大強(qiáng)煤礦首采工作面地表下沉變形規(guī)律研究

佟玉娥

摘 要：為了獲取大強(qiáng)煤礦地表巖層移動(dòng)和變形的分布規(guī)律及其主要參數(shù)，在大強(qiáng)礦首采工作面S2901工作面上方地表巖層移動(dòng)范圍內(nèi)布設(shè)地表巖層移動(dòng)觀測(cè)站并定期進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)合首采S2901工作面上方地表實(shí)際情況，布設(shè)兩條觀測(cè)線：一條傾向觀測(cè)線和一條走向觀測(cè)線。其工作測(cè)點(diǎn)布設(shè)于沉陷范圍之內(nèi)，以采動(dòng)前全面觀測(cè)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降觀測(cè)，根據(jù)各個(gè)時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算并進(jìn)行分析總結(jié)，最后確定大強(qiáng)礦地表巖層移動(dòng)和變形的分布規(guī)律及其主要參數(shù)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)；變形；觀測(cè)站；規(guī)律

1.引言

大強(qiáng)煤礦井田位于遼寧省康平縣張強(qiáng)鎮(zhèn)及內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼后旗的交界處，東距康平縣25Km。范圍：東以地卜、華家、孟酒局子連線為界，西以官寶、十二家子連線為界，南以三棵樹、后辛屯、前辛屯連線為界，北以扎蘭營(yíng)子、地卜連線為界。井田東西寬6.87km，南北長(zhǎng)7.92km，面積 54.41 。勘查深度為1780m，標(biāo)高-1650m。大強(qiáng)煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)150萬(wàn)噸。

大強(qiáng)礦S2901工作面工作面寬度240米，平均長(zhǎng)度1150米，最大采深1240米，最小采深1040米，平均采高9.5米，走向坡度 10—15°，采煤方法：綜采放頂。

該工作面為首采，地質(zhì)情況復(fù)雜，斷層縱橫交錯(cuò)，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有此類條件下采煤的先例。于2014年 2月開始回踩，2015年10月25日回采結(jié)束。

2.建站目的及地質(zhì)構(gòu)造

2.1建觀測(cè)站的目的

設(shè)立首采S2901工作面觀測(cè)站的目的是為了取得大強(qiáng)煤礦地下煤層開采后，采動(dòng)地表的移動(dòng)、變形及破壞規(guī)律，包括各種移動(dòng)角、邊界角、最大下沉角、移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)等參數(shù)；在礦區(qū)總體規(guī)劃、環(huán)境評(píng)價(jià)和礦井設(shè)計(jì)時(shí)，為建筑物、水體、鐵路及主要井巷的壓煤開采論證提供評(píng)價(jià)依據(jù)；為安全合理的留設(shè)保安煤柱提供技術(shù)參數(shù)，也為安全合理開采保安煤柱提供理論依據(jù)。

2.2地質(zhì)構(gòu)造

工作面開采1煤層，為單斜構(gòu)造，煤層走向70～80°、傾向160～170°、傾角10～15°，本工作面內(nèi)有7條斷層，分別是HDF88-f3、HDF97、HDF117、HDF120、HDF121、F5、HDF119號(hào)斷層。

煤層有4-12個(gè)自然分層，夾矸3-11層，煤厚度5.25～8.32m，平均厚度為6.88m；煤層厚度4.81～11.2m，平均厚度9.35m；夾矸厚度0.05～3.99m，平均厚度1.41m，巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖。

初期回采1煤層，厚度4.81～7.0m，回順回采400m，運(yùn)順回采300m處時(shí)，1煤層1-1層煤合成，厚度9-11.2m，回順回采700m，運(yùn)順回采1200m處時(shí)，煤層厚度8-9m，回采至采止線煤層厚度6-7m。

