小黑河下開采地表移動變形觀測及結果

摘要：通過對地表的巖層移動觀測，經計算后確定各種參數，為以后河流水體下安全開采提供依據。

關鍵詞：布設 走向 傾向 觀測站 巖移參數

山東豐源遠航煤業趙坡煤礦采區上方有小黑河穿流經過，針對小黑河下開采的特殊性，在小黑河開采影響區域建立了地表移動變形觀測站，通過采用先進的野外觀測技術，取得了高精度的地表移動變形資料。主要過程及計算結果如下：

1 地表移動觀測站的布設

地表移動觀測站地處12312、12313工作面正上方。該區域地表上有小黑河，地面標高在43.5m左右。沿小黑河南北河堤各布設一條觀測線，在工作面中間沿煤層傾向方向布設一條觀測線。

1.1 走向觀測線：此次沿小黑河南北河堤各布設一條觀測線，每條走向觀測線全長1400m。

1.2 傾向觀測線：在工作面中部，基本垂直于小黑河南北河堤的位置上布設一條觀測線，傾向觀測線全長1100m。

1.3 觀測線長度的計算。算走向觀測線長度：由開切眼向工作面推進方向，以角值（？啄-？駐？啄）劃線與基巖和松散層交接面相交，再從交點以？椎角劃線與地表相交于E點。E點便是不受鄰區開采影響的點。在工作面停采線處，向工作面外側用（？啄-？駐？啄）角劃線與基巖和松散層的交接面相交于一點，再從此交點用？椎角劃線與地表相交于F點。沿EF走向設定垂直于傾斜觀測線的觀測線。稍稍超過交點一段距離得點G，進而將FG確定為走向觀測線的工作長度（參見圖1）。

計算傾斜觀測線長度：在移動盆地傾斜主斷面上設定傾斜觀測線長度。先從采區上、下邊界分別以（？酌-？駐？酌）和（？茁-？駐？茁）劃線與基巖和松散層交接面相交，再從交點以？椎角劃線交于地表A、B點，AB就是傾斜觀測線的工作長度（參見圖2）。

本觀測站共設置了135個工作測點，8個控制點。測區首級平面控制網布設E級GPS網。在測區內布設8個GPS點（不包括兩個高級控制點），網中聯測控制點兩個。

2 觀測站的處理

為保證地表移動變形觀測站測點能夠與地表土層的移動同步，12312、12313工作面地表移動變形觀測站測點均采用混凝土預澆灌。

3 觀測、計算及處理結果

第一，在回采工作面推進一定距離（相當于0.2～0.5H0）

后，在時間間隔較短的情況下進行水準測量兩次，以快速鎖定測點沉陷趨勢，進而知曉地表移動的時間。第二，開采時，根據地表下沉的速度進行重復測量，采用每隔0.5～3個月觀測一次。

12312、12313工作面觀測站布設完成后于2010年6月8日至11月5日進行了首期觀測，期間共進行了25次水準測量和兩次全面觀測。

采集后的數據經計算可分析研究12312、12313工作面開采后遺留在地表的移動盆地的情況（如盆地的規模、形狀或各類角值參數）；地表移動盆地某斷面上的移動和變形分布規律，移動、變形最大值的位置；開采時工作面移動、變形趨勢和相應的參數變化情況；地表移動過程中，地表移動速度變化趨勢及其與相應開采面之間的關系；地表移動各階段的持續時間和總的時間跨度；回采開始到地表發生沉陷時的時間等。

首次觀測于2010年7月10日觀測到地表有沉陷情況。地表沉陷失去隨回采面的持續推進而逐漸顯現，最終形成下沉盆地。據去年10月20日的沉陷觀測得知，地表最大下沉值為0.847m。

2010年7月初南北走向線上的Z30點開始出現下沉，根據2010年12月6日及2011年4月3日的觀測結果分析，近4個月時間地表點Z30的下沉量不足1mm，說明各點均趨于穩定，由此可以斷定，該地質條件下，由于地下煤層開采造成的地表移動持續時間（及由地表點開始下沉到停止）約10個月，下沉量為11mm。

