采煤工作面地表巖移觀測方法設計

王 博，楊昆侖

(1.陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710054;2.陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院，陜西 西安 710000)

0 引言

多年來，礦區煤炭開采區地表移動變形引發的地質災害一直不同程度地存在著[1-2]，并且伴隨著煤炭開采能力和技術的不斷提升，這一現象在今后仍會加劇和持續。此次工作面地表開采沉陷觀測項目，是為了對下峪口煤礦即將開采的23208工作面的地表進行監測，獲取在開采推進過程中，地表沉降的具體情況包括時間及空間信息。同時，通過對這2個工作面的地表開采沉降監測，在完成工作面概率積分法預測模型時，各參數的計算可為煤礦其他工作面的開采提供經驗數據。

1 地面變形觀測線設計

由于下峪口煤礦近10年未進行過地面開采沉陷相關的數據統計。此次地面變形觀測線的設計參數，選用同礦區地質、采礦條件相似的礦井已求得的角值進行計算。根據收集到的已有參數，結合《煤礦測量規程》及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》有關規定[3-5]，具體取值如下：基巖移動角β=γ=δ=70°～75°=74.8°；沖積層移動角φ=45°；煤層傾角α=4°；最大下沉角θ=90°-0.6α=87.6°；移動角修正值(走向Δδ，傾向上山Δγ，傾向下山Δβ)Δδ=Δγ=Δβ=20°。此次地面變形觀測線設置成直線，并與煤層走向垂直或平行。

地面變形觀測線一般可設走向觀測線和傾斜觀測線各一條，設在移動盆地的主斷面位置。也可以在地裂縫、地面塌陷的重點觀測區域，增加觀測線，設置成網狀觀測線。當工作面走向長度大于0.9H0時，可以只設半條走向觀測線。此次23208工作面，長度為1 260 m，平均開采深度H0約為460 m，工作面走向長度1 260 m>0.9H0=414 m，工作面布設半條走向觀測線。

此次地面變形觀測中利用剖面線狀觀測線的設計方法。走向觀測線應設在移動盆地的走向主斷面上，具體的確定方法為：在傾斜主斷面上，從采空區中心用最大下沉角θ劃線與地表相交于O點，通過O點作平行煤層走向的垂直斷面，此斷面所在的位置就是走向觀測線的位置。

具體的操作為，從采區中心O的正上方，向下山方向移動d=H0ctgθ的距離，23208工作面向下山方向移動距離為19.3 m。通過該點沿礦體走向做剖面線，即得到走向觀測線平面位置，如圖1所示。

圖1 走向觀測線定位示意圖

在預計的工作面停采線位置上，如圖2所示。做與水平面的夾角(δ-Δδ)與基巖和松散層交接面相交，再從交點以φ角劃線與地表相交，得B1點。同理，在開切眼一側按上述做法在地表求得B2點，B1B2即為走向觀測線長度。

圖2 走向觀測線分布圖

走向觀測線的長度B1B2按式(1)計算。

B1B2=2hctgφ+2(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+D

(1)

式中：h—平均厚松散層厚度；φ—沖積層移動角；H0—平均采深；δ，Δδ—走向移動角及其修正值；D—工作面可采走向長度。23208工作面h為15 m，H0為460 m，可得走向長度為1 260 m。

根據工作面的具體情況，將式中的數值帶入，可以求得23208工作面B1B2=1 922 m；工作面布置半條走向觀測線，則工作面走向觀測線長度為961 m。

自采區的上、下邊界分別以(γ-Δγ)和(β-Δβ)劃線與基巖和松散層交接相交，再從交點以φ角劃線交于地表A1、A2點，如圖3所示，A1A2即為傾斜觀測線長度。

圖3 傾斜觀測線分布圖

傾斜觀測線的長度的按式(2)計算。

A1A2=2hctgφ+(H1-h)ctg(β-Δβ)+(H2-h)ctg(γ-Δγ)+Lcosα

(2)

式中：h—平均厚松散層厚度；φ—沖積層移動角；H1、H2—分別為采區下邊界和上邊界的開采深度；β、Δβ—下山移動角及其修正值；γ、Δγ—上山移動角及其修正值；L—工作面的傾斜長度；α—煤層傾角。

