古交礦區重復采動沉陷規律及沉陷參數分析

趙燕兵(1.中北大學 化工與環境學院，山西 太原 030051； 2.西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

·專題綜述·

古交礦區重復采動沉陷規律及沉陷參數分析

趙燕兵1,2
(1.中北大學 化工與環境學院，山西 太原 030051； 2.西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

為分析古交礦區18207工作面重復采動后的地表各個沉陷參數，將計算機和遙感測量技術(ArcGIS平臺量測和DInSAR監測)應用到了地表沉陷監測中。基于ArcGIS平臺量測和DInSAR監測結果確定工作面的回采位置和工作面的平均采深并將上述ArcGIS觀測結果與DInSAR監測結果匯總，計算得到18207工作面開采沉陷參數：超前影響角62.98°，下山邊界角59.33°，走向邊界角50.72°，最大下沉值2.602 0，最大下沉速率33.37 mm/d，最大下沉系數0.87，最大水平移動系數0.18.

重復采動；沉陷參數；地表沉陷；沉陷監測

井工開采中會產生地表沉陷，但沉陷程度是可以控制的，控制沉陷的方法有充填開采，條帶開采和離層注漿等。但上述的方法也不能完全將地表沉陷控制為0，所以在開采過程中對地表的監測是十分必要和重要的。在開采過程中地表變形是一個動態的變化過程，在開采初期可能受到的影響較嚴重，但隨著工作面的推進可能開采結束后受到的影響會小于開采初期的影響。結合古交礦區的地質采礦條件，設置地表監測站，提取不同時期不同地質條件下的開采參數，描述開采沉陷尤其是重復采動情況下的地表移動過程。

1 工程背景

古交礦區位于呂梁山脈東翼，礦區內共分布5個礦井，分別是屯蘭礦、西曲礦、東曲礦、鎮城底礦和馬蘭礦。總體呈中低山區，局部高山，海拔大致在1 000～1 800 m，相對高差300～800 m. 古交礦區從20世紀80年代就開始建井投產，其中建井最早的礦井是鎮城底礦和西曲礦，已有20多年的開采歷史。礦區各個礦井都是從上層煤開始回采，逐層向深部開采，重復采動現象在礦區內大面存在，使得上層煤和地表都經受著反復開采的變形移動和破壞。礦區內各個礦井的老采空區分布極為廣泛，見圖1.

圖1 古交礦區上組煤采空區分布圖

從圖1中可以看出，西曲礦位于古交礦區的北側，井田邊界以東北部的9#煤層露頭為界，西北部以F44斷層為邊界，西南方向是鎮城底礦，兩礦交界人為劃定，南部是以汾河為界。西曲礦的井田面積大約是39 km2，南北方向較長，大約是6.5 km，東西長度較短，大約是6 km. 西曲礦是5個礦井中建井較早的礦井，在1979年8月1日正式建設，1984年12月1日竣工投產。建成后礦井的設計生產能力是300萬t/年，服務年限98年。井田內的主要含煤層為山西組和太原組，總計含煤14層，總厚度大約是160 m，其中的主要開采煤層有4層，分別是(2+3)#煤層、4#煤層、8#煤層和9#煤層。

本文主要研究的工作面是18207工作面，工作面位于原平河以西的位置，被梁莊村和石家河村所包夾，在工作面所處的地表位置有河流和溝壑，地表有山丘，厚度在354～555 m. 工作面的傾斜長度大約200 m，走向長度大約1 600 m，煤層厚度在2.3～3.65 m，平均厚度大約為3.0 m，煤層傾角在3°～7°，平均煤層傾角大約為5°. 在18207工作面垂直位置的正上方是2#煤層的采空區，從南到北的工作面依次為12212工作面、12208工作面、12206工作面和12202工作面。在開采的8#煤層中與18207工作面相鄰的工作面是18205工作面和18203工作面。18207開采過程中，在開采后半段時8a煤層的18a203工作面同時開始回采，所以18207工作面在回采過程中受到18a203工作面的采動影響，使其周圍受到重復采動的影響。18207工作面及其周圍的開采狀況，見表1.

表1 18207工作面及其周圍工作面回采情況表

2 工作面回采位置的確定

工作面采動過程中的重復采動影響以及影響范圍的分析首先需要確定工作面的回采位置。采用ArcGIS及DInSAR數據處理結果提取超前影響距和起動距。以東曲礦12507工作面為研究對象介紹其確定方法如下：

1) 根據礦井生產資料的記載，確定距離SAR影像資料中記載最近開采線的位置，此時工作面在軌道巷和皮帶巷的進尺分別為929 m和927 m.

