鴻興煤礦29106 工作面開采地表沉降量觀測研究

李鵬

（六盤水市應(yīng)急管理局，貴州 六盤水 553000）

煤礦開采過程中伴隨著巖層移動(dòng)和變形，造成了地表一定程度的沉陷。掌握地表移動(dòng)的規(guī)律對(duì)于防治地表沉陷具有重要的意義。為了保護(hù)地表上的建筑物、水體和鐵路等設(shè)施的安全，必須要合理地設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱，這就需要用到地表移動(dòng)的一些參數(shù)。為了研究和掌握山西古縣西山鴻興煤業(yè)有限公司29106 回采工作面開采引起的地表移動(dòng)變形基本規(guī)律，獲取該礦區(qū)內(nèi)鐵路、公路、水體以及工業(yè)民用建筑物保護(hù)煤柱留設(shè)參數(shù)，指導(dǎo)各種受護(hù)對(duì)象的保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)，于2018 年12 月至2021 年6 月，在29106 工作面上方地表設(shè)計(jì)建立剖面線形式的開采沉陷觀測站，通過監(jiān)測其變形破壞，研究鴻興煤礦采煤引起的地表沉降數(shù)值。

1 概 況

山西古縣西山鴻興煤業(yè)有限公司井田位于古縣北平鎮(zhèn)上、下寶豐村一帶，井田呈一不規(guī)則多邊形，南北寬3.58 km，東西長3.915 km，面積為6.543 4 km2。井田南距古縣縣城約65 km，西南距洪洞發(fā)煤站約97 km，內(nèi)有土石路與縣級(jí)公路相通，至北平鎮(zhèn)可與323 省道相接，交通運(yùn)輸條件便利。

鴻興煤業(yè)29106 回采工作面地面位于該礦區(qū)西南部，工作面總體為一單斜構(gòu)造，煤層傾角為2°～6°。回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽各存在2 處褶曲，褶曲傾角均小于5°，對(duì)工作面回采影響不大。斷層較少，除F40、F42 斷層，其余規(guī)模一般不大。發(fā)育有陷落柱。根據(jù)回采工作面坑透、物探成果資料顯示，該工作面同層存在3 處物探高阻異常區(qū)、4處物探低阻異常區(qū)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證均為正常煤層，暫未發(fā)現(xiàn)隱伏陷落柱情況。臨近軌道巷、運(yùn)輸、回風(fēng)順槽等頂板為K2 灰?guī)r，堅(jiān)硬，存在裂隙較少，推測該面頂板節(jié)理不發(fā)育（間距在1 m 以上），按面裂隙率分類屬弱裂隙性，但頂板易破碎。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。井田構(gòu)造屬于簡單類型。

29106 工作面采用走向壁綜采放頂煤方法，全部垮落法管理頂板。在煤層開采過程中，相鄰工作面的采動(dòng)情況對(duì)其影響較大，不可忽略，其往往導(dǎo)致下沉值偏大，或者盆地中心偏移等，也可能使給采動(dòng)帶來一些突發(fā)事件和造成采動(dòng)移動(dòng)過程參數(shù)變化等。29106 工作面東北為礦井9 號(hào)煤集中軌道巷；東南為實(shí)體煤區(qū)域，未進(jìn)行過開采；其它區(qū)域?yàn)榈V井保安煤柱。工作面四鄰無采空區(qū)、小窯破壞區(qū)、煤層露頭等。9 號(hào)煤上覆3 號(hào)煤層為小窯采空區(qū)，層間距平均76.6 m，如圖1 所示。

圖1 29106 工作面位置示意Fig.1 The location of No.29106 Face

2 地表觀測站的布置

2.1 觀測站設(shè)置

地表移動(dòng)觀測站設(shè)計(jì)所用的開采沉陷參數(shù)有走向移動(dòng)角δ、傾向下山移動(dòng)角β、傾向上山移動(dòng)角γ，移動(dòng)角修正值△δ、△β、△γ 及最大下沉角θ 等。

地表移動(dòng)觀測站設(shè)計(jì)時(shí)所用到的開采沉陷參數(shù)，結(jié)合晉城礦區(qū)各礦地表開采沉陷實(shí)際觀測資料確定，尤其是29106 開采時(shí)地表的觀測資料。

