忻州窯礦8308工作面巖移變化測量規律研究

胡曉燕，陳建華

（大同煤礦集團公司，山西大同037003）

1 概況

忻州窯礦位于大同煤田東北端，現開采侏羅系14-3#煤層，礦井通風系統合理、穩定、可靠。礦井水文地質類型中等，高瓦斯礦井。

1.1 工作面基本情況

井田內為中山丘陵黃土地貌景觀，地形較復雜，黃土梁及“V”字溝谷發育，地勢大致為北西高，南東低。井田內無大的地表水體。

8308 工作面對應地面位置為礦井東部，地面為黃土溝谷及山梁，煤層埋藏深度301～336m 左右。地表最高點位于井田西北區域地面三角點，高程1336.93m，最低點位于井田東南小溝谷內，高程1132.8m，相對高差204.13m，地形較為復雜。

1.2 開采煤層及煤層

8308 工作面地面標高在1195～1229m 之間，工作面標高在 890～906m 之間。8308（I）工作面走向長230m，工作面傾向寬131.3m，煤層厚度在0.8～5.85m，平均厚度為4.11m。8308（II）工作面走向長819.6m，工作面傾向寬131.3m，煤層厚度在0.8～5.85m，平均厚度為4.40m。煤層傾角平均為3°。平均開采深度為318m。

1.3 開采條件

設站工作面8308工作面采用長壁后退式一次采全高，頂板管理為自動垮落及強制放頂，相關開采技術參數見表1。

2 地表變形觀測站布置

2.1 地表變形觀測站布置

（1）地表移動變形觀測站設計采用剖面線觀測站，設計走向觀測線一條和傾向觀測線兩條。

（2）為準確獲取地表移動變形的規律，地表移動觀測線設計布置在地表移動變形主斷面上。觀測線方向布置成與工作面邊界垂直。

（3）為便于設點和觀測，觀測線選在地形較為平坦地區，避開沖溝和陡崖。

（4）考慮到工作面回采時間及項目的完成時間，綜合地形條件為便于進行觀測，設計開采沉陷觀測線布置工作面中間，分為走向觀測線A 線和傾向觀測線B線、C線。

2.2 觀測站設計時所用到開采沉陷參數

地表移動觀測站設計所用的開采沉陷參數有：走向充分采動角ψ3、傾向上山充分采動角ψ2、傾向下山充分采動角ψ1，走向移動角δ、傾向下山移動角β、傾向上山移動角γ，移動角修正值Δδ、Δβ、Δγ及最大下沉角θ等。

地表移動觀測站設計的開采沉陷參數取值如下：

（1）基巖移動角（走向δ，傾向上山γ，傾向下山β）：

δ=72°

表1 設站工作面開采技術參數表

γ=72°

β=δ-0.7α=72°-0.7×3°=70°

（2）表土層移動角：

φ=45°

（3）移動角修正值（走向 Δδ，傾向上山 Δγ，傾向下山Δβ）：

Δδ=Δγ=20°

Δβ=18°

（4）充分采動角：

ψ3=61°

（5）最大下沉角：

θ=90°-0.7α=88°

2.3 觀測線的位置及長度、測點及控制點的數目的確定

8308工作面布置了兩條傾向觀測線和一條走向觀測線。

每條觀測線長度等于觀測站長度再加上控制段長度。各觀測線邊界段長度考慮綜合移動角按下式計算：

L=Htan 50°

式中：H——工作面邊界開采深度，m。

2.4 測點的構造及埋設方法

觀測站的各條觀測線，每條觀測線兩端各設置一組（2個）固定點（如條件不具備，也可在一端設置一組3個固定點），固定點間距離為50m；固定點距采空區邊界的水平距離應大于0.7H（H為開采深度）。觀測點布置在兩組固定點之間。

在黃土層覆蓋較厚的地區采用長為0.6m 以上的螺紋鋼釬底部焊接10cm×10cm 鋼板底座，埋入地下后澆灌水泥砂漿作為監測點，螺紋鋼釬頂部鋸“十”字作為標志，標樁側面或頂端用紅油漆標出觀測點點名。

2.5 測點數目及其密度

根據開采實際采深，選用地表移動觀測站點間距為25m。在觀測線工作長度以外設置觀測站控制點。在觀測站存在期間，以控制點的空間位置(x、y、z)作為觀測站的起算數據，因此必須保證其堅固、穩定。為了保證觀測資料的準確，必要時應對控制點的穩定性定期進行檢測。控制點應埋沒在觀測線的兩端，每端不少于兩個，如因地形、地物等條件的限制，只能在觀測線一端設控制點時，控制點不得少于3個。工作測點的外端點至控制點的距離及控制點間的距離為50m。

3 觀測內容及方法

3.1 觀測所使用的儀器及精度

地表移動觀測站建立后，要分別進行與觀測礦區控制網連測和全面觀測工作，本次設計測量工作采用GPS靜態測量方法，利用多臺套雙頻GPS接收機進行測量工作，經測量軟件解算，獲取各觀測點的三維坐標。