2) 計算開采的時間差，時間是從2012年4月26日—4月27日，回采的時間差是兩天。

3) 計算開采的平均速度，在2012年4月25日—5月5日工作面在軌道巷和皮帶巷分別推進了19 m和21 m，計算得到平均的開采速度為1.9 m/d和2.1 m/d.

4) 計算工作面推進位置距離開切眼的距離，根據SAR影響獲取當天的工作面推進位置，此時工作面軌道巷和皮帶巷的推進距離分別是932.8 m和931.2 m，計算得到平均推進距離是932.0 m.

5) 應用DInSAR的監測數據，找到下沉值為15 mm的等值線，進而得到開采的影響范圍。確定15 mm等值線距離當前工作面開采位置的距離，得到超前影響距離，最后計算得到超前影響角。

3 工作面平均采深的計算

確定回采工作面與開采沉陷邊界之間的垂直高差，首先要將底板等高線的數據輸入到ArcGIS中，進而生成底板等高線的高程模型，見圖2. 根據回采工作面位置和InSAR沉陷邊界處的工作面標高和地表標高，即可得到H0.

圖2 18207工作面標高及地表標高圖

4 地表沉陷參數提取

18207工作面的開采時間是2011年5月—2012年10月，其中SAR數據獲取時間是2012年4月5日—11月22日，累計推進370 m.

1) 對開采期間的地表沉降，共進行了9次觀測，提取各個觀測時間的地表沉陷圖，見圖3. 根據圖3，結合工作面的回采位置，確定各個不同時間的超前影響距離，進而計算得到超前影響角，見表2.

2) 18a203工作面起動距的確定。

2012年5月18a203工作面開始采動，從地表沉降監測圖3可以得到工作面上方地表開始一段的時間，進而確定工作面的起動距。通過監測到的地表沉降圖可以看出，7月1日開始隨著工作面18a203的開采地表出現了首次下沉現象。7月12日由于18207工作面和18a203工作面的地理位置非常近，其沉降的影響范圍發生了交叉現象，可以確定18a203工作面的起動距是35.85 m，開切眼處的采深是468 m，起動距與采深的比值為0.077，小于初次采動時的起動距系數區間0.25～0.5.

圖3 18207工作面上方地表時序沉降圖

3) 邊界角。

觀測得到的地表影響見圖4，從圖4可以看出，下沉邊界分別距離軌道巷、停采線、皮帶巷和開切眼的距離分別是277 m、301 m、163 m和234 m. 將以上數據整理計算得到邊界角見表3，從表3可以看出，停采線處的邊界角是50.72°，軌道巷側的邊界角是59.33°，開切眼側的邊界角是61.39°，皮帶巷側的邊界角是69.76°.

5 地表沉陷參數計算

2011年11月13日在18207工作面上方安裝了兩個角反射器，分別命名為18207-1和18207-2，其與工作面開切眼的距離分別為680.83 m和902.54 m.

表2 18207工作面不同時期超前影響角計算結果表

圖4 18207和18a203工作面上方地表沉陷邊界的確定圖

表3 18207和18a203工作面邊界角計算表

在2011年10月15日—2012年12月25日，累計開展23期ARCGIS聯測工作。ARCGIS觀測結果見圖5，圖6，圖7，圖8.

從圖5可以看出，18207-1號監測點的平面坐標在第一至第三期的觀測中變化較小，在東西方向和南北方向的累計變化量分別為1.8 mm和6.7 mm. 高程方向在第一期至第二期的觀測中累計下沉值大約是4.9 mm，在第二期至第三期的觀測中累計下沉大約是39.5 mm. 根據圖1可以分析出，在2011年11月21日井下的開采影響范圍已經波及到了18207-1號點，此時該點距工作面回采線的距離為174.03 m.

圖5 18207-1位置觀測結果與開采進度對照圖

從圖6可以看出，18207-1號測點所處位置地表活動的活躍期時間是2011年11月24日—7月10日，其下沉的速度2.37～23.61 mm/d，在2012年的3月25日其達到了最活躍狀態，下沉速度是23.61 mm/d，此時工作面推進的距離是53天。可以得出，在2012年12月25日高程方向最大下沉值為2.263 9 m，南北方向最大水平移動量是0.390 3 m，東西方向最大水平移動量是0.245 2 m.

