寺河礦大采高開采地表移動現場監測及預測

2018-05-04 02:36:51張碧川王克全杜子健孫海濤付軍輝楊金虎

中國煤炭 2018年4期

張碧川王克全杜子健孫海濤付軍輝楊金虎

(1. 煤炭科學研究總院，北京市朝陽區，100013；2. 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037；3. 中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶市沙坪壩區，400037)

隨著煤炭資源的開采，煤層上部將產生連續或非連續的地表變形，其沉降變化非常復雜，是采礦和地質因素之間相互耦合的結果。地表沉降量不僅與開采厚度等因素有關，還受到其所處的地球物理環境(斷層、褶曲等)因素的影響。

為了研究地表沉降變化，一些學者從覆巖結構、下沉預測、地面監測等方面進行了大量研究。貢長青等基于彈性薄板理論，對采空區各點沉降量與空間位置關系進行了研究，得到了全斷面沉降模型。錢鳴高等以砌體梁理論為基礎，進行了采空區地表移動試驗，揭示了覆巖關鍵層破斷對地表移動的影響規律。劉寶琛等以隨機介質理論為基礎，通過對李特維尼申的隨機介質理論解簡化，建立了概率積分法。曹樹剛等通過對基巖裸露地區不同回采工作面地表下沉及水平移動觀測數據的分析，擬合得到了地表下沉及水平移動曲線。王軍保等以采空區地表沉降量隨時間的變化為研究對象，得到了基于MMF模型的地表沉降時間函數模型。本文以晉城礦區為例，針對厚覆蓋層地區大采高近水平煤層開采條件下地表下沉特征，重點研究大采高的影響，了解該區域地表沉降規律，有助于指導相近地質條件及采煤方法礦區鐵路下、建筑物下、水體下的采煤活動。

1 地表移動觀測及數據處理

為綜合研究工作面上地表的沉降規律，對寺河礦的地表沉降進行了現場監測。

1.1 礦井地質及工作面開采條件

寺河礦井田位于太行山脈南段西側、沁水盆地南緣，地貌形態屬剝蝕、侵蝕山地，地形較為破碎?？刹擅簩訛?號、9號及15號煤層，現開采的3號煤層底板標高485～610 m，地面標高850～1101 m。3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖30.14 m，下距K7砂巖6.05 m，距15號煤層85.29 m。厚度4.45～8.75 m，平均厚度6.25 m，煤層傾角1°～14°，平均5°。

W2301工作面呈向斜構造，自西向東，利用坑透CT、CAD分析處理系統對探測數據進行了處理，結合坑透圖、巷道現場情況和兩側巷道鉆孔進行了綜合分析，工作面不存在明顯地質異常區。工作面采用傾斜長壁綜合機械化采煤法，采高6 m，推進長度為1250.9 m。

1.2 地表移動測點布設

為了獲得準確、可靠、有代表性的觀測資料，應將觀測線設在地表沉降盆地的主斷面上，觀測線長度應大于沉降盆地的范圍。由于煤層呈近水平且埋深約420 m，地表呈山地狀，經過綜合對比分析，采用剖面線狀觀測站，將地表沉降盆地走向主斷面設于工作面中心上方。工作面上方設置兩條觀測線，測點采用混凝土灌注，間距取10 m。

走向觀測線長度可按下式計算：

AB=H0ctanψ+H0ctanδ+2d

(1)

式中：AB——走向觀測線長度，m；

H0——平均開采深度，m；

ψ——走向充分采動角，(°)；

δ——走向綜合邊界角，(°)；

d——走向線與傾向線交點外延5個測點的測點距，取50 m。

寺河煤礦西區工作面與成莊礦5303綜放工作面情況類似，因此以成莊礦巖層移動參數為參考進行觀測站設計，經計算工作面走向觀測線和傾向觀測線長分別為510 m和397 m(實際取400 m)。

