地表巖移觀測站采空區(qū)上方沉降規(guī)律研究及應用

趙好楠 吳學超

(1.山東正大地理信息科技集團有限公司，山東 濰坊 261000; 2.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102)

0 引言

地下煤炭資源的開采，使地表建筑物、構筑物、地下水資源、地質巖層和煤炭資源原有的力學平衡在一定時間內發(fā)生變化，致使巖層發(fā)生移動和變形，當?shù)叵麻_采空間形成一定的區(qū)域，變形發(fā)展到地面，使工作面上方地表發(fā)生移動和變形，造成建筑物構筑物出現(xiàn)裂縫，地面出現(xiàn)塌陷，道路出現(xiàn)破壞，形成開采沉陷問題。最終穩(wěn)定時的地表沉陷變形規(guī)律僅是開采沉陷過程中的最后一刻的情況，它不能反映地表移動過程的全局，也不能滿足現(xiàn)實生產的要求。因此，深入研究動態(tài)地表沉陷變形規(guī)律具有理論意義和應用價值[1-4]。

本文主要在回采工作面上方，根據(jù)工作面走向布設相應的走線觀測線和傾向觀測線，根據(jù)監(jiān)測站設計目的與沉降監(jiān)測技術進行分析，研究分析了控制點和監(jiān)測點選取的具體位置，計算出了相應的特征參數(shù)，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了采空區(qū)上方地表的沉降規(guī)律與工作面開采位置的關系。

1 地表巖移觀測站設計

1.1 監(jiān)測點設計

根據(jù)分析礦區(qū)周邊地區(qū)的相對高度，本測區(qū)潛水位標高約為+42.7 m，工作面上方地面標高為+43.2 m左右，因此地表地面沉陷超過0.5 m，積水現(xiàn)象出現(xiàn)。為了保證測量工作順利開展，監(jiān)測點設置需要進行一定程度的特殊處理。根據(jù)測點在移動盆地中的位置和預計下沉量決定采用合適的點結構，對部分測點需作特別處理，有的點還需要準備接高[1,2,5,6],見圖1。

1.2 監(jiān)測站的標定及埋設

觀測站的標定工作是將設計圖上的控制點、工作測點，標于實地，控制點可以按設計及實地情況選定；對于工作測點，要求位于同一測線的觀測點需按設計嚴格標定在一條直線上，且點間距為25 m。 由于考慮到實地情況，個別點有偏差，為了緩和工農矛盾和減少賠償損失，埋點時在所標定的位置根據(jù)所埋標石的大小挖一深度為0.5 m的坑，并埋設預制的混凝土樁[1,2,6]。

2 研究區(qū)域觀測資料分析

2.1 研究區(qū)域地表形狀分析

礦區(qū)3522工作面回采時間為2017年1月，回采結束次年5月，工作面煤炭的開采，造成地表監(jiān)測點下沉值越來越大，地面逐漸形成一定的下沉盆地。2018年8月獲取最后一期數(shù)據(jù)，最大下沉值為866.2 mm。分析3522工作面整個沉降過程，計算相應的數(shù)據(jù)以及繪制各種曲線，分析得出未出現(xiàn)特殊變化，地表未產生大面積塌陷坑，地表建筑物未出現(xiàn)裂縫。雖然有個點下沉比較大，但是整體下沉量較少，需要對這個點的地下位置進行詳細分析以及地質巖層情況進行分層研究，總體下沉圖形比較平緩。分析地表下沉盆地形狀以及開采范圍，工作面開采不充分。

2.2 參數(shù)計算分析

邊界點計算達到10 mm下沉數(shù)值為參考計算標準[1,2]，經過計算和分析的此處邊界角為68°22′；移動動角為70°12′；工作面初采下沉系數(shù)q=0.92，修正為0.66，工作面水平移動系數(shù)b=0.32，工作面主要影響角正切值tgβ=2.25，監(jiān)測點最大下沉角θ=90°-0.55α，拐點平移距，s=0.03H0。

利用沉降處理分析軟件以及SPSS數(shù)據(jù)處理擬合分析軟件，將開采引起的地表移動變形觀測結果作為已知條件，推算出相應的特征參數(shù)，下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、下沉角，是否進入充分采動等情況。觀測結果進行擬合比較，結果如圖2所示。

監(jiān)測時間為2018年8月15日，橫軸為距離，單位是 m，監(jiān)測點1號為0，之后的數(shù)字表示其他監(jiān)測點距1號點的距離，縱軸是下沉數(shù)據(jù)，單位是mm，實線為實際觀測的數(shù)據(jù)折線，虛線為擬合曲線。主要分析沉降差與地面距離之間所形成的相應的曲線，繼而能夠對其他工作面進行沉降量的預測和分析，能夠有效的避免地面災害的發(fā)生，為礦區(qū)和周圍居民的安全保障提供有力的技術支持。

2.3 移動和變形的動態(tài)參數(shù)

3522工作面于2017年1月開始回采，第1次～第2次觀測并無下沉，第3次觀測在2017年1月29日，工作面推進100 m，地面觀測到的最大下沉在26號點，下沉量為30 mm。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析計算結果，36號測點具有最大下沉速度。2017年8月28日和2017年9月12日之間，36的最大下沉速度為16.20 mm/d，最大下沉速度滯后角為70°20′。

2.4 地表移動速度的變化以及與工作面的相應關系

多層開采時，在整個地表移動過程中，地表任一點的下沉速度是有規(guī)律地變化的，會出現(xiàn)多個較高的沉降速度值，監(jiān)測第一階段開始時很慢，之后逐漸增大，持續(xù)下沉達到最大值，之后開始逐漸變小，最后穩(wěn)定。監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析的下沉速度，在時間上和空間上是連續(xù)的、漸變的[1,2]。3522工作面分三層開采，由于各種原因出現(xiàn)了3個較高的沉降速度，形成3個波峰的曲線，見圖3。

橫軸示監(jiān)測點下沉速度變化，橫軸表示36號測點在整個移動過程中的下沉值。通過分析煤炭開采的過程可以發(fā)現(xiàn)，此工作面回采分3個層次，分別是1分層、2分層和3分層。地表點的下沉速度在整個移動過程中具有3個最大下沉速度，第一個為只開采1分層時，具有的最大下沉速度；第二個為1～2兩分層疊加影響下，具有的最大下沉速度；第三個為在3分層的影響下，具有的最大下沉速度。整個最大下沉速度出現(xiàn)在中期開采。

以上分析研究只是針對沉降量變化和工作面回采位置及情況進行分析，沒有及時對獲取數(shù)據(jù)當時的天氣、地下水文數(shù)據(jù)，周邊地表情況的變化等進行對比分析，分析的結果只是針對某一方面，而沒有系統(tǒng)全面的對整個工作面和地質情況進行定性分析。所以本次分析的結果可以用于本礦區(qū)其他工作面的回采與地面沉降變化的參考依據(jù)，而周邊地區(qū)其他礦區(qū)需要進一步研究分析。

3 結論

1)監(jiān)測點的變化分析出采空區(qū)地表的變化情況，并且以特殊點36號點作為分析的重點位置，得到了沉降曲線和擬合曲線以及沉降速度變化，最大沉降速度點和沉降量最大點都是位于中間的36號點。

2)根據(jù)沉降變化計算出了邊界角、移動角、最大下沉角、水平移動系數(shù)、正切值、拐點平移距、最大下沉速度滯后角等變形參數(shù)，為“三下”采煤正確合理選擇位置和開采的次序、加固方案編制提供技術支持。