工廣煤柱開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律研究

蔣守平

工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱開(kāi)采是資源將枯竭的煤礦所面臨的問(wèn)題。百善煤礦即將收尾，對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱進(jìn)行開(kāi)采，并建立了工廣煤柱地表移動(dòng)觀測(cè)站，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行詳細(xì)的分析，獲得了本礦區(qū)的地表移動(dòng)變形規(guī)律，可為集團(tuán)公司或者其它類(lèi)似地質(zhì)條件下的工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱開(kāi)采留設(shè)提供參考。

1 地形及地質(zhì)構(gòu)造

工廣煤柱回收工作面位于工廣保安煤柱西南部，該工作面北部為工廣保安煤柱中心區(qū)域，南部以工廣保安煤柱線為界，靠近615、677、6530、6540采空區(qū)。該工作面長(zhǎng)362 m，寬135 m，兩極煤厚2.0～4.0 m，平均煤厚3.0 m，容重1.42 t/m3，可采面積48772 m2，地質(zhì)儲(chǔ)量0.208 Mt，可采儲(chǔ)量0.197 Mt。

工廣煤柱工作面煤層傾角5°～14°，平均8°。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以碎塊狀為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，質(zhì)較純。該工作面煤厚變異系數(shù)為15%，煤層可采性指數(shù)為0.95。工作面上方地表主要有高壓線路、礦運(yùn)煤鐵路、工廣建筑及鄉(xiāng)村小路，該工作面回采對(duì)上述構(gòu)建物影響較大。

2 觀測(cè)站的設(shè)置

工廣煤柱布設(shè)一條走向觀測(cè)線，詳細(xì)位置見(jiàn)圖1。走向觀測(cè)線長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：H0為平均開(kāi)采深度，取260 m；h為松散層厚度，取140 m；δ為走向移動(dòng)角，取61°；Δδ為走向移動(dòng)角修正值，取20°；α為煤層傾角，取11°；Φ為 松散層

移動(dòng)角，取40°；l為工作面走向長(zhǎng)，取140 m。

將上述數(shù)值代入公式得：S走向=750 m。

根據(jù)本次地表移動(dòng)觀測(cè)站的實(shí)際情況，在工廣范圍內(nèi)布置觀測(cè)線，以便觀測(cè)工廣范圍內(nèi)地表及建筑物下沉及變形情況。此次沿工廣布置半條走向觀測(cè)線，從辦公樓近井點(diǎn)處沿路至物保部材料大棚附近，長(zhǎng)度為392 m，控制點(diǎn)2個(gè)，編號(hào)順序?yàn)榻c(diǎn)、A1，工作測(cè)點(diǎn)共計(jì)16個(gè)，間距20 m，編號(hào)順序?yàn)椋?，2……16。

圖1 觀測(cè)線布置

3 觀測(cè)站的觀測(cè)

3.1 控制點(diǎn)觀測(cè)

觀測(cè)站觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)與工廣區(qū)域內(nèi)建筑物變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)采用同一套基準(zhǔn)點(diǎn)，即平面采用四等GPS測(cè)量，高程采用二等水準(zhǔn)測(cè)量。

3.2 連接測(cè)量

控制點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間的平面連接測(cè)量采用城市一級(jí)光電測(cè)距導(dǎo)線施測(cè)，高程連接測(cè)量采用往返測(cè)支水準(zhǔn)線路的方式，按三等水準(zhǔn)測(cè)量要求施測(cè)。

3.3 全面觀測(cè)

全面觀測(cè)是確定測(cè)點(diǎn)空間位置的觀測(cè)工作，即測(cè)定測(cè)點(diǎn)移動(dòng)的全向量。全面觀測(cè)在工作面采動(dòng)之前進(jìn)行了兩次，如果兩次觀測(cè)結(jié)果誤差：同一點(diǎn)的高程不大于10 mm，支距不大于30 mm，取兩次的平均值作為觀測(cè)站各測(cè)點(diǎn)的原始位置；地表移動(dòng)進(jìn)入活躍期進(jìn)行了三次全面觀測(cè)；在地表移動(dòng)變形穩(wěn)定后進(jìn)行最后一次全面觀測(cè)。

3.4 高程及點(diǎn)位觀測(cè)

工作測(cè)點(diǎn)的高程用水準(zhǔn)測(cè)量，采動(dòng)前的水準(zhǔn)測(cè)量按三等水準(zhǔn)測(cè)量的要求觀測(cè)，移動(dòng)期間和采動(dòng)后的水準(zhǔn)測(cè)量均按四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求觀測(cè)。加密水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)根據(jù)地表下沉速度和工作面推進(jìn)速度而定。在地表移動(dòng)變形的初始期和衰退期一般每隔10～15 d進(jìn)行一次水準(zhǔn)測(cè)量，在地表移動(dòng)變形活躍期每隔2～3天進(jìn)行一次水準(zhǔn)觀測(cè)，本次觀測(cè)共進(jìn)行了水準(zhǔn)測(cè)量42次。

