晉城礦區(qū)分層開采地表移動實測規(guī)律研究

趙軍偉

(晉能控股煤業(yè)集團 晉城煤炭事業(yè)部地質(zhì)測量部，山西 晉城 048000)

重復(fù)開采是礦區(qū)較常見的生產(chǎn)方式，大量專家學(xué)者研究了其地表和巖層移動規(guī)律，取得了豐富成果。康新亮等[1]以鎮(zhèn)城底礦南六采區(qū)下組煤首采工作面為例，通過設(shè)立地表移動觀測站，得到觀測站所在的28620 工作面重復(fù)采動的地表移動變形主要參數(shù)與規(guī)律。胡青峰等[2]以塔山煤礦8103和8104工作面的地質(zhì)采礦條件為工程背景，分析了兩煤層重復(fù)開采時覆巖沉陷規(guī)律、離層發(fā)育規(guī)律、煤柱群垮塌規(guī)律以及地表塌陷規(guī)律，揭示了該地質(zhì)采礦條件下覆巖與地表沉陷機理。孫世國等[3]以馬城鐵礦為工程背景，采用有限元軟件建立數(shù)值模型，研究多次重復(fù)開采影響下的覆巖移動規(guī)律及地表破壞范圍。夏景超[4]研究了多次重復(fù)開采對巷道安全的影響及其控制措施。張阿鵬等[5]研究了重復(fù)開采下傾斜礦體覆巖非對稱移動規(guī)律。葉永芳等[6]研究了巨厚覆巖下礦產(chǎn)重復(fù)開采地表沉陷預(yù)測及其控制技術(shù)。張廣漢[7]研究了朱集東礦1111工作面重復(fù)采動地表觀測數(shù)據(jù)，獲得了地表移動規(guī)律。郭強[8]以陳家溝煤礦厚煤層分層綜放開采為基礎(chǔ)，應(yīng)用FLAC數(shù)值模擬，分析了多區(qū)段分層錯距下行式開采和區(qū)段分層下行式開采兩種開采順序的地表移動變形，并提出了地表沉陷災(zāi)害特征及防治措施。趙萬庫[9]分析了韓城礦區(qū)觀測資料，分析對比了重復(fù)采動和初采的地表移動參數(shù)，獲得了該礦區(qū)重復(fù)采動地表移動規(guī)律。周縱橫[10]、劉振國[11]、王偉[12]以山區(qū)煤礦為背景，分析了重復(fù)采動條件下地表移動監(jiān)測，規(guī)律等，取得了較好效果。

采用分層重復(fù)開采可以減小地表動態(tài)變形量，對地表構(gòu)建筑保護有較好的效果，但國內(nèi)相關(guān)研究較少。長期以來，晉城礦區(qū)也沒有開展分層重復(fù)開采條件下地表移動實測研究，導(dǎo)致該工況條件下，地表移動規(guī)律不清楚，無法精準(zhǔn)指導(dǎo)“三下”采煤生產(chǎn)。為了進一步獲得分層重復(fù)采動條件下地表移動實測規(guī)律，本研究建立了地表移動觀測站，得到了豐富的地表移動規(guī)律。

1 地表移動觀測站設(shè)計與觀測

坪上井田位于沁水盆地南緣，太行山南端西側(cè)，地貌劃屬為侵蝕山地，以低山丘陵為主，溝谷發(fā)育，地形高低起伏不平，山頂多為黃土覆蓋，溝谷內(nèi)基巖裸露。開采二疊系下統(tǒng)山西組3號煤。2301工作面標(biāo)高252～290 m。工作面走向(南北)長度1 020.56 m、傾向(東西)長度157.76 m、煤厚5 m，采用分層開采，上、下分層分別開采2.5 m。地表移動觀測站位于開切眼一側(cè)，根據(jù)實際地形和主斷面位置布設(shè)，具體布設(shè)情況見圖1。

圖1 地表移動觀測站布設(shè)平面圖

上下分層開采時，為了保證前后數(shù)據(jù)的連續(xù)性，觀測點號保持一致。上分層于2015年5月到2016年7月開采，下分層于2018年7月到2019年9月開采，觀測時段與開采同期。

2 觀測數(shù)據(jù)分析

觀測區(qū)域局部地形起伏較大，在地形平坦的區(qū)域采用水準(zhǔn)測量，在山腰、陡坡等區(qū)域采用RTK測量，共采集33期數(shù)據(jù)。

