新建礦井地表移動變形規律研究

李 濤

煤礦開采會造成地表不同程度的破壞,對開采多年的礦井,已經掌握了地表移動的主要規律,比如地表移動角、地表移動過程等[1-5]。地表移動變形規律對于合理安全的組織生產有著重要的意義。新建礦井則缺少地表移動變形規律,建立首采面地表移動觀測站是必要的,并通過分析觀測站的數據,得到工作面開采過程中對地表造成的移動變形規律。本文以某礦首采面地表移動觀測數據為基礎,分析本礦的地表移動變形規律。

1 地質采礦條件

某礦地表為黃土覆蓋的丘陵地貌,海拔1 058.3 m～1 110.9 m,南北略高,中部略低,地勢平緩。但東西兩側有寬50 m～200 m的沖溝,深20 m～40 m。區內均為旱作梯田或坡地,種植玉米等農作物。E310101工作面開采二疊系(P)下統山西組(P1S)3號煤層。其上覆巖層由下而上為二疊系下統下石盒子組(P1X)、上統上石盒子組(P2S)、第三系上新統(N2)和第四系(Q)。其中 P1X和P2S多為雜色砂巖、泥巖和砂質泥,綜合巖性為中硬。N2和Q主要為黏土、亞黏土以及砂礫石夾層等松散層。

E310101工作面開采的 3號煤層埋深為518 m～604 m,平均為560 m。煤層厚度為1.7 m～2.9 m,平均約為2.64 m。其中南部觀測站下方煤層埋藏深度約為550 m～600 m,平均為567 m。開采過程中現場量測表明,觀測站下方煤層平均開采厚度為2.55 m,加上其高嶺石泥巖偽頂平均厚0.25 m,隨采隨落,故其平均采出高度為2.8 m。

E310101工作面3號煤層走向由北至南的北偏西105°轉為北偏西35°,傾角一般在 10°以下,其中南部觀測站下方煤層走向變化較大,傾角2°～6°,總體呈近水平狀態。開采過程中觀測站下方未見不良地質構造,僅在工作面北部距開切眼1 238 m處發現一個陷落柱,范圍為36 m×42 m,對觀測成果無影響。

E310101工作面3號煤層老頂為細～中粒砂巖,厚2.54 m,垮落步距為32 m～35 m。直接頂為砂質泥巖,易破碎。偽頂厚0.25 m,隨采隨落。底板為2.9 m砂質泥巖,較為穩定。

2 觀測站設計及數據分析

2.1 觀測站設計

E310101觀測站于2007年3月設置。按設計要求共設置南北四條觀測線。其中垂直于開切眼方向的南線(S)沿工作面推進方向布置。共 29個點(含S3,S4,S6,S8～S33),全長 749.889 m,平均點間平距為26.782 m;在南線同一延長線方向布置在工作面中央部位的北線(N)共7個點(含 O,N1～N6),全長 147.716 m,平均點間平距為24.619 m。西線(W)和東線(E)均從O點起垂直于工作面進、回風巷(工作面推進方向)方向布置(南距開切眼約450 m)。其中西線共23點(W1～W23),全長574.703 m,平均點間平距24.987 m;東線亦為23點(E1～E23,未含 O點),全長573.541 m,平均點間平距24.937 m。以上觀測站四條觀測線總點數為82個。總水平長度為2 045.849 m。

觀測點采用混凝土預制標石,高0.7 m,埋深0.6 m,標心用φ 15 mm 圓鋼中心刻“+”字標定。

2.2 觀測站數據分析

1)本觀測站的高程觀測精度較好,因而下沉和傾斜等垂直移動變形值精度較高。由于觀測站所處地區的凍土深度較大,觀測點標樁埋設深度未達凍土層以下,受凍融影響,測點可能產生附加沉陷,致使W—E線沉陷盆地外邊緣各測點普遍出現20 mm～30 mm的下沉,無法求取移動邊界角;S線外邊緣低洼部位冬季發生冰凍,地表出現長達200 m范圍的上升,最大上升值達176 mm(2008年3月14日S25號點),致使地表移動范圍異常擴大。此外,由于測點的人為移動或丟失,也為觀測資料的分析帶來一定困難。