綜觀整個沉降過程，未有突變現象。地表產生塌陷坑，塌陷區內的地面出現積水。整個下沉盆地形似鍋形。因回采范圍受限，地表沒有出現平底現象。這說明煤體開采的采動作用不充分。

為準確獲得概率積分模型的各項參數，采用了位移反演理論，通過對實測曲線的擬合，獲得了該地質采礦技術條件下適用于概率積分法進行開采引起的地面沉降變形計算的參數為：

開采影響傳播系數K=0.6，采動下沉系數q=0.66，水平移動系數b=0.23，下山方向主要影響角正切值tan？茁上=2.1，上山方向主要影響角正切值tan？茁下=2.1。

結合上述參數數據預測12312、12313采掘面地表觀測站每個觀測點的移動變形情況，將預測結果比照則實地觀測信息進行深入分析。2012年11月的地表觀測點沉陷觀測數據與其預計結果相同，曲線擬合精度較高，這表明計算的參數與實際情況相一致。

該地質采礦技術條件下充分采動時的走向邊界角為58°57′，傾向上山邊界角為60°26′，傾向下山邊界角為56°39′。走向綜合移動角為83°43′，傾向上山綜合移動角為86°45′，傾向下山綜合移動角為80°39′。對其它如裂縫角、最大下沉角、充分采動角等角值參數，因受未達到充分采動這一條件限制，無法從本次觀測資料的整理分析中獲得。

①啟動距的計算。根據2010年7月初的觀測結果可知，Z30點呈現11mm的下沉。由此得出起動距為40m左右，為采深的0.15倍。啟動距以距離與采深比表示為0.15H。

②超前影響距和超前影響角的計算。通過分析12312采掘面向前推進時地表移動變形觀測信息，在2010年8月初Z26下沉為3mm，Z27點下沉18mm。由此計算超前影響距為130m左右。

根據超前影響距和超前影響角的關系，可得超前影響角ω：

式中l——超前影響距；

H0——平均開采深度。

③最大下沉速度滯后距及最大下沉速度滯后角的計算。由于12312、12313工作面受開采范圍的限制，沒有達到充分采動或接近充分采動，故最大下沉速度滯后角無法從觀測數據中求取。但是可以用非充分采動時，最大沉陷速度滯后距和最大下沉速度滯后角用具有最大下沉速度的點與回采工作面的距離和角度來替代。分析計算監測數據得知，12312、12313工作面開采后，于2010年12月28日的觀測值與上期的觀測值計算發現，Z27號測點具有最大下沉速度，最大下沉速度為15mm/d，此時，12312、12313作業面的推進位置比觀測點的水平距離超前35米，也就是說最大沉陷速度滯后距是35m，這個距離是平均開采深度的0.14倍，最大下沉速度滯后角為81°59′。

4 結論

①獲得地下開采引起的地表移動變形靜態盆地的巖移參數，適用于該地質采礦技術環境下充分采動時的概率積分法的參數計算情況是：開采影響傳播系數K=0.6，采動下沉系數q=0.66，水平移動系數b=0.23，下山方向主要影響角正切值tan？茁上=2.1，上山方向主要影響角正切值tan？茁下=2.1。

該地質采礦技術環境下充分采動時的走向邊界角達到58°57′，傾向上、下山的邊界角分別是60°26′、56°39′。走向綜合移動角為83°43′，傾向上山綜合移動角為86°45′，傾向下山綜合移動角為80°39′。

②通過對開采沉陷觀測數據的分析與處理，可以獲得起動距為40m左右，為采深的0.15倍。啟動距以距離與采深比表示為0.15H。超前影響距為130m左右。回采工作面引起的地表測點的最大下沉速度為15mm/d，最大下沉速度滯后距是35m，是平均開采深度的0.14倍，最大下沉速度滯后角是81°59′。

③12312、12313工作面開采影響，地表移動變形歷時10個月，未有突變現象，地表未產生塌陷坑，也未觀測到裂縫。

參考文獻：

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