煤礦開采引起地表移動變形的現場觀測

孫鵬飛

(山西潞安集團 溫莊煤礦,山西 長治 046103)

煤炭資源作為我國的主要能源,占一次能源構成的60%左右。由于煤炭資源的開采,勢必會引起地表移動和變形,進而造成水土流失、地表沉陷、山體滑坡、水源破壞和污染等一系列礦山環境問題。長期以來,煤炭開采引起的地表移動變形一直困擾著礦區的經濟可持續發展和環境保護。為了確保煤炭開采形成采空區后,不至于造成大的安全事故和環境問題,對地表移動變形進行現場觀測和掌握其規律是非常必要的[1-5]。以潞安礦區某礦回采工作面為例,通過建立地表巖移觀測站進行現場觀測,為研究該礦的地表巖移規律提供實測資料。

1 工作面概況

試驗工作面位于該礦井的中南部,上覆巖層由砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰巖及表土層組成;其中表土層厚度為132m,地表的地勢平坦,以耕地為主,地面標高+940 m～+945 m。該工作面開采煤層為3號煤層,沿煤層走向布置,周圍均為未采動影響區域。

試驗工作面為本采區首采工作面,工作面開切眼長度為300 m,推進長度為1 200 m,煤層平均厚度為6.17 m,傾角為0°～5°,開采深度為320 m,工作面生產期間,平均推進速度為3.66 m/d,采煤方法采用走向長壁綜采放頂煤方法,頂板管理采用全部垮落法。該工作面于2013年7月開始回采,至2014年9月開采完畢。

2 地表巖移觀測站的建立

根據試驗工作面的工程地質條件和對應地表的地形地貌等因素,結合煤炭開采引起的地表移動變形的一般規律,地表巖移觀測站內沿工作面走向方向和傾向方向各設置1條觀測線。

為了保證地表移動變形的測量精度,同時考慮便于數據采集和后期處理,工作面共布置8個基準點。基準點在工作面開采范圍向外160 m處均勻分布(參考類似礦區的實測數據,表土層移動角取55°,基巖移動角取72°)。工作測點沿走向和傾向觀測線布置,間距為30 m。

該地表巖移觀測站于2013年6月進行了基準點和工作測點的布置工作,并進行了連接測量。

3 觀測數據的整理和分析

3.1 現場觀測數據的整理統計結果

通過對試驗工作面地表移動變形的觀測數據進行整理統計可以得出:試驗工作面開采影響期間內,地表移動變形是漸變的;隨著時間的推移,變形值逐步增大,達到一定值后趨于穩定。地表移動變形穩定后,沿走向和傾向觀測線的下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形值如表1所示。

表1 地表移動與變形值Table 1 Surface movement and deformation values

通過對開采影響范圍內不同位置的工作面測點進行動態觀測數據進行分析可以得出:地表移動變形的初始期為30 d,活躍期持續時間為120 d,衰退期為270 d;進入地表沉降穩定后,持續時間為14個月。活躍期占總移動時間的28%,下沉量占總沉降量的85%左右,其中最大下沉速度為76.8 mm/d,下沉速度超過10 mm/d的時間為80 d,占活躍期的67%,其下沉量占活躍期沉降量的95%, 其下沉量占總沉降量的80%;衰退期為270d,下沉量占總沉降量的15%左右。

3.2 地表移動特征參數計算

目前,煤礦開采引起地表移動變形的預計方法的原理是基于概率積分法。該預計方法所需的地表移動特征參數主要包括:下沉系數、水平移動系數、主要影響角正切、拐點偏移系數、影響傳播角系數。根據地表巖移觀測站的實測數據,采用曲線擬合的方法,計算出該試驗工作面的地表移動特征參數:下沉系數q為0.80,水平移動系數b為0.31,主要影響角正切tg β為2.70,拐點偏移系數S/H為0.11,影響傳播角系數K為0.8。

地表移動變形預計軟件采用上述計算出的地表移動特征參數進行地表移動變形的預計;進而對試驗工作面地表移動變形的實測數據和預計結果進行比較,沿走向和傾向觀測線的下沉、傾斜、曲率和水平移動、水平變形的預計曲線與實測曲線見圖1—圖10(注:藍色曲線為預計曲線,紅色曲線為實測曲線)。

通過比較地表移動變形沿走向觀測線和傾向觀測線的下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形的預計曲線與實測曲線可知,地表移動變形預計軟件的預計結果與地表巖移觀測站的實測數據擬合度高,預計結果能滿足工程要求。

4 結束語

1)試驗工作面開采影響期間內,地表移動變形是漸變的;隨著時間的推移,變形值逐步增大,達到一定值后趨于穩定。這一規律符合煤礦開采引起地表移動變形的一般規律。

2)地表移動變形穩定后,沿走向和傾向觀測線的最大下沉值分別為4 089 mm和4 195 mm,最大傾斜值分別為28.2 mm/m和40.0 mm/m,最大曲率值分別為0.5×10-3/m～-0.5×10-3/m和0.5×10-3/m～-0.6×10-3/m,最大水平移動值分別為1 350 mm和1 424 mm,最大水平變形值分別為17.6 mm/m～-18.4 mm/m和18.0 mm/m～-20.7 mm/m。

3)通過對試驗工作面不同位置的測點進行動態觀測可以得出:地表移動變形的活躍期占總移動時間的28%,下沉量占總沉降量的85%左右;最大下沉速度為76.8 mm/d。

4)該試驗工作面的地表移動特征參數:下沉系數q為0.80,水平移動系數b為0.31,主要影響角正切tgβ為2.70,拐點偏移系數S/H)為0.11,影響傳播角系數K為0.8。通過比較地表移動變形沿走向觀測線和傾向觀測線的下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形的預計曲線與實測曲線可知,地表移動變形預計軟件的預計結果與地表巖移觀測站的實測數據擬合度高,預計結果能滿足工程要求。

5)通過該礦井對地表移動變形現場觀測的實踐經驗,為以后建立地表巖移觀測站提供了參考,為該礦井已規劃開采區域的地表移動變形預計提供基礎資料,為煤炭開采的工程設計和礦井施工提供理論依據,同時對“三下”采煤具有一定的指導意義。

參考文獻：

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