寺河礦大采高開采地表移動現場監(jiān)測及預測

2018-05-04 02:36:51張碧川王克全杜子健孫海濤付軍輝楊金虎

中國煤炭 2018年4期

張碧川王克全杜子健孫海濤付軍輝楊金虎

(1. 煤炭科學研究總院，北京市朝陽區(qū)，100013；2. 瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；3. 中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

隨著煤炭資源的開采，煤層上部將產生連續(xù)或非連續(xù)的地表變形，其沉降變化非常復雜，是采礦和地質因素之間相互耦合的結果。地表沉降量不僅與開采厚度等因素有關，還受到其所處的地球物理環(huán)境(斷層、褶曲等)因素的影響。

為了研究地表沉降變化，一些學者從覆巖結構、下沉預測、地面監(jiān)測等方面進行了大量研究。貢長青等基于彈性薄板理論，對采空區(qū)各點沉降量與空間位置關系進行了研究，得到了全斷面沉降模型。錢鳴高等以砌體梁理論為基礎，進行了采空區(qū)地表移動試驗，揭示了覆巖關鍵層破斷對地表移動的影響規(guī)律。劉寶琛等以隨機介質理論為基礎，通過對李特維尼申的隨機介質理論解簡化，建立了概率積分法。曹樹剛等通過對基巖裸露地區(qū)不同回采工作面地表下沉及水平移動觀測數據的分析，擬合得到了地表下沉及水平移動曲線。王軍保等以采空區(qū)地表沉降量隨時間的變化為研究對象，得到了基于MMF模型的地表沉降時間函數模型。本文以晉城礦區(qū)為例，針對厚覆蓋層地區(qū)大采高近水平煤層開采條件下地表下沉特征，重點研究大采高的影響，了解該區(qū)域地表沉降規(guī)律，有助于指導相近地質條件及采煤方法礦區(qū)鐵路下、建筑物下、水體下的采煤活動。

1 地表移動觀測及數據處理

為綜合研究工作面上地表的沉降規(guī)律，對寺河礦的地表沉降進行了現場監(jiān)測。

1.1 礦井地質及工作面開采條件

寺河礦井田位于太行山脈南段西側、沁水盆地南緣，地貌形態(tài)屬剝蝕、侵蝕山地，地形較為破碎。可采煤層為3號、9號及15號煤層，現開采的3號煤層底板標高485～610 m，地面標高850～1101 m。3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖30.14 m，下距K7砂巖6.05 m，距15號煤層85.29 m。厚度4.45～8.75 m，平均厚度6.25 m，煤層傾角1°～14°，平均5°。

W2301工作面呈向斜構造，自西向東，利用坑透CT、CAD分析處理系統(tǒng)對探測數據進行了處理，結合坑透圖、巷道現場情況和兩側巷道鉆孔進行了綜合分析，工作面不存在明顯地質異常區(qū)。工作面采用傾斜長壁綜合機械化采煤法，采高6 m，推進長度為1250.9 m。

1.2 地表移動測點布設

為了獲得準確、可靠、有代表性的觀測資料，應將觀測線設在地表沉降盆地的主斷面上，觀測線長度應大于沉降盆地的范圍。由于煤層呈近水平且埋深約420 m，地表呈山地狀，經過綜合對比分析，采用剖面線狀觀測站，將地表沉降盆地走向主斷面設于工作面中心上方。工作面上方設置兩條觀測線，測點采用混凝土灌注，間距取10 m。

走向觀測線長度可按下式計算：

AB=H0ctanψ+H0ctanδ+2d

(1)

式中：AB——走向觀測線長度，m；

H0——平均開采深度，m；

ψ——走向充分采動角，(°)；

δ——走向綜合邊界角，(°)；

d——走向線與傾向線交點外延5個測點的測點距，取50 m。

寺河煤礦西區(qū)工作面與成莊礦5303綜放工作面情況類似，因此以成莊礦巖層移動參數為參考進行觀測站設計，經計算工作面走向觀測線和傾向觀測線長分別為510 m和397 m(實際取400 m)。