地表移動(dòng)觀測站設(shè)計(jì)的開采沉陷參數(shù)取值如下：①基巖移動(dòng)角（走向δ，傾向上山γ，傾向下山β），其中δ=72°，γ=72°，β=68°；②表土層移動(dòng)角φ=45°；③移動(dòng)角修正值（走向△δ，傾向上 山△γ， 傾 向 下 山△β）， 其 中△γ=20° 、△β=17°、△δ=20°；④煤層傾角α=4°最大下沉角θ=84.4°；⑤走向充分采動(dòng)角φ3=19°。

根據(jù)實(shí)地考察和分析研究，并參照結(jié)合晉城礦區(qū)各礦地表開采沉陷實(shí)際觀測資料，設(shè)置29106 工作面的觀測站。各觀測線的總長度和點(diǎn)數(shù)見表1，觀測站的具體位置如圖2 所示。

表1 觀測線長度和點(diǎn)數(shù)Table 1 Observation line length and points

圖2 29106 工作面地表觀測站布設(shè)Fig.2 The surface observation station layout of No.29106 Face

如圖2 所示，觀測站布設(shè)為2 條觀測線，每條觀測線一端設(shè)置1 組控制點(diǎn)，控制點(diǎn)距離采空區(qū)邊界的水平距離都大于0.7 H（H 為開采深度）。

2.2 實(shí)際測點(diǎn)構(gòu)造及埋設(shè)

工作測點(diǎn)間距離為20 m。觀測站的控制點(diǎn)和工作測點(diǎn)采用混凝土灌注埋設(shè)。測點(diǎn)規(guī)格和埋設(shè)要求如圖3 所示。

圖3 測點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)志示意Fig.3 The design symbol of measuring point

在進(jìn)行灌埋時(shí)，首先，在標(biāo)記的位置挖1 個(gè)深度不小于0.6 m 的深坑，坑的尺寸取決標(biāo)記的大小，通常是直徑0.2～0.3 m 的圓；然后，將預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)混凝土樁埋入到坑內(nèi)，并將坑周圍用混凝土填實(shí)。在進(jìn)行測量時(shí)，以混凝土樁的中心點(diǎn)作為觀測的標(biāo)志點(diǎn)。根據(jù)地形情況測點(diǎn)也可以采用木樁，木樁長50 cm，直徑5 cm，木樁上釘上小鋼釘，小鋼釘長3 cm，直徑2 mm。

3 觀測內(nèi)容及方法

地表移動(dòng)觀測站建立后，要分別進(jìn)行與觀測礦區(qū)控制網(wǎng)連測、全面觀測等測量工作，由于受地形影響，使用的儀器及測量內(nèi)容見表2。

表2 地表變形觀測站所使用的儀器及測量內(nèi)容Table 2 The instruments and measurement contents used in surface deformation observation station

地表移動(dòng)觀測站建立后即要進(jìn)行觀測，在開采過程中不同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不同的觀測內(nèi)容，觀測時(shí)間和次數(shù)可按采動(dòng)前、移動(dòng)初始期、移動(dòng)活躍期和移動(dòng)衰退期階段安排，具體見表3，如工作面推進(jìn)有變化，應(yīng)按實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

表3 地表移動(dòng)觀測站觀測時(shí)間及觀測內(nèi)容Table 3 The observation time and observation content of surface movement observation station

觀測數(shù)據(jù)的處理步驟如下。

（1） 觀測成果的檢查和計(jì)算。每次觀測后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查。如發(fā)現(xiàn)粗差或超限，應(yīng)及時(shí)重測，直至全部觀測數(shù)據(jù)符合要求為止。各點(diǎn)高程計(jì)算時(shí)先進(jìn)行平差，然后計(jì)算高程，并將所得的各點(diǎn)的高程填入綜合計(jì)算表中。各點(diǎn)間沿觀測線方向的水平距離由實(shí)測數(shù)據(jù)加入各種距離改正后求得。

（2） 各觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算。開采沉陷觀測站的所有控制點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)，每次外業(yè)觀測完成后，其點(diǎn)位坐標(biāo)及高程運(yùn)用測量平差軟件進(jìn)行計(jì)算，檢查其計(jì)算精度符合技術(shù)規(guī)范要求。經(jīng)平差計(jì)算得出各監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，H）。