1煤層頂板為泥巖，灰黑色，厚度70.0～75.0m，平均厚度73.0m，上部為粉砂巖、粗砂巖；煤層底板為泥巖，淺灰色，厚度0.45～0.55m，平均厚度0.50m，下面為細(xì)砂巖、中砂巖，灰綠色，厚度2.40～2.60m，平均厚度2.50m；老底為泥巖。

3.建站

3.1觀測(cè)線布置

結(jié)合首采S2901工作面上方地表實(shí)際情況，布設(shè)兩條觀測(cè)線：一條傾向觀測(cè)線和一條走向觀測(cè)線。 根據(jù)地表沉陷預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)（采用大平礦參數(shù)預(yù)計(jì)）來(lái)確定地表移動(dòng)盆地的邊界范圍（取下沉2mm為地表移動(dòng)盆地邊界）。為了減少征地，降低建站成本，兩條觀測(cè)線分別沿著大車道布置，傾向觀測(cè)線全長(zhǎng)2452m，走向觀測(cè)線全長(zhǎng)1812m。根據(jù)開采深度，布設(shè)工作點(diǎn)間距為50m。為了保證測(cè)點(diǎn)有效密度，在變形比較大的觀測(cè)線范圍內(nèi)增加了測(cè)點(diǎn)的密度。傾向觀測(cè)線布置54個(gè)測(cè)點(diǎn)，走向觀測(cè)線布置39個(gè)測(cè)點(diǎn)。總計(jì)93個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

在觀測(cè)線長(zhǎng)度以外設(shè)置觀測(cè)站控制點(diǎn)。傾向線4個(gè)，走向線2個(gè)，控制點(diǎn)據(jù)最外測(cè)點(diǎn)距離為70m，兩條測(cè)線共計(jì)布置6個(gè)控制點(diǎn)。在觀測(cè)站觀測(cè)期間，以控制點(diǎn)的空間位置（x，y，z）做為觀測(cè)站的起算數(shù)據(jù)。

3.2埋設(shè)測(cè)點(diǎn)

在采動(dòng)過(guò)程中，需要定期觀測(cè)測(cè)點(diǎn)的空間位置，以反映地表點(diǎn)的移動(dòng)情況。因此，測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)深度應(yīng)在本地區(qū)凍土深度以下0.5m，本區(qū)歷年平均凍土深度1.3m，最大凍土深度1.5m，從而測(cè)點(diǎn)深度為2.0m，并保證它和土層密實(shí)固結(jié)，以使測(cè)點(diǎn)和地表一起移動(dòng)；同時(shí)考慮冬季凍土?xí)r間長(zhǎng)，解凍之前測(cè)點(diǎn)不隨地表下沉現(xiàn)象發(fā)生，測(cè)點(diǎn)在距地表1.5米范圍內(nèi)圍一層油氈紙，以確保測(cè)點(diǎn)正常下沉。

測(cè)點(diǎn)采用現(xiàn)場(chǎng)水泥灌注樁，為了有利于保存，測(cè)點(diǎn)盡量設(shè)在路邊，標(biāo)志與地面一平，以防車輛通過(guò)時(shí)損壞。

4.地表移動(dòng)觀測(cè)站觀測(cè)

4.1聯(lián)接測(cè)量

在觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)好點(diǎn)位固結(jié)之后，為了保證與井下坐標(biāo)、高程系統(tǒng)一致，首先進(jìn)行了觀測(cè)站控制點(diǎn)與礦區(qū)控制網(wǎng)之間的聯(lián)測(cè)，確定主要控制點(diǎn)的平面位置和高程。然后再根據(jù)它來(lái)測(cè)定其余的控制點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)的平面位置。

平面連接測(cè)量采用GPS快速靜態(tài)單頻觀測(cè)方法進(jìn)行，精度為E級(jí)。

高程連接測(cè)量采用Ni007自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀和線條式銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺以三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度進(jìn)行觀測(cè)。

平面和高程起算控制點(diǎn)為礦區(qū)GPS點(diǎn)，達(dá)子營(yíng)（T453）和后辛屯（T322）。

4.2首次觀測(cè)