在地表下沉之前對(duì)控制點(diǎn)、工作測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面測(cè)量，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。將全站儀安置在一端控制點(diǎn)上，依次將棱鏡安置在各觀測(cè)點(diǎn)上，照準(zhǔn)一次讀數(shù)四次，互差不超過(guò)2 mm，取平均值；相鄰兩點(diǎn)改正后水平邊長(zhǎng)的兩次限差為3 mm。運(yùn)用工作測(cè)點(diǎn)每次測(cè)量的坐標(biāo)與起始坐標(biāo)計(jì)算工作測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)方向及位移量。

3.5 觀測(cè)成果及整理

每次水準(zhǔn)測(cè)量和導(dǎo)線測(cè)量工作結(jié)束后應(yīng)檢查外業(yè)手簿，計(jì)算所有觀測(cè)點(diǎn)的高程和坐標(biāo)。2016年6月24日進(jìn)行第一次觀測(cè)，到2017年2月27日共進(jìn)行了42次水準(zhǔn)觀測(cè)，6次全面觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)值計(jì)算下沉值、傾斜、曲率、測(cè)點(diǎn)沿測(cè)線的縱向和橫向水平移動(dòng)及縱向水平變形，利用概率積分法求得工廣煤柱開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 百善煤礦工廣煤柱工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演概率積分參數(shù)

百善煤礦根據(jù)此前675工作面巖移觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，求得我礦開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)如表2所示。

表2 百善煤礦675工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演概率積分參數(shù)

通過(guò)兩次數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，工廣煤柱工作面呈現(xiàn)出地表移動(dòng)下沉量較小，松散層移動(dòng)角增大，主要影響角正切變小等特點(diǎn)。最大超前影響距實(shí)測(cè)為81 m（與預(yù)測(cè)相近），塌陷影響邊界為工作面外156 m（與預(yù)測(cè)221 m相差大）。工廣煤柱工作面回采過(guò)程中，走向主斷面最大下沉點(diǎn)15號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉了2645 mm（與預(yù)測(cè)3557 mm相差大）。百善煤礦松散層較厚，煤層頂板巖性較弱，屬于軟質(zhì)巖，因而拐點(diǎn)偏距較小，近似為0，這反映出工廣煤柱地表下沉存在自身的運(yùn)行規(guī)律。

4 地表移動(dòng)變形規(guī)律及特點(diǎn)

4.1 地表移動(dòng)下沉速度與采深、采高的關(guān)系

地表移動(dòng)變形、下沉的速度與采高成正比，與采深成反比。工廣煤柱工作面平均采深超過(guò)260 m，平均采高2.8 m，采深與采高比大。再加上工廣煤柱風(fēng)巷外測(cè)為615、6540和6541采空區(qū)，此前地表已經(jīng)下沉，故本次地表下沉速度減緩，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，最大下沉速度為40.6 mm/d。

4.2 工作面地表移動(dòng)下沉影響因素

百善煤礦工廣煤柱屬于厚松散層，松散層在采深中所占的比例較大，表土層對(duì)移動(dòng)角、邊界角的影響較大；當(dāng)采深非常大時(shí)，由于采動(dòng)不充分性增加，移動(dòng)角、邊界角增大。移動(dòng)角、邊界角與松散層厚度之間存在著較強(qiáng)的對(duì)數(shù)關(guān)系：松散層厚度占采深的比例越大，采動(dòng)越充分，移動(dòng)角、邊界角越小，表現(xiàn)為反映地表移動(dòng)主要影響范圍的概率積分參數(shù)主要影響角正切tgβ較小。開(kāi)采深度與采高比較大，工廣煤柱南側(cè)為采空區(qū)，復(fù)采導(dǎo)致巖層與地表的破壞程度加劇，地表出現(xiàn)了不均勻下沉并在工作面機(jī)風(fēng)巷外側(cè)形成了落差較大的臺(tái)階。

5 地表移動(dòng)期分析

對(duì)于地表移動(dòng)期，我國(guó)《煤礦測(cè)量規(guī)程》規(guī)定，地表的移動(dòng)過(guò)程可分為初始期、活躍期和衰退期三個(gè)時(shí)期。從地表最大下沉點(diǎn)累計(jì)下沉10 mm時(shí)算起到地表下沉速度達(dá)50 mm/月止，這段時(shí)間稱(chēng)初始期；把下沉速度超過(guò)50 mm/月的時(shí)間稱(chēng)為活躍期；從活躍期后到連續(xù)6個(gè)月觀測(cè)下沉小于30 mm的這段時(shí)間稱(chēng)為衰退期。

2016年6月30日進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)，最大下沉點(diǎn)14下沉了12 mm，2016年7月28日，最大下沉點(diǎn)14累計(jì)下沉了61 mm，故初始期為31天；活躍期從2016年7月30日開(kāi)始，經(jīng)過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理和計(jì)算，一直持續(xù)到2017年2月15日，共計(jì)201天；2017年2月底百善礦關(guān)井閉坑，人員分流，故本次觀測(cè)停止，衰退期無(wú)法觀測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)觀測(cè)線的布設(shè)、觀測(cè)及計(jì)算，取得了適合本礦工廣煤柱地表移動(dòng)參數(shù)及規(guī)律，同時(shí)以本次觀測(cè)成果為依據(jù)，可及時(shí)預(yù)警采空區(qū)塌陷強(qiáng)度和地表破壞程度，因地制宜地采取工程措施，防患于未然；同時(shí)也為工廣保護(hù)煤柱的合理留設(shè)提供了技術(shù)依據(jù)。