大采寬大采深綜放工作面地表移動變形規(guī)律分析

方 茜

(潞安環(huán)能股份公司 生產(chǎn)辦，山西 長治 046204)

隨著礦井開采水平不斷向深部延深，開采規(guī)模持續(xù)擴大，地表沉陷問題愈加突出，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，所以對地表移動變形規(guī)律的研究具有重要意義。近年來，國內(nèi)積極開展了礦井開采地表沉陷研究，研究水平達(dá)到了新的高度，但是針對大采寬大采深綜放工作面地表移動變形規(guī)律研究相對較少，不利于煤礦綠色開采技術(shù)的應(yīng)用推廣[1]。為此，本文選取余吾煤業(yè)S1202大采寬大采深綜放工作面作為研究對象，開展了地表移動變形規(guī)律研究。

1 工作面概況及觀測站布置

1.1 工作面概況

余吾煤業(yè)S1202工作面平均開采深度402 m，開采寬度310 m，開采長度1 390 m，表土層厚度約45 m。工作面主采3號煤層，平均煤厚6.15 m，煤層傾角0～3°。頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖；底板為黑色泥巖、粉砂巖。工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。

1.2 地面沉陷觀測站布置

在S1202工作面上方地表布設(shè)2條地表移動觀測線：走向觀測A線和傾向觀測B線。其中走向觀測A線長690 m，設(shè)觀測點22個(A1～A22)，控制點2個(KA1、KA2)，合計24個監(jiān)測點，點間距30 m；傾向觀測B線長570 m，設(shè)觀測點18個(B1～B18)，控制點2個(KB1～KB2)，合計20個監(jiān)測點，點間距30 m。監(jiān)測點采用預(yù)制鋼筋混凝土標(biāo)樁，觀測線選在地形較為平坦地區(qū)。觀測線及測點布置見圖1。

1.3 觀測方法

采用GPS靜態(tài)測量方法將礦區(qū)控制網(wǎng)與開采沉陷監(jiān)測站控制點進(jìn)行聯(lián)測，獲取各控制點的坐標(biāo)和高程。觀測點平面坐標(biāo)測量采用全站儀來完成，高程采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測。

圖1 S1202工作面地表移動觀測線布置

2 地表移動變形觀測成果分析

2.1 地表下沉形態(tài)及規(guī)律分析

對S1202工作面觀測后，根據(jù)觀測結(jié)果繪制不同時期走向線和傾向線的下沉曲線圖(見圖2)，列出地表移動最大變形值(見表1)。

由圖2(a)可見，隨工作面的推進(jìn)，地表下沉值逐漸增大，由于工作面寬深比相對較大(D/H=0.77)，開采引起的地表變形也較為充分，因而觀測到地表下沉量較大，觀測點A19至A21出現(xiàn)了最大下沉的平底部分，達(dá)到充分采動狀態(tài)；由圖2(b)可見，隨工作面的推進(jìn)，下沉值由小變大，但最大下沉點(B觀測線的B16點)的位置基本不變，符合一般的下沉分布規(guī)律。說明觀測資料是可靠的[2]。

表1 觀測站最大移動變形值

圖2 S1202工作面實測下沉曲線

2.2 地表移動主要參數(shù)確定

地表移動參數(shù)可以反映地表移動與變形的特征及程度，主要包括地表移動角量參數(shù)和地表移動動態(tài)參數(shù)等。具體有地表移動邊界角、移動角、裂縫角、充分采動角、最大下沉角、地表最大下沉速度等參數(shù)。

2.2.1 地表移動角量參數(shù)[3]

1) 邊界角、移動角、裂縫角。通過對觀測站走向和傾向觀測資料的分析，能夠獲得地表移動變形角量參數(shù)，包括邊界角、移動角和裂縫角，具體見表2。

表2 地表移動范圍角量參數(shù)

2)充分采動角、最大下沉角。根據(jù)走向觀測A線的實測結(jié)果，通過移動變形曲線的下沉曲線平底邊緣點(最大下沉值的邊緣點)可確定充分采動角，即φ=60°。

最大下沉角是指在傾向觀測線上由采空區(qū)中心至最大下沉點的連線在下山方向與水平線的夾角，通過實際觀測結(jié)果分析可知：傾向B觀測線最大下沉角為θ=87.6°。

2.2.2 地表最大下沉速度

根據(jù)觀測成果可知，走向觀測A線上的A19～A21均達(dá)到了該地質(zhì)采礦條件下的最大下沉值，因而對地表下沉速度的計算可采用任意一點的多期觀測成果進(jìn)行，本文選擇達(dá)到最大下沉的A19點的7次觀測成果中的兩次觀測的下沉差ΔW=1 923 mm，觀測間隔天數(shù)t=14 d，計算獲得地表最大下沉速度，即：

(1)

工作面推進(jìn)速度是影響地表下沉速度和地表移動持續(xù)時間的主要因素。一般單一工作面最大下沉速度的經(jīng)驗公式可由下式表示：

(2)

式中：K為下沉速度系數(shù)；c為工作面推進(jìn)速度，m/d；H0為平均開采深度，m；Wmax為本工作面最大下沉值，mm。通過反算可求取下沉速度系數(shù)K=2.3。

由此得到S1202工作面觀測條件下的最大下沉速度估算經(jīng)驗公式為：

(3)

2.3 地表移動變形參數(shù)修正

1) 初始模擬參數(shù)。根據(jù)本礦區(qū)原有的開采沉陷觀測資料，結(jié)合長治地區(qū)五陽礦和王莊礦的實際觀測資料，綜合給出本次模擬求參的初始計算值大致為：下沉系數(shù)0.78；水平移動系數(shù)0.3；開采影響傳播角86°；主要影響角正切2.4；拐點偏移距-0.1Hi。

2) 優(yōu)化模擬計算。按照上述選定的參數(shù)，結(jié)合觀測站點位的具體坐標(biāo)進(jìn)行地表移動變形預(yù)計，采用概率積分法優(yōu)化模擬求參，具體求參結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化模擬求參結(jié)果

注：α為煤層傾角；Hi為開采邊界采高。

按照最佳模擬參數(shù)計算的地表移動變形值與實測值繪制的移動變形曲線對比見圖3和圖4。

圖3 走向觀測A線實測與優(yōu)化模擬比較

圖4 傾向觀測B線實測與優(yōu)化模擬比較

由圖3、圖4可知，按最佳模擬參數(shù)計算的地表移動變形值與實測值的變化趨勢和范圍基本一致，表明所選擇的修正后的地表移動主要參數(shù)合理，可以作為今后地表移動變形計算的依據(jù)。

3 結(jié) 語

1) 由于工作面寬深比相對較大(D/H=0.77)，開采引起的地表變形也較為充分，因而觀測到地表下沉量較大，地表移動變形規(guī)律較為明顯，總體符合一般沉陷規(guī)律。

2) 通過分析余吾煤業(yè)地表移動觀測站的實測數(shù)據(jù)，給出了余吾煤業(yè)地表移動主要參數(shù)。

3) 基于概率積分法對地表移動變形的參數(shù)進(jìn)行了修正，研究結(jié)果可指導(dǎo)余吾煤業(yè)合理留設(shè)保安煤柱，為地表移動變形計算提供必要參數(shù)。