全面觀測(cè)的平面位置采用GPS-RTK方法測(cè)量，直接測(cè)定點(diǎn)的平面坐標(biāo)。具體做法如下：

⑴ 在連接測(cè)量中構(gòu)成GPS控制網(wǎng)上的觀測(cè)站控制點(diǎn)設(shè)置基準(zhǔn)站；

⑵ 在開始測(cè)量前，RTK測(cè)量手簿中的測(cè)量參數(shù)設(shè)置為120個(gè)歷元。

⑶ 在測(cè)點(diǎn)上架設(shè)儀器對(duì)中整平，儀器高要量?jī)纱危x至mm，取中數(shù)后輸入手簿。

⑷ 每個(gè)點(diǎn)獨(dú)立觀測(cè)兩次，計(jì)算出點(diǎn)位的平均值作為采前測(cè)點(diǎn)的平面位置數(shù)據(jù)。

全面觀測(cè)的高程觀測(cè)按著三等水準(zhǔn)精度進(jìn)行，每條觀測(cè)線進(jìn)行往返觀測(cè)，各觀測(cè)點(diǎn)往返高程之差不大于±10mm，取平均值作為采前測(cè)點(diǎn)的高程值。

4.3日常觀測(cè)

日常觀測(cè)指的是首次和末次全面觀測(cè)之間適當(dāng)增加的高程測(cè)量工作，由于下沉速度緩慢，基本上每月觀測(cè)一次，共觀測(cè)25次，觀測(cè)結(jié)果及時(shí)的發(fā)送給大強(qiáng)礦地測(cè)大隊(duì)，以利于對(duì)地面建（構(gòu)）筑物變形的掌控及處理。

4.4最終觀測(cè)

由于該工作面地表下沉量偏小，與2016年10月進(jìn)行了最終觀測(cè)。

平面位置采用GPS-RTK方法測(cè)量，歷元數(shù)設(shè)置120，高程采用四等水準(zhǔn)進(jìn)行。

5觀測(cè)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題

5.1測(cè)點(diǎn)被破壞

由于測(cè)點(diǎn)設(shè)在道邊，有的測(cè)點(diǎn)很快被車壓壞；村里要修“村村通”，對(duì)原有道路加寬、加高、整平，一些測(cè)點(diǎn)被挖，被埋；最為嚴(yán)重的是村里安裝自來(lái)水，鋪設(shè)條管路挖溝，將半條傾斜線上的測(cè)點(diǎn)幾乎全部破壞。

5.2控制點(diǎn)受另一工作面下沉影響

在每月進(jìn)行日常高程觀測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)傾斜線起始控制點(diǎn)R1、R2及GPS點(diǎn)達(dá)子營(yíng)下沉，懷疑是受另一開采工作面下沉影響所致。

6.觀測(cè)成果簡(jiǎn)單分析

（1）通過(guò)對(duì)高程的日常觀測(cè)，初步可以判定當(dāng)工作面回踩到220米時(shí)，下沉波及到地表，相當(dāng)于采深的0.18倍；

（2）S2901工作面巖移站最終存在的測(cè)點(diǎn)保存的基本都比較完整，觀測(cè)成果是可信的；

（3）從最終觀測(cè)成果看，地表下沉量和水平移動(dòng)量不大，簡(jiǎn)單方法很難求出各種參數(shù)；

（4）因兩條觀測(cè)線的布設(shè)不在主斷面上，測(cè)點(diǎn)也不再一條線上，觀測(cè)結(jié)果是單點(diǎn)的平面和高程位移，所以應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ笕「鞣N參數(shù)。

（5）地表下沉量小的原因：采深大必然下沉緩慢、時(shí)間長(zhǎng)；斷層多對(duì)下沉和變形會(huì)產(chǎn)生影響，不符合正常下沉規(guī)律；工作面偏窄，沒(méi)有達(dá)到充分采動(dòng)，所以如果臨近工作面開采，下沉還將繼續(xù)。

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