特厚表土層巖移沉降規(guī)律研究及應(yīng)用

[摘 要]1301工作面是彭莊煤礦的首采工作面，為摸清本礦的采空區(qū)對(duì)上覆巖層及表土層的運(yùn)動(dòng)范圍、規(guī)律和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，全面掌握首采面采空區(qū)對(duì)地面的影響，通過(guò)對(duì)觀測(cè)，最終確定地下開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形靜態(tài)盆地的巖移參數(shù)。該參數(shù)為全礦各采區(qū)留設(shè)保護(hù)煤柱、回采巷道設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了技術(shù)數(shù)據(jù)，并為巨野煤田周邊新建礦井提供有參考價(jià)值的技術(shù)參數(shù)。

[關(guān)鍵詞]特厚表土層；巖移規(guī)律參數(shù)；研究與應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TF046.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）14-0293-02

一、概況

彭莊煤礦開(kāi)采深為-450m至-1200m標(biāo)高，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬(wàn)噸/年，是菏澤地區(qū)第一對(duì)投產(chǎn)的煤礦，表土層厚度平均為450m。本井田地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)濟(jì)寧地層小區(qū)，發(fā)育的地層有太古界泰山巖群、震旦系土門(mén)組、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系蒙陰組、第三系、第四系。本井田含煤地層為下二迭統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，平均地層總厚229.68m。共含煤24層，其中山西組3層；太原組21層。平均總厚8.02m，含煤系數(shù)3%，可采煤層有3下、6、16上、17煤層，平均總厚5.48m，占煤層總厚的68%，可采煤層中又以3下煤層最重要，平均總厚2.22m，占可采煤層總厚的49%，是本井田首采及主采煤層。首采工作面1301面于2006年9月開(kāi)始回采，2007年8月結(jié)束。

二、觀測(cè)站布設(shè)

地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)立于彭莊煤礦1301工作面的正上方。測(cè)區(qū)內(nèi)地表基本平坦，地面標(biāo)高在41m左右。工作面寬150m，長(zhǎng)1350m，平均埋深為450m，本觀測(cè)站共設(shè)置了93個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，6個(gè)控制點(diǎn)。此次地表移動(dòng)觀測(cè)，共進(jìn)行了17次水準(zhǔn)測(cè)量，3次全面觀測(cè)。

三、觀測(cè)數(shù)據(jù)整理計(jì)算

觀測(cè)站各觀測(cè)點(diǎn)間的移動(dòng)變形計(jì)算主要包括：各測(cè)點(diǎn)的下沉和水平移動(dòng)，相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的傾斜和水平變形，相鄰兩線段的曲率變形，觀測(cè)點(diǎn)的下沉速度等。測(cè)點(diǎn)某時(shí)刻的下沉，由該時(shí)刻觀測(cè)到的測(cè)點(diǎn)高程與采前首次觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)高程之差計(jì)算得；測(cè)點(diǎn)某時(shí)刻的水平移動(dòng)，由該時(shí)刻觀測(cè)到的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與采前首次觀測(cè)到的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化經(jīng)矢量分解后獲得；相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的傾斜和水平變形，分別由該相鄰兩測(cè)點(diǎn)的下沉之差和水平移動(dòng)之差與該兩測(cè)點(diǎn)間的水平距離之比獲得，在計(jì)算兩測(cè)點(diǎn)間的水平變形時(shí)，要考慮到測(cè)點(diǎn)的水平移動(dòng)方向問(wèn)題；相鄰兩線段的曲率變形，由該相鄰兩線段的傾斜之差與兩線段的平均水平距離之比獲得；測(cè)點(diǎn)的下沉速度，由測(cè)點(diǎn)前、后兩次觀測(cè)的間隔天數(shù)之比計(jì)算。

地表移動(dòng)和變形的主要計(jì)算參數(shù)是根據(jù)最后依次全面觀測(cè)結(jié)果計(jì)算的各測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形值，以概率積分預(yù)計(jì)方法和求參程序?yàn)榛A(chǔ)，引入位移反分析理論，結(jié)合曲線擬合的方法，利用專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)程序來(lái)求取。

四、地表移動(dòng)觀測(cè)資料整理分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，可分析研究1301工作面開(kāi)采后在地表產(chǎn)生的移動(dòng)盆地的范圍、形狀、大小以及各種角值參數(shù)；地表移動(dòng)盆地某斷面上的移動(dòng)和變形分布及其特征，移動(dòng)和變形最大值的位置；工作面推進(jìn)過(guò)程中移動(dòng)和變形的發(fā)展過(guò)程及其相應(yīng)的主要參數(shù)；地表移動(dòng)過(guò)程中，地表移動(dòng)速度的變化以及與工作面的相應(yīng)關(guān)系；地表移動(dòng)各個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間以及地表移動(dòng)持續(xù)的總時(shí)間；工作面開(kāi)始回采到地表開(kāi)始下沉的時(shí)間等。

4.1地表移動(dòng)盆地概況

隨著工作面的繼續(xù)回采，地表下沉量逐漸增大，形成下沉盆地。觀測(cè)到的地表最大下沉值609mm。綜觀整個(gè)沉降過(guò)程，未有突變現(xiàn)象，地表未產(chǎn)生塌陷坑，也未觀測(cè)到裂縫。整個(gè)下沉盆地形似鍋形。

4.2地表移動(dòng)變形角值參數(shù)