3.2 地表移動觀測站觀測內容及時間安排

地表移動觀測站建立后即要進行觀測，在開采過程中不同的時間內進行不同的觀測內容，觀測時間和次數可按采動前、移動初始期、移動活躍期和移動衰退期四階段安排，具體見表2。

3.3 地表移動觀測站連測、觀測的方法及要求的精度

地表移動觀測的基本內容是：在采動過程中用常規全站儀方法和GPS測量的方法，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的變化。地表移動觀測站的觀測工作分為：觀測站的連接測量、全面觀測、單獨進行的水準巡視測量、地表破壞的測定和編錄。

表2 巖移觀測表

3.3.1 連接測量

在觀測站地區被采動之前，為了確定觀測站與開采工作面之間的相互位置關系，應在觀測站的某一個控制點與礦區控制網之間進行測量，以確定這個控制點的平面位置和高程，然后再根據它來測定其余的控制點和工作測點的平面位置。采用GPS 進行觀測，用不少于五臺套的靜態GPS 接收機進行靜態測量，按規程規定的E級網精度標準進行施測。

3.3.2 全面觀測

為了準確地確定工作測點在地表移動開始前的空間位置，在與礦區控制網連測后、地表開始移動之前，對地表觀測站的全部測點獨立進行兩次全面觀測，兩次觀測的時間間隔不超過5d。獨立進行的兩次全面觀測，兩次測得的同一點高程差不大于10mm、同一邊的長度差不大于4mm時，取平均值作為觀測站的原始觀測(又稱初次觀測)數據。同時，按實測數據將各測點展繪到觀測站設計平面圖上。

在地表穩定后，要進行最后一次全面觀測，地表移動穩定的標志是：連續6個月觀測地表各點的累計下沉值均小于30mm。

3.3.3 日常觀測工作

日常觀測工作，指的是首次和末次全面觀測之間適當增加的全面測量工作，為判定地表是否已開始移動，在回采工作面推進一定距離(相當于0.2～0.5 平均開采深度H0)后，在預計可能首先移動的地區，選擇幾個工作測點，每隔幾天用DS3型進行一次水準測量，按等外水準測量要求進行，如果發現測點的累計下沉量大于10mm時，即認為地表已經開始移動。

4 成果

4.1 地表移動變形觀測及變形規律研究

觀測站地處山區，地形條件復雜，觀測難度較大，在工作面中布設了三條觀測線，共進行了20 次觀測，8308 回采工作面受地質條件限制下沉變化情況復雜，但取得了較好的觀測成果。

針對走向和傾向三條觀測線的靜態及動態觀測成果，對隨工作面推進過程中的地表移動變形規律進行分析，基本掌握了忻州窯礦開采14-3#煤層的地表動態及靜態變形規律。

4.2 實測地表移動變形參數

通過觀測數據分析研究，分析研究了忻州窯礦開采14-3#煤層的地表動態及靜態變形參數。

（1）實測地表移動變形最大值。實測地表移動變形最大值如表3所示。

（2）地表移動變形角量參數。依據忻州窯礦8308回采工作面地表移動觀測站實測數據求取的山區移動范圍角量參數和模擬求取的觀測條件下移動范圍角量參數如表4所示，地表最大下沉角值如表5所示。

表3 地表移動變形最大值

（3）移動變形過程參數。根據忻州窯礦8308 工作面地表下沉觀測站實測資料分析可知本觀測條件下求取的地表移動過程參數如表6所示。

最大下沉速度可按如下經驗計算公式估算：

表4 移動范圍角量參數

表5 地表最大下沉角值

式中：Wmax——移動期內的最大下沉值；

H——開采深度；

C——工作面的平均推進速度；

KV——系數，KV=1.29。

（4）概率積分法地表移動變形預計參數。根據8308 回采工作面實測資料，利用概率積分法模擬求參得到的最佳預計參數值如下。

表6 地表移動過程參數表

下沉系數：q=0.8

水平移動系數：b=0.17

主要影響角正切：tanβ=1.5

開采影響傳播角：θ= 75°

拐點偏移距：Si=0.03·Hi

4.3 項目主要成果及研究意義

對忻州窯礦8308 工作面對應地面布設觀測站，通過歷時兩年的20 次的外業觀測，獲取了一套較完整的沉陷觀測成果數據，為準確獲取沉陷規律及參數提供了數據準備。同時，結合忻州窯礦14-3#煤層特征及8308 工作面采礦地質條件，分析總結了忻州窯礦開采14-3#煤層的地表移動變形特點及靜態和動態變形分布規律。通過研究獲取了移動穩定后地表移動變形的分布及其主要參數：移動角、邊界角、最大下沉角、超前影響角、超前影響距、滯后角及滯后距和地表最大下沉速度等。

通過巖移觀測分析，為礦區解決開采損害問題及保護煤柱留設提供了技術參數，通過模擬分析對照實測結果，求取了概率積分法預計參數，并針對回采工作面進行了整體預計，預計結果也證明模擬參數的準確性和可靠性。