為了以大致相同的精度獲得地表移動及其分布規(guī)律，工作測點采用等間距測量，間距大小與開采深度有關。工作面開采深度為420 m左右，測點間距取10 m。工作基準點一般間距45 m，最大間距100 m。

監(jiān)測采用GPS快速靜態(tài)定位測試與動態(tài)測試相結合的方法，首先在開采區(qū)域外側布置半走向線及半傾向線監(jiān)測基準點各3個，走向布置51個測點，傾向布置36個測點，半走向線及半傾向線測點分布如圖1所示。

圖1 測點布置圖

1.3 地表移動參數的確定

雖然煤層傾角較小，但其走向和傾向地表移動觀測結果有較為明顯的差異，因此分別從走向和傾向對闡述近水平煤層開采地表移動的一般規(guī)律。

本次監(jiān)測所涉及的地表移動參數包括最大下沉系數q，最大水平移動系數b，邊界角δ0，移動角δ，裂縫角δ″，最大下沉角θ，充分采動角ψ，采動影響半徑r，采動影響角正切值tanβ，拐點移動距離S等。

整個移動盆地的移動參數值見表1，走向地表沉降動態(tài)監(jiān)測結果分別如圖2和圖3所示，實測地表移動盆地如圖4所示。

圖2 地表走向動態(tài)下沉圖

由圖2、圖3和圖4可知，隨著工作面推進，地表觀測點經歷了開始沉降、沉降活躍、沉降衰退的過程。在地表走向方向上呈半無限狀，達到了充分采動。工作面地表走向下沉量動態(tài)變化較大，這主要是受開采速度影響。實測走向和傾向方向的地表最大沉降量分別為4.692 m和4.032 m，下沉開始階段到活躍階段約2～3 d，回采約70 d后進入采動活躍時期，地表活躍期約130 d。

圖3 工作面走向動態(tài)下沉圖

表1 走向傾向地移動參數

圖4 工作面地表實測沉降盆地示意圖

2 地表沉降預測及分析

為了能夠有效評價采空區(qū)地表沉降對地面塌陷、建筑物等的影響，需要事先預測地表沉降量。

2.1 地表沉降規(guī)律預測模型

本文用概率積分法來預測地下開采引起的地表沉降，概率積分法是目前應用最多，預測精度較高的隨機介質理論方法。

(2)

式中：W——地表下沉量，m；

r——巖層下降的主要影響半徑，m。

r會隨著巖層相對煤層間距而變，下沉量W不僅與開采邊界距離x有關，而且與開采煤層間距y、巖層的最大下沉值Wmax、覆巖下沉拐點移動距離S等參數有關，選用參考坐標系，采場煤壁與頂板的交點固定為坐標原點，采場上覆巖層的下沉量函數可表示為：

(3)

采場覆巖最大下沉量與巖層到煤層頂板的距離的關系符合下式：

Wmax(y)=a×exp(-by)

(4)

式中：a、b——與采場上覆巖層結構及巖性有關的系數。

根據經驗可按下式進行計算：

(5)

式中：H——煤層厚度，m；

Z——地表下沉系數；

T——煤層傾角，(°)；

M——煤層厚度，m；

k1、k2——分別為碎脹系數、殘余碎脹系數；

h——冒落帶高度，m。

觀測表明，地表沉陷主要影響半徑r與主要影響角正切值tanu和開采煤層間距y的關系符合：

(6)

式中：u——主要影響角，(°)。

在近水平煤層條件下滿足：

tanu=D+0.0032u

(7)

式中：D——巖性影響系數。

經驗表明，拐點移動距與巖性密切相關，大致符合如下關系：

(8)

2.2 走向地表沉降預測及分析

依據概率積分法計算的預測下沉值如圖5所示，礦區(qū)地表沉降與埋深和采厚之比的關系如圖6所示。

分析圖5和圖6可知，概率積分法預測的走向下沉值與實測結果誤差較小，平均誤差0.2918 m，平均相對誤差-0.0473。工作面走向推進約480 m時，走向方向上達到充分采動，此前下沉量主要受是否充分采動的影響，推進480 m后，埋深與采高之比和地表下沉量呈負相關關系，即隨著深厚比的增加下沉量減少，隨著深厚比的減小下沉量增加。