2)本觀測站的距離測量精度不高,致使水平移動和水平變形計算精度不好,規律性很差。例如2007年5月14日～21日第二次觀測位于移動外邊緣的W14和W15號測點的下沉值很小,分別為25.1 mm和16.2 mm,而兩點間的平距卻增加了58 mm,使得兩點間的水平變形達到+2.32 mm/m。又如2008年3月13日第8次觀測位于移動外邊緣區的E16,E17和E18號測點的下沉值分別為41 mm,36.8 mm和34.2 mm,而其間的水平距離卻分別增加87 mm和83 mm,使得點間的水平變形分別達到+3.78 mm/m和3.38 mm/m,遠遠超出了臨界變形量值;且更外邊緣的E20和E21點的下沉值只有30 mm左右,而其間的水平距離卻增加了109 mm,使點間的水平拉伸變形達到+4.54 mm/m,顯然存在很大的疑問。

3)本觀測站下方煤層平均開采深度達570 m,平均開采厚度為2.8 m,開采深厚比為203,屬大深厚比非充分開采。由實測和模擬移動變形值分析可知,在本開采條件下,實測曲率變形最大正值為 0.14×10-3/m,最大負值(僅有一個)為-0.2×10-3/m;即地表曲率變形基本上都小于一般磚混結構建筑物的臨界變形值,因而在建筑物保護方面可以忽略曲率變形的影響。

本觀測條件下實測傾斜最大值為9.4 mm/m,達到建筑物三級嚴重破壞值。實測水平變形最大正值為6.2 mm/m,最大負值為-9.1 mm/m,達到建筑物三級～四級嚴重破壞量值,因此本觀測條件引起地表破壞性變形的主要因素是水平變形和傾斜。

4)根據本觀測站求取的地表移動角量參數分析,本觀測條件下平坦地區的地表和基巖移動角建議采用如下量值:

a.地表綜合移動角:

走向移動角(δ′)和上山移動角 γ′:δ′=γ′=73°。

下山移動角(β′):β′=δ′-0.6α。

b.基巖移動角:

走向和上山移動角(δ,γ):δ=γ=75°。

下山移動角(β):β=δ-0.6α。

其中,α為煤層傾角。

如果地面地形不平坦,低洼部位可能產生附加上升,導致移動盆地邊界擴大,地表綜合移動角比平地可減小8°～13°。

5)根據觀測資料綜合分析,本觀測站求取的地表移動過程參數如下:

a.地表沉陷起動距:d0=0.15H0;

b.最大下沉速度滯后角:φ=76°;

d.地表移動延續期:

移動初始期:Tc=8 d,占總延續的1.3%;

移動活躍期:Th=235 d,占總延續的37.5%;

移動衰退期:Ts=296 d,占總延續的61.2%;

移動總延續期:Tz=Tc+Th+Ts=626 d;

或:Tz=1.1H0。

其中,H0為平均采深,m;C為工作面推進速度,m/d;Wfm為非充分開采最大下沉值,mm。

6)分析得到觀測站開采條件下求取的概率積分法地表移動預計參數如下:

a.下沉系數:q=0.86;

b.水平移動系數:b=0.36;

c.主要影響角正切:tanβ=2.5;

d.開采影響傳播角:θ=90°-0.6α;

e.拐點偏移距:Si=(0.051～0.071)Hi,i=1～4。

3 結語

1)本觀測條件下實測傾斜最大值為9.4 mm/m,達到建筑物三級嚴重破壞值。實測水平變形最大正值為6.2 mm/m,最大負值為-9.1 mm/m,達到建筑物三級～四級嚴重破壞量值,因此本觀測條件引起地表破壞性變形的主要因素是水平變形和傾斜。

2)本礦區的巖層與地表移動角量參數:地表綜合移動角約為73°,基巖移動角約為 75°。

3)分析觀測數據對地表移動過程參數做了定量的計算,同時對指導開采沉陷預計的概率積分法參數進行了擬合。

[1]何國清,楊 倫,凌賡娣.礦山開采沉陷學[M].徐州:中國礦業大學出版社,1989.

[2]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京:煤炭工業出版社,2000.

[3]張懷良.地表移動觀測站的設計[J].山西建筑,2003,29(11):22-24.

[4]康建榮.山區采動裂縫對地表移動變形的影響分析[J].巖石力學與工程學報,2008(1):30-32.

[5]胡述新.張集礦地表移動規律研究及應用[J].淮南職業技術學院學報,2008(2):10-11.