煤礦開采工作面地表巖移觀測站設計及地表移動分析

孟京　王宏濤　王耀興

【摘 要】對煤礦地下開采導致的地面沉陷進行觀測站設計并進行地表移動觀測與分析，對于保障煤礦安全生產、預測地表沉陷范圍、降低開采成本具有重要意義。本文以建新煤礦4210工作面為研究對象，進行了地表移動站設計，采用實地觀測法對該工作面進行地表移動觀測，以獲取本地區特有條件下，因地下煤層開采后，引起的地表移動、變形及破壞規律，并計算獲得各種移動角、邊界角、最大下沉角、充分采動角等數據，為礦區規劃、環境評價、礦井設計、以及安全合理的留設保安煤柱提供理論依據。

【關鍵詞】地下開采;地表移動;觀測站

中圖分類號： TD325.4 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）22-0188-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.087

煤炭資源的開發與利用，對經濟發展和生態環境有著顯著的影響，開采塌陷造成地面構筑物、道路損毀，良田無法耕種，生態環境遭到嚴重破壞[1]。為有效減小和的防治地下開采所帶來的不良影響，必須掌握地表移動和變形規律。本文以建新煤礦4210工作面為研究對象，通過對該工作面進行地表移動觀測，按照現行相關規程要求建立地表移動觀測站。在此，基于觀測計劃獲得實測數據，通過實地觀測、分析數據和研究規律，獲得礦區特有開采條件下的基本巖層移動參數，為合理布設工作面和選定開采順序、保護地面和井下設施，安全、高效生產，提供有效保障[2-4]。

1 礦區概況

建新煤礦（建南井田）行政區劃地處延安市黃陵縣腰坪境內，隸屬黃陵縣店頭鎮。自然地理分布地處黃陵縣建莊林區，屬陜北黃土高原南部的低中山丘陵，區內山巒起伏、溝壑縱橫、地形復雜，屬侵蝕構造地形，并呈堆積的山間河谷地貌特征。植被以灌木、松樹等為主，覆蓋密度大，為典型的低山林區，水系較發育。西以山神廟梁為界，東至新村川，北以原建莊中部無煤帶為界，南至齊家灣。井田地理坐標為東經108°48′15″～108°55′15″，北緯35°20′30″～35°24′00″，范圍由四十個拐點構成，東西長約10.5km，南北寬約6.4km，面積約49km2。建新煤礦風井附近有布設的D級GPS點，點位保存完好，成果可靠，可作為本項目連接測量工作的起算數據。

2 觀測站設計

為更準確研究開采過程以及開采后的地表移動變形，按規程要求在地表建立了觀測站，本觀測站考慮到工作地點位于山區，觀測站點埋設比較困難，地形陡峭，工作難度大，布設方案擬定為：布設一條走向觀測線B和一條傾向觀測線A[5-7]。傾向觀測線A受臨近采空區影響，布設53個工作測點，長度約1600m，盡可能布置成直線，貫穿整個42盤區西至溝口位置;受地形影響，走向觀測線B布設20個工作測點，布置在沉陷盆地內，長度500m。4210工作面地表移動觀測站觀測線布設如圖1所示。

圖1 4210工作面地表移動觀測站觀測線布設圖

地表移動觀測工作可分為： 觀測站的連接測量、全面觀測、單獨進行水準測量、地表破壞的測定和編錄。地表移動觀測的基本內容是在地下開采過程中，定期地、重復地測定觀測線上各測點在不同時期內空間位置變化[8]。

3 地表移動分析

3.1 參數解算

根據實測數據進行地表移動變形參數計算分析，獲得了此地質采礦條件下的計算參數見表1。通過充分性判斷，確定該地質采礦技術條件下采空區走向和傾向實際長度分別為1925m和210m，平均采深600m，采動程度由D/H表示，即：210/600<1.2～1.4、1925/600>1.2～1.4：傾向非充分采動，走向已充分采動。

以下沉10mm確定邊界點，至采空區邊界的連線與水平線在礦柱一側的夾角稱為邊界角，按斷面不同，分別為走向邊界角δ0、下山邊界角β0、上山邊界角γ0。走向方向因觀測點較少，不能判斷邊界位置，走向邊界角δ0不能計算。