為了以大致相同的精度獲得地表移動及其分布規律，工作測點采用等間距測量，間距大小與開采深度有關。工作面開采深度為420 m左右，測點間距取10 m。工作基準點一般間距45 m，最大間距100 m。

監測采用GPS快速靜態定位測試與動態測試相結合的方法，首先在開采區域外側布置半走向線及半傾向線監測基準點各3個，走向布置51個測點，傾向布置36個測點，半走向線及半傾向線測點分布如圖1所示。

圖1 測點布置圖

1.3 地表移動參數的確定

雖然煤層傾角較小，但其走向和傾向地表移動觀測結果有較為明顯的差異，因此分別從走向和傾向對闡述近水平煤層開采地表移動的一般規律。

本次監測所涉及的地表移動參數包括最大下沉系數q，最大水平移動系數b，邊界角δ0，移動角δ，裂縫角δ″，最大下沉角θ，充分采動角ψ，采動影響半徑r，采動影響角正切值tanβ，拐點移動距離S等。

整個移動盆地的移動參數值見表1，走向地表沉降動態監測結果分別如圖2和圖3所示，實測地表移動盆地如圖4所示。

圖2 地表走向動態下沉圖

由圖2、圖3和圖4可知，隨著工作面推進，地表觀測點經歷了開始沉降、沉降活躍、沉降衰退的過程。在地表走向方向上呈半無限狀，達到了充分采動。工作面地表走向下沉量動態變化較大，這主要是受開采速度影響。實測走向和傾向方向的地表最大沉降量分別為4.692 m和4.032 m，下沉開始階段到活躍階段約2～3 d，回采約70 d后進入采動活躍時期，地表活躍期約130 d。

圖3 工作面走向動態下沉圖

表1 走向傾向地移動參數

圖4 工作面地表實測沉降盆地示意圖

2 地表沉降預測及分析

為了能夠有效評價采空區地表沉降對地面塌陷、建筑物等的影響，需要事先預測地表沉降量。

2.1 地表沉降規律預測模型

本文用概率積分法來預測地下開采引起的地表沉降，概率積分法是目前應用最多，預測精度較高的隨機介質理論方法。

(2)

式中：W——地表下沉量，m；

r——巖層下降的主要影響半徑，m。

r會隨著巖層相對煤層間距而變，下沉量W不僅與開采邊界距離x有關，而且與開采煤層間距y、巖層的最大下沉值Wmax、覆巖下沉拐點移動距離S等參數有關，選用參考坐標系，采場煤壁與頂板的交點固定為坐標原點，采場上覆巖層的下沉量函數可表示為：

(3)

采場覆巖最大下沉量與巖層到煤層頂板的距離的關系符合下式：

Wmax(y)=a×exp(-by)

(4)

式中：a、b——與采場上覆巖層結構及巖性有關的系數。

根據經驗可按下式進行計算：

(5)

式中：H——煤層厚度，m；

Z——地表下沉系數；

T——煤層傾角，(°)；

M——煤層厚度，m；

k1、k2——分別為碎脹系數、殘余碎脹系數；

h——冒落帶高度，m。

觀測表明，地表沉陷主要影響半徑r與主要影響角正切值tanu和開采煤層間距y的關系符合：

(6)

式中：u——主要影響角，(°)。

在近水平煤層條件下滿足：

tanu=D+0.0032u

(7)

式中：D——巖性影響系數。

經驗表明，拐點移動距與巖性密切相關，大致符合如下關系：

(8)

2.2 走向地表沉降預測及分析

依據概率積分法計算的預測下沉值如圖5所示，礦區地表沉降與埋深和采厚之比的關系如圖6所示。

分析圖5和圖6可知，概率積分法預測的走向下沉值與實測結果誤差較小，平均誤差0.2918 m，平均相對誤差-0.0473。工作面走向推進約480 m時，走向方向上達到充分采動，此前下沉量主要受是否充分采動的影響，推進480 m后，埋深與采高之比和地表下沉量呈負相關關系，即隨著深厚比的增加下沉量減少，隨著深厚比的減小下沉量增加。