依據(jù)地表下沉盆地邊界點(diǎn)的下沉為10mm的標(biāo)準(zhǔn)，確定的該工作面地質(zhì)采礦技術(shù)條件下的邊界角為59°40′。

依據(jù)一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物的臨界變形值的標(biāo)準(zhǔn)，確定的該工作面地質(zhì)采礦技術(shù)條件下的移動(dòng)角為62°59′。

將開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形觀測(cè)結(jié)果作為已知條件，利用針對(duì)我國(guó)礦區(qū)普遍采用且效果較好的巖層與地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法—概率積分法為計(jì)算模型所編制的計(jì)算機(jī)程序，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的曲線擬合，求取得到，適用于該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下充分采動(dòng)時(shí)的概率積分法計(jì)算參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.95；水平移動(dòng)系數(shù)b=0.25；主要影響正切值tgβ=1.6；應(yīng)注意q=0.95是充分采動(dòng)條件下的下沉系數(shù)，當(dāng)工作面為非充分采動(dòng)時(shí)，應(yīng)按D3/2r計(jì)算k系數(shù)，然后計(jì)算該工作面條件下的下沉系數(shù)。

同時(shí)求得，該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下充分采動(dòng)時(shí)的走向邊界角為54°43′，傾向上山邊界角為57°16′，傾向下山邊界角為55°57′。走向移動(dòng)角為59°53′，傾向上山移動(dòng)角為62°07′，傾向下山移動(dòng)角為61°06′。

為檢驗(yàn)計(jì)算參數(shù)的正確性，利用上述參數(shù)，通過(guò)調(diào)整開(kāi)采范圍，進(jìn)行的地表移動(dòng)變形計(jì)算，均與其相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果相吻合，曲線擬合精度高。說(shuō)明求得的計(jì)算參數(shù)符合實(shí)際。

4.3移動(dòng)和變形的動(dòng)態(tài)參數(shù)

通過(guò)觀測(cè)啟動(dòng)距為70m，啟動(dòng)距與采深比表示為0.12H。計(jì)算得到，1301工作面開(kāi)采后的最大超前影響距離為290m，是平均采深的0.5倍，超前影響角為63°26′左右。計(jì)算得到最大下沉速度滯后角為78°11′。

4.4地表移動(dòng)速度的變化以及與工作面的相應(yīng)關(guān)系

單層開(kāi)采時(shí)，在整個(gè)地表移動(dòng)過(guò)程中，地表任一點(diǎn)的下沉速度是有規(guī)律地變化的，開(kāi)始時(shí)很慢，逐漸增大，達(dá)到最大值，然后逐漸變小，直至最后移動(dòng)停止。在一般情況下，點(diǎn)的下沉速度的變化在時(shí)間上和空間上是連續(xù)的、漸變的。

根據(jù)計(jì)算，H19點(diǎn)具有最大下沉速度，故選取地表H19號(hào)測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，根據(jù)各次觀測(cè)得到的該測(cè)點(diǎn)的下沉值，可計(jì)算得到該測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期受1301工作面開(kāi)采影響的下沉速度，并由此繪得的地表點(diǎn)下沉速度曲線、下沉曲線及其與地下回采工作面之間的關(guān)系（圖4），以反映地表點(diǎn)的移動(dòng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。有圖中可看出，當(dāng)工作面接近測(cè)點(diǎn)下方時(shí)，測(cè)點(diǎn)的下沉速度開(kāi)始增大。當(dāng)工作面越過(guò)測(cè)點(diǎn)115m時(shí)，點(diǎn)的下沉速度達(dá)到最大，隨后逐漸減小。

五、研究結(jié)論

⑴獲得了地下開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形靜態(tài)盆地的巖移參數(shù)，適用于該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下充分采動(dòng)時(shí)的概率積分法計(jì)算參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.95；水平移動(dòng)系數(shù)b=0.25；主要影響正切值tgβ=1.6；該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下充分采動(dòng)時(shí)的走向邊界角為54°43′，傾向上山邊界角為57°16′，傾向下山邊界角為55°57′。走向移動(dòng)角為59°53′，傾向上山移動(dòng)角為62°07′，傾向下山移動(dòng)角為61°06′。

⑵通過(guò)對(duì)開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理，獲得了開(kāi)采過(guò)程中的動(dòng)態(tài)巖移參數(shù)。具體為：?jiǎn)?dòng)距以距離與采深比表示為0.12H。，最大超前影響距離是平均采深的0.5倍，超前影響角為63°26′，回采工作面引起的地表測(cè)點(diǎn)的最大下沉速度為11mm/d，最大下沉速度滯后距為115m，約為平均開(kāi)采深度的0.19倍，最大下沉速度滯后角為78°11′。

⑶1301工作面開(kāi)采影響，地表移動(dòng)變形歷時(shí)16個(gè)月，未有突變現(xiàn)象，地表未產(chǎn)生塌陷坑，也未觀測(cè)到裂縫，整個(gè)下沉盆地像鍋形。

參考文獻(xiàn)

[1] 王進(jìn)，許娟.土體參數(shù)對(duì)地表沉降影響的數(shù)值模擬分析【J】.蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012年6月.

作者簡(jiǎn)介

王中山（1978—），男，山東鄆城人，碩士學(xué)位畢業(yè)，工程師，現(xiàn)任山東能源臨礦集團(tuán)菏澤煤電公司彭莊煤礦掘進(jìn)一區(qū)區(qū)長(zhǎng)。