圖6 18207-1形變速率圖

由圖7可以看出，在開始觀測的時候18207-2號測點與工作面開采位置的距離大約為505.54 m.在第一期觀測至第四期觀測期間，18207-2號測點變形量不大，累計變形量在東西方向上是0.3 mm，在南北方向上是7.5 mm.從圖7還可分析出，在2011年11月13日工作面的開采已經影響到了18207-2號測點，測點距離工作面回采線的距離是418 m，此時超前影響角為47.43°，與18207-1點位上的ARCGIS觀測結果相比，該點位置上的超前影響距較大。

圖7 18207-2位置觀測結果與開采進度對照圖

從圖8可以看出，18207-2號測點處于地表變形活動活躍時間是2012年1月4日—12月25日，下沉速度是0.02～33.37 mm/d，在2012年5月19日活躍的最大下沉速度是33.37 mm/d，此時工作面通過測點推進了32天。可以得出，測點高程方向上下沉值達到最大2.602 0 m的時間是2012年12月25日。但由于相鄰的18a203工作面的采動，測點仍然處于移動階段，在南北方向最大水平移動量是0.255 6 m，在東西方向的最大水平移動量是0.286 2 m.

將上述ARCGIS觀測結果與SAR結果匯總，計算得到18207工作面開采沉陷參數，見表4.

圖8 18207-2形變速率圖

表4 18207工作面重復采動地表沉陷相關參數表

6 結 論

1) 基于ArcGIS平臺量測DInSAR監測結果確定了工作面的回采位置和工作面的平均采深。

2) 將ArcGIS觀測結果與DInSAR結果匯總，計算得到了18207工作面開采沉陷參數：超前影響角62.98°、下山邊界角59.33°、走向邊界角50.72°、最大下沉值2.602 0、最大下沉速率33.37 mm/d、最大下沉系數0.87、最大水平移動系數0.18.

[1] 閻躍觀,戴華陽,王忠武,等.急傾斜多煤層開采地表沉陷分區與圍巖破壞機理—以木城澗煤礦大臺井為例[J].中國礦業大學學報,2013(4):547-553.

[2] 秦洪巖.西馬礦北翼充填采區高速公路保護煤柱開采可行性研究[D].遼寧工程技術大學,2013.

[3] 賀桂成,丁德馨,劉 永,等.衡山石膏礦老采空區地表沉陷的ANFIS預測[J].采礦與安全工程學報,2012(6):876-881.

[4] 張學東.工礦區地表沉陷D-InSAR監測模式與關鍵技術研究[D].北京：中國礦業大學,2012.

[5] 彭林軍,趙曉東,李術才.深部開采地表沉陷規律模擬研究[J].巖土力學,2011(6):1910-1914.

[6] 蔣建平,陳功奇,章楊松.偏最小二乘回歸在地表沉陷預測中的應用[J].重慶大學學報,2010(9):92-97.

[7] 劉玉成,曹樹剛,劉延保.可描述地表沉陷動態過程的時間函數模型探討[J].巖土力學,2010(3):925-931.

[8] 吳立新,高均海,葛大慶,等.工礦區地表沉陷D-InSAR監測試驗研究[J].東北大學學報,2005(8):778-782.

AnalysisonSubsidenceLawandSubsidenceParametersbyRepeatedMininginGujiaoMiningArea

ZHAOYanbing

In order to grasp the surface subsidence data in Gujiao coalfield for further research, one of the working faces in a coalmine with repeated mining experience is selected as the study object. The computer measurement and remote sensing techniques are introduced for the subsidence measuring and monitoring. The mining position and the average mining depth of the working face are ascertained based on the ArcGIS platform and DInSAR monitoring results, the calculated parameters for mining subsidence are as follows: 62.98° for advance angle of influence, 59.33° for dip boundary angle, 50.72° for strike boundary angle, 2.602 0 for the maximum subsidence, 33.37 mm/d for the maximum subsidence rate, 0.87 for the maximum subsidence coefficient and 0.18 the maximum horizontal movement coefficient.

Repeated mining; Subsidence parameters; Surface subsidence; Subsidence monitoring

2017-08-10

趙燕兵(1979—)，男，山西古交人，2005年畢業于桂林工學院，工程師，主要從事采煤技術工作(E-mail)1732760972@qq.com

TD325

B

1672-0652(2017)10-0048-05