上山邊界角γ0以KA01作為邊界點計算，KA01距離采空區邊界224.5m，開采深度600m，

γ0=atn（600/224.5）=69.5°? ? ? ? ? ? ?（1）

下山邊界位置受其他工作面采空區影響不能準確判斷。

地表移動盆地主斷面上臨界變形值（傾斜、水平變形、曲率）中最外邊一個點至采空區邊界連線與水平線在礦柱一側的夾角稱為移動角，按斷面不同，分為走向移動角δ、下山移動角β和上山移動角γ。走向方向因觀測點較少，不能判斷最外圍位置，走向移動角δ不能計算。

在第9、10、11期觀測數據中，僅觀測點A16曲率值達到臨界值，所以上山方向以A16點位置計算上山移動角γ，A16點距離4210工作面邊界的水平距離為78.5m，開采深度為600m，松散層厚度20m（未達到1/10采深，忽略計算），

γ=atn（600/78.5）=82.5°? ? ? ? ? ? ? ?（2）

下山移動角受其他采空區影響不能準確判斷。

工作面推進工程中，工作面前方的地表受到采動影響下沉，這種現象稱為超前影響，以地表下沉10mm判斷，下沉點與當時工作面的連線和水平線在礦柱一側的夾角稱為超前影響角ω;開始下沉的點到工作面的水平距離稱為超前影響距l。

走向線第2、3期觀測數據顯示，當工作面推進到790m時，地表B111地表下沉5mm，B112下沉9mm，超前影響距離為171m;當工作面推進到890m時，地表B109下沉11mm，B108下沉8mm，超前影響距離為170m，判斷超前影響距離l=170m。平均開采深度600m，超前影響角

ω=arccot（l/H0）=74.2°? ? ? ? ? ? ? ? （3）

在傾斜主斷面上，由采空區的中點和地表移動盆地最大下沉點在地表水平上投影點的連線與水平線之間在煤層下山方向一側的夾角。

根據第11期觀測數據，傾向觀測線A23、A24達到最大下沉值，擬合下沉曲線后，取A23點為最大下沉位置，距離工作面下邊界為35.3m，距離上邊界為249.7m，距離工作面中心位置142.5m，偏離下山方向，開采深度600m。

最大下沉角θ=atn（600/142.5）=76.6°? ? ? ? （4）

綜上，根據地表移動觀測資料計算，獲得了一些本地質、地形、采礦條件下的巖層和地表移動參數，這些參數是在實測數據基礎上，經過整理、分析、計算得到的，較為客觀的反映了開采的實際情況。表1為地表移動參數的統計結果。

3.2 地表移動變形特點

在整個地表移動過程中，地表任一點的下沉速度是有規律地變化的，開始時很慢，逐漸增大，達到最大值，然后逐漸變小，直至最后移動停止。在一般情況下，點的下沉速度的變化在時間上和空間上是連續的、漸變的。圖2為走向線變形曲線圖，圖3為傾向線變形曲線圖。

結果表明：走向線方向最大下沉點位于B120，下沉值為1007mm;同時傾斜值趨近于0，符合沉降最大下沉點附近傾斜趨近于0，負曲率的規律;同時水平變形曲線和曲率曲線相似，符合一般般規律。傾向線方向最大下沉出現在A33點附近，達到2222mm，位于工作面下山方向邊界上方，不符合一般規律，但下沉曲線和傾斜曲線一致，即最大傾斜出現在工作面邊界上方，最大下沉點附近傾斜趨近于0，最大下沉點附近曲率為負曲率;同時曲率曲線和水平變形曲線走向基本一致，說明傾向觀測線觀測工作效果較好。

4 結論

根據對實測資料進行綜合分析，本次開采為走向方向充分采動，傾向方向非充分采動條件下的規律。

（1）最大下沉點偏向下山方向明顯，位于4210和4208工作面邊界上方。

（2）下沉曲線、傾斜曲線、曲率曲線基本一致，其中曲率曲線凹凸不明顯。

（3）采深較大，沉降速度比較平緩，水平移動不明顯，活躍期不明顯，下沉周期較長，現有觀測數據不能完全分析。

（4）最大下沉角偏小，下沉偏移4208工作面過多，需要更多數據支撐。

【參考文獻】

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[7]陳俊杰，王禮，郭延濤.基于概率積分法的礦山地表移動觀測[J].測繪科學，2014，39（03）：146-148+152.

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