shù)處于0.035～0.048.

2) 主要影響角正切值反映覆巖巖性和采深關(guān)系的一個(gè)參數(shù),與覆巖巖性有關(guān),覆巖巖性越軟,值越大;反之越小。經(jīng)計(jì)算,主要影響角正切值為5.5.

3) 開(kāi)采影響傳播角揭示了傾斜主斷面上最大下沉點(diǎn)處的下沉與水平移動(dòng)之間的關(guān)系,首采工作面開(kāi)采傳播影響角為83°.

4) 拐點(diǎn)偏移距是在充分采動(dòng)條件下,在沉陷監(jiān)測(cè)曲線上確定拐點(diǎn)位置,一般采用傾斜最大值出現(xiàn)的點(diǎn)作為拐點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算,拐點(diǎn)偏移距為174 m.

5) 水平移動(dòng)系數(shù)是反映最大水平移動(dòng)值與最大下沉值關(guān)系的系數(shù),在充分采動(dòng)條件下,首采工作面水平移動(dòng)系數(shù)為0.46.

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)孟村礦首采工作面進(jìn)行開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè),并進(jìn)行計(jì)算和綜合分析,獲取了地表移動(dòng)變形最大值、超前影響角、最大下沉速度滯后角、邊界角、移動(dòng)角等角量參數(shù)。并且獲取了概率積分法開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)。為孟村礦后續(xù)工作面的開(kāi)采、保護(hù)煤柱留設(shè)和地表建構(gòu)筑物保護(hù)奠定了基礎(chǔ)。但是,由于首采工作面是401盤(pán)區(qū)的首個(gè)工作面,周邊不存在已有采空區(qū),地表沉陷機(jī)理具有一定的特殊性。因此,應(yīng)對(duì)后續(xù)工作面繼續(xù)進(jìn)行沉陷監(jiān)測(cè),進(jìn)一步研究孟村礦開(kāi)采沉陷機(jī)理。