官地礦重復(fù)采動(dòng)造成地表破壞程度分析

康新亮

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

·問(wèn)題探討·

官地礦重復(fù)采動(dòng)造成地表破壞程度分析

康新亮

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

依據(jù)官地礦29401工作面上方地表沉陷觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合該工作面的地質(zhì)采礦條件，分析了該礦重復(fù)采動(dòng)造成的地表移動(dòng)最大速度、地表移動(dòng)的初始期和活躍期，得出了該地質(zhì)采礦條件下重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表移動(dòng)破壞造成的劇烈程度和持續(xù)時(shí)間，及在進(jìn)行采煤沉陷治理時(shí)，需地表移動(dòng)變形穩(wěn)定后再治理更加合理，為該礦防治開采沉陷提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

開采沉陷；重復(fù)采動(dòng)；角量參數(shù)

西山煤電集團(tuán)公司官地礦于1960年正式建礦，是由地方煤礦經(jīng)過(guò)多次擴(kuò)建而成的國(guó)有大型礦井，多年的開采引起地表塌陷、變形的問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其現(xiàn)階段重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表的破壞影響巨大，采煤沉陷治理已是目前工作的重點(diǎn)之一。在對(duì)井下采煤造成的地表破壞進(jìn)行維護(hù)治理時(shí)，因不清楚地表遭受破壞的劇烈程度和持續(xù)時(shí)間，往往施工維護(hù)治理后地表還會(huì)變形，造成了治理工程浪費(fèi)，有時(shí)在治理過(guò)程中還會(huì)發(fā)生工作人員的安全事故，嚴(yán)重影響了礦區(qū)安全生產(chǎn)。因此，研究井下采煤對(duì)地表破壞的劇烈程度和持續(xù)時(shí)間對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)非常迫切和必要。

1 工作面地質(zhì)采礦條件

官地礦29401工作面地表標(biāo)高1 270～1 375 m，蓋山厚度225～304 m. 工作面四周均為9號(hào)煤未采區(qū)，標(biāo)高1 045～1 071 m. 上部2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)煤層均為采空區(qū)，8號(hào)煤層結(jié)構(gòu)為(1.07(1.27)3.41)，上分層部分開采。8號(hào)煤與9號(hào)煤層間距0.4～1.2 m，9號(hào)煤2.6～3.6 m,平均3.31 m. 該工作面采用高支架放頂煤回采技術(shù)(即采9號(hào)煤放8號(hào)煤)，平均回采厚度約7.5 m. 工作面開采參數(shù)見表1.

表1 工作面采礦條件表

2 觀測(cè)站布置情況

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

因29401工作面是在上部采空區(qū)下重復(fù)采動(dòng)，根據(jù)《西山礦區(qū)保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)規(guī)程》(試行)選取29401觀測(cè)站設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，結(jié)合重復(fù)采動(dòng)基本規(guī)律，將各角值參數(shù)減少了5°，以保證重復(fù)采動(dòng)對(duì)地表破壞更加嚴(yán)重時(shí)能夠監(jiān)測(cè)到其分布規(guī)律，合理分析其造成地表移動(dòng)劇烈程度及持續(xù)時(shí)間[1]. 得出設(shè)計(jì)所采用的巖層移動(dòng)角值為下山移動(dòng)角50°，上山移動(dòng)角50°，走向移動(dòng)角50°，最大下沉角87°.

2.2 觀測(cè)線位置

1) 29401工作面為規(guī)則矩形工作面，在其地表可沿工作面走向和傾向布設(shè)兩條相互垂直的工作線[2].

走向觀測(cè)線到工作面下山方向邊界的距離為：

L×cosα/2-H0/tgθ=81.7-13.6=68.1 m

式中：

L—工作面傾向長(zhǎng)，m；

H0—平均采深，m；

α—煤層傾角，(°)；

θ—最大下沉角，(°).

2) 傾斜觀測(cè)線到開切眼的距離D應(yīng)滿足公式：

D≥(H0-h)ctg(δ-Δδ)+hctgφ且D≥H0ctgφ.綜合地形情況確定為309 m.