1) 下沉曲線分析。分別將上下分層采前點位高程作為基準(zhǔn)，后期變化作為指標(biāo)，獲得觀測站下沉曲線，列舉具有代表性的5期下沉曲線，見圖2。

圖2 上、下分層開采下沉曲線圖

由圖2可知，上、下分層開采后形成的下沉曲線形態(tài)接近，但下沉值有較大變化。走向上、下分層開采最大下沉值分別為1 096 mm，1 771 mm。傾向上、下分層開采最大下沉值分別為778 mm，1 533 mm。重復(fù)采動比初采下沉值有大幅提高，提升值分別為走向675 mm，傾向為755 mm。分析其主要原因為，初采后巖層中存在大量空隙，在重復(fù)采動后閉合，導(dǎo)致地表沉降加劇。

2) 巖層移動角量參數(shù)分析。為了量化采動巖層移動范圍，求解邊界角、移動角。邊界角確定了巖層移動的最外移動邊界，移動角確定了巖層的危險移動邊界。圖3為上、下分層開采后，通過測點位置解算的邊界角和移動角。

圖3 上、下分層巖層移動角量參數(shù)分布圖

從觀測線斷面圖中分析，得到上、下分層開采后的巖層移動角量參數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 巖層移動角量參數(shù) 單位：°

表1中，γ0為上山方向邊界角；γ為上山方向移動角；β0為下山方向邊界角；β為下山方向移動角；δ0為走向邊界角；δ為走向移動角。表中數(shù)據(jù)表明，下分層重復(fù)開采后，角量值均增大，地表移動范圍縮小。

3) 地表動態(tài)移動規(guī)律分析。地表某一點的下沉速度計算公式如下：

(1)

式中：wm+1為第m+1次測得的n號點的下沉量，mm；wm為第m次測得的n號點的下沉量，mm；t為兩次觀測的時間間隔；Hm+1為第m+1次測得的n號點的高程，mm；Hm為第m次測得的n號點的高程，mm。

在采動過程中，地表各點的下沉速度并不相等。將地表沿某一方向上各點的下沉速度繪制成曲線，稱為下沉速度曲線，列舉地表移動較活躍的5期下沉速度曲線圖，見圖4。

圖4 上、下分層開采地表下沉速度分析圖

從圖4可得到各個測點在不同觀測時期的下沉速度。通過對比可知，上分層開采走向最大下沉速度為40 mm/d，傾向為30 mm/d；下分層開采走向最大下沉速度為82 mm/d，傾向最大下沉速度62 mm/d，下層重復(fù)采動的最大下沉速度為上層采動的2倍。

4) 開采沉陷預(yù)計參數(shù)對比分析。通過最小二乘擬合法，求取了上、下分層開采概率積分法預(yù)計參數(shù)，見表2。

表2 概率積分法預(yù)計參數(shù)

表2中，q為下沉系數(shù)；θ為開采影響傳播角；α為煤層傾角；tanβ為主要影響角正切；S為拐點偏移距；b為水平移動系數(shù)；H0為平均開采深度。下分層重復(fù)開采后，下沉系數(shù)與主要影響角正切顯著增加，分別為上層開采的1.28與1.37倍。

3 分層重復(fù)開采地表移動機理分析

移動變形值增大的原因是巖層受到上分層初次采動后在垮落帶和裂縫帶內(nèi)有許多空隙，這些空隙在重復(fù)采動作用下，有一部分轉(zhuǎn)化為地表下沉。所以，把初次采動后巖體內(nèi)的這些空隙稱為“潛在下沉”。在重復(fù)采動作用下，這種“潛在下沉”被重新“活化”而下沉，從而加劇了巖層和地表移動與變形。

4 結(jié) 語

本文從實測角度，詳實地研究了分層重復(fù)采動條件下的地表移動規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1) 分層重復(fù)開采工況下，上層初采地表下沉值小于下層復(fù)采地表下沉值，相同采厚情況下，復(fù)采下沉值提升量約為分層采厚的0.28倍。

2) 復(fù)采后，巖層移動邊界角與移動角均增大，地表移動范圍縮小。主要原因是復(fù)采時巖層移動更容易發(fā)生在初采造成的破碎巖體中，且?guī)r層移動范圍沒有增加。

3) 初采造成的破碎巖體在復(fù)采作用下更容易垮落下沉，復(fù)采最大下沉速度約為初采的2倍。復(fù)采后概率積分法預(yù)計參數(shù)中的下沉系數(shù)和主要影響角正切約為初采的1.28與1.37倍。

本文獲得的參數(shù)和規(guī)律可對類似地質(zhì)采礦條件提供技術(shù)支持。