（3） 觀測資料整理的主要目的是求得各測點(diǎn)的下沉變形，可由2 次不同的水準(zhǔn)測量或三角高程測量的高程差來計(jì)算。

（4） 地表點(diǎn)移動(dòng)變形計(jì)算。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過整理改正后，便可計(jì)算觀測線上各測點(diǎn)和各測點(diǎn)間和沿測線方向的變形。

m次觀測時(shí)n 點(diǎn)的下沉可用下式計(jì)算：

式中：Wn為地表點(diǎn)的下沉值；Hn0和Hnm分別為地表n 點(diǎn)在首次和m 次觀測時(shí)的高程。

4 觀測結(jié)果分析

29106 工作面地表下沉規(guī)律曲線如圖4 所示。

圖4 下沉曲線Fig.4 The sinking curve

由圖4（a） 可以看出，走向觀測Z 線最低點(diǎn)地面標(biāo)高為1 204.775 m，最高點(diǎn)地面標(biāo)高為1 386.836 m，最大相對(duì)高差182.061 m，相比觀測線長度，其地勢起伏相較大。隨著工作面的推進(jìn)，地表下沉逐漸增大，到第8 次觀測地表最大下沉在Z39 處達(dá)到2 112 mm，在第8 次觀測范圍內(nèi)出現(xiàn)了基本穩(wěn)定平底，說明走向方向達(dá)到充分采動(dòng)，整體曲線規(guī)律性較好。

由圖4（b） 分析及觀測數(shù)據(jù)計(jì)算可知，傾向觀測Q 線最低點(diǎn)地面標(biāo)高為1 229.481 m，最高點(diǎn)地面標(biāo)高為1 357.417 m，最大相對(duì)高差127.936 m，相比觀測線長度，其地勢起伏相較小。大部分在采空區(qū)范圍內(nèi)沉陷值最大，到第五次觀測地表最大下沉在Q17 處達(dá)到1 222 mm，整體曲線規(guī)律性較好。

選擇29106 觀測站觀測資料較為完整且有代表性的位于觀測Z 線Z39 號(hào)測點(diǎn)作為下沉速度計(jì)算點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果見表4。按表4 計(jì)算結(jié)果制作該點(diǎn)的下沉速度和下沉過程曲線，如圖5 所示。

表4 29106 觀測站Z 線Z39 號(hào)測點(diǎn)下沉速度計(jì)算Table 4 Calculation of sinking velocity of Z39 measuring point on Z line of No.29106 observation station

圖5 觀測Z 線Z39 號(hào)點(diǎn)的下沉速度及下沉曲線Fig.5 The sinking velocity and sinking curve of observation Z line Z39 point

由圖4 觀測Z 線Z39 號(hào)點(diǎn)的下沉速度及下沉曲線圖分析可得，從2019 年2 月開始回采20106工作面，從此時(shí)開始計(jì)入下沉開始階段，地表移動(dòng)下沉量主要集中在活躍期，衰退期還未結(jié)束。

移動(dòng)初始期（TC） 為地表點(diǎn)開始下沉至下沉速度50 mm/月（1.67 mm/d），TC=14 d；移動(dòng)活躍期（Th） 為地表點(diǎn)下沉速度大于等于50 mm/月（1.67 mm/d），Th=330 d；移動(dòng)衰退期（TS） 為地表點(diǎn)連續(xù)6 個(gè)月下沉量小于50 mm/月（1.67 mm/d） 且下沉累計(jì)不超過30 mm 時(shí)止的階段，TS=466 d；移動(dòng)總延續(xù)時(shí)間（TZ） 為810 d。

Z39 號(hào)點(diǎn)最大下沉速度發(fā)生在2019 年6 月和2019 年10 月，在此期間該點(diǎn)平均最大下沉速度為12.591 7 mm/d。按Z39 號(hào)點(diǎn)求取的最大下沉速度Vm=89.272 7 mm/，Z39 號(hào)點(diǎn)在移動(dòng)期內(nèi)的最大下沉值Wm=2 112 mm，Z39 號(hào)點(diǎn)的采深H=275 m，該工作面總共長740 m，共計(jì)開采900 d，由此求得下沉速度系數(shù)為1.996。

5 結(jié) 語

通過建立的29106 工作面的走向和傾向觀測站，獲得了回采期間的巖層移動(dòng)規(guī)律。觀測結(jié)果表明，地表的下沉值較大，且?guī)r層運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長，這對(duì)于地表建筑物十分不利。為此，在開采過程中，必需要做好地面采動(dòng)區(qū)設(shè)施的保護(hù)工作。