式中：

h—表土層厚度，m；

H0—平均采深，m；

φ—松散層移動(dòng)角，(°)；

φ—走向充分采動(dòng)角，(°)；

δ—走向移動(dòng)角，(°)；

Δδ—走向移動(dòng)角修正值。

2.3 觀測(cè)線長(zhǎng)度

1) 走向觀測(cè)線長(zhǎng)度確定。

工作面走向可采長(zhǎng)度L=571 m，而0.9H0=0.9×260 m=234 m，L>0.9H0為此走向觀測(cè)線設(shè)半條觀測(cè)線。走向觀測(cè)線工作測(cè)點(diǎn)段的長(zhǎng)度根據(jù)公式：

h×ctgφ+(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+L/2+S，計(jì)算得走向線長(zhǎng)577 m.

式中：

h—表土層厚度,m；

H0—平均采深，m；

φ—松散層移動(dòng)角，(°)；

L—工作面走向可采長(zhǎng)度，m；

δ—走向移動(dòng)角，(°)；

Δδ—走向移動(dòng)角修正值；

S—走向線與傾向線相交點(diǎn)向停采線的延長(zhǎng)距離，m.

2) 傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度確定。

工作面的傾向觀測(cè)線工作測(cè)點(diǎn)段長(zhǎng)度根據(jù)下面公式計(jì)算：

2×h×ctgφ+(H1-h)×ctg(β-Δβ)+(H2-h)×ctg(γ-Δγ)+L×cosα，得傾向觀測(cè)線長(zhǎng)600 m.

式中：

H1—下山采深，m；

L—工作面斜長(zhǎng)，m；

a—煤層傾角，(°)；

H2—上山采深，m；

β—下山移動(dòng)角，(°)；

γ—上山移動(dòng)角，(°)；

Δβ—下山移動(dòng)角修正值；

Δγ—上山移動(dòng)角修正值。

考慮到重復(fù)采動(dòng)比初采移動(dòng)角要小，應(yīng)在計(jì)算結(jié)果上加長(zhǎng)一定距離。但結(jié)合實(shí)際地形較復(fù)雜，部分地形區(qū)域無(wú)法布點(diǎn)，最終調(diào)整走向觀測(cè)線長(zhǎng)度為625 m，傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度為575 m.

觀測(cè)站與工作面對(duì)照平面圖見圖1.

圖1 觀測(cè)站與工作面對(duì)照平面圖

3 地表移動(dòng)破壞劇烈程度及持續(xù)時(shí)間分析

在地表下沉速度曲線上，最大下沉速度總是滯后于回采工作面一個(gè)固定距離，此固定距離稱為最大下沉速度滯后距，把地表最大下沉速度點(diǎn)與相應(yīng)的回采工作面連線，此連線和煤層(水平線)在采空區(qū)一側(cè)的夾角，稱為最大下沉速度滯后角。地表出現(xiàn)最大下沉速度的地點(diǎn)是該時(shí)刻地表移動(dòng)最劇烈的地點(diǎn)。掌握了滯后角的變化規(guī)律，便可在工作面推進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)確定地表移動(dòng)最劇烈的地區(qū)[3].

3.1 地表最大下沉速度

地表觀測(cè)點(diǎn)兩次觀測(cè)高程差除以兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，得出的值為采動(dòng)影響范圍內(nèi)地表點(diǎn)在此時(shí)間間隔內(nèi)的平均下沉速度。

觀測(cè)線觀測(cè)次數(shù)為10次，最大下沉點(diǎn)各期觀測(cè)值及計(jì)算結(jié)果見表2，下沉速度及地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間見圖2.

表2 最大下沉點(diǎn)下沉速度計(jì)算表

圖2 地表移動(dòng)變形下沉速度曲線圖

根據(jù)表2可以看出：2010年11月02日—2010年12月07日兩次觀測(cè)的下沉差為ΔW=2 577 mm，觀測(cè)間隔天數(shù)為t=35(d)，故地表最大下沉速度可按下式計(jì)算，即：

如圖2所示，地表點(diǎn)和下沉速度曲線(1)與下沉曲線(2)在時(shí)間上和空間上是連續(xù)的漸變的，說(shuō)明工作面推進(jìn)速度是影響地表下沉速度和地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的主要因素。

3.2 下沉速度系數(shù)K

實(shí)踐證明，工作面推進(jìn)速度是影響地表下沉速度和地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的主要因素。一般單一工作面最大下沉速度的經(jīng)驗(yàn)公式可由下式表示：

式中：

K—下沉速度系數(shù)；

c—工作面推進(jìn)速度，m/d；

H0—平均開采深度，m；

Wmax—本工作面最大下沉值，mm.

將最大下沉值、平均開采深度和工作面推進(jìn)速度代入上式可反求出下沉速度系數(shù)K，本工作面最大下沉值Wmax=4 600 mm，工作面平均推進(jìn)速度c=1.813 m/d，平均開采深度H0=260 m，Vmax=73.6 mm/日，代入得下沉速度系數(shù)為：2.29.

3.3 最大下沉速度滯后角φ

圖2中直線(3)反映了地表整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中最大下沉點(diǎn)到各時(shí)刻工作面相對(duì)位置變化關(guān)系，由此可從圖中求出滯后距L=28 m，則最大下沉速度滯后角φ，即：

由數(shù)據(jù)得出，滯后距較小及φ值偏大可能是因開采速度不均勻等因素引起。

3.4 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指在充分或接近充分采動(dòng)的情況下，地表最大下沉點(diǎn)從開始移動(dòng)到移動(dòng)穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間，包括：1) 移動(dòng)變形初始階段：從移動(dòng)開始至下沉速度剛達(dá)到1.67mm/d(或每月下沉量50mm). 2) 移動(dòng)變形活躍階段：下沉速度大于1.67mm/d的階段 (或每月下沉量大于50mm). 3) 移動(dòng)變形衰退階段：下沉速度剛小于1.67mm/d起至連續(xù)六個(gè)月內(nèi)下沉總量不超過(guò)30mm時(shí)的階段。移動(dòng)衰退階段以后，地表則處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從表2和圖2可以得出，觀測(cè)點(diǎn)從開始移動(dòng)時(shí)間2010年6月17日到8月7號(hào)觀測(cè)期間，開始下沉且下沉速度比較緩慢，開始階段為20天；活躍階段從2010年8月7日至2011年2月13日，活躍期約為186天；衰退階段從2011年2月13日開始，由于觀測(cè)時(shí)間僅觀測(cè)到2011年06月08日，因而不能準(zhǔn)確地確定衰退期的時(shí)間和地表移動(dòng)變形持續(xù)的總時(shí)間。

根據(jù)一般的移動(dòng)變形規(guī)律可知，活躍期約占總移動(dòng)時(shí)間的25%，但下沉量占總沉降量的85%以上，衰退期較長(zhǎng)，但下沉量很小。按活躍期186天計(jì)算可推知礦區(qū)地表移動(dòng)變形的總時(shí)間大約為744天。

4 研究結(jié)論

1) 結(jié)合礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件，通過(guò)分析29401工作面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，初步得出了官地礦地質(zhì)采礦條件下重復(fù)采動(dòng)引起地表破壞的劇烈程度及持續(xù)時(shí)間。

2) 通過(guò)分析，得出該工作面地表受采動(dòng)影響的地表最大下沉速度滯后角，可以在類似工作面回采時(shí)隨時(shí)找到地表破壞最劇烈的地區(qū)，以便合理進(jìn)行維護(hù)，做好防范工作。

3) 通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析得出該工作面活躍期時(shí)間達(dá)到半年，可知在進(jìn)行采煤沉陷治理時(shí)，需要等到地表移動(dòng)變形穩(wěn)定以后再治理才更加合理。

[1] 崔希民，陳立武.沉陷大變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與力學(xué)分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004:52.

[2] 國(guó)家煤炭工業(yè)局制定.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：5-20.

[3] 何國(guó)清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995：1.

Analysis on Surface Damage Caused by Repeated Mining in Same Location in Guandi Coal Mine

KANG Xinliang

Based on the monitoring data on surface subsidence observation above the No.29401 working face in Guangi Coal Mine, combined with the onsite geological mining conditions, the maximum surface movement speed and the rule in the initial and active stage caused by repeated mining are analyzed. It is concluded that the severity and duration of surface movement damage caused by repeated mining under the conditions of geological mining are obtained, and it is more reasonable to treat the surface after movement come to stable. The paper provides a scientific basis for reference.

Mining subsidence; Repeated mining; Angle parameter

2016-12-01

康新亮(1982—)，男，山西古交人，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，碩士研究生，工程師，主要從事礦山開采沉陷方面的研究工作

(E-mail)kangxinliang@aliyun.com

TD173+.4

B

1672-0652(2017)01-0024-04