根據上面的公式，將2個工作面的參數分別代入，其中，23208工作面長度為1 260 m。所以，傾斜觀測線長度為：875 m。

地面變形觀測線上的觀測點應有一定的密度，可根據開采深度和設站目的來定[6-9]。地面變形觀測線上測點數目和密度，主要取決于引起變形的地下開采深度和設站目的，和礦區地形地質條件、水文條件、開采情況密切相關。觀測線上測點密度應滿足表1。

表1 開采深度和點間距對應表

坡度大于20°的山地，開采深度大于300 m時，測點密度可放寬至30～50 m。

鑒于此次工作面開采深度為460 m，所以點間距離選擇25 m。

23208工作面共布設2條觀測線，其中傾斜觀測線1條，一條走向觀測線。23208工作面的走向觀測線長度為961 m，所以走向觀測線設計埋石數量為39個；傾斜觀測線布置了1條，長度875 m，設計埋石數量為35個。

2 地表巖移觀測方法

2.1 觀測要求

觀測區域位于丘陵區，且起伏較小，故地面變形觀測線的平面觀測采用RTK測量的方法，高程采用全站儀電磁波測距高程測量。埋石工作結束，經過10～15 d標石沉降穩定之后，方能進行觀測。

為了減小誤差，提高觀測精度，采用固定的觀測方式和觀測流程，對每個觀測點，平面觀測采用RTK，高程觀測采用三角高程附合導線測量，每次都用相同的方式進行測量。RTK測量時每次都盡量采用相同的基站點、相同的儀器；三角高程測量每次都盡量采用相同的起始點和閉合點。并且對每個觀測點盡量固定采用相同的儀器和人員。

為了保證所獲得觀測資料的準確性和可比性，以及氣象元素的大體一致，每條觀測線上各觀測點的觀測應盡可能在一日內完成，特別是在移動活躍階段。

在地面變形觀測線的觀測過程中，不僅要及時地記錄和描述地表出現的裂縫位置、寬度的變化，變形的形態和時間，并及時上圖，還要記載每次觀測時工作面開采的相應位置、實際采出厚度、工作面推進速度、地質、水文等有關情況。

在觀測過程中，應每6個月測量一次觀測站控制點的變化，如發現控制點發生位移，應把控制點作為觀測點與其他觀測點一起進行觀測，而另行布置控制點。

2.2 初始觀測

在進行觀測站控制點連接測量后，標石沉降穩定，地表開始變形之前，應對觀測線上的全部觀測點獨立進行2次全面觀測。

獨立進行的2次全面觀測，2次測得的同一點高程差不大于10 mm、同一邊的長度差不大于4 mm時，取平均值作為觀測線上各觀測點的原始觀測數據。同時，按各測點的實測數據展繪到觀測站設計平面圖上。

最初的全面觀測獲得的原始觀測數據是地面平面位移和高程沉降的比較基礎。

2.3 全面觀測

全面觀測的內容，包括測定觀測線上各觀測點的平面位置和高程。

最初的全面觀測后，在采動影響前進行日常巡視觀測，如果發現測點的累計下沉量達到10 mm時，即認為地表已經開始變形，進入地表移動初始期。

進入地表移動初始期后，進行日常巡視觀測，當地表累計下沉達到50～100 mm時，進行采動后的第一次全面觀測。隨后，當日常巡視觀測發現每月下沉值大于50 mm時，進入地表移動活躍期。

在地表移動活躍期按照開采進度進行不少于4次全面觀測。在全面觀測和巡視觀測時，若發現每月下沉值小于50 mm時，進入地表移動的衰退期。

衰退期的巡視觀測直到6個月內的下沉值不超過30 mm時為止，此時地表移動穩定，進行最后一次全面觀測，獲得地表變形穩定后觀測點的平面和高程最終數據。

在地表移動的發生階段，一般可根據開采深度、回采工作面推進速度和頂板巖性等具體條件，每隔1～3個月進行一次全面觀測。

2.4 日常巡視觀測

日常巡視觀測時，可視情況在預計可能沉降劇烈的地區，只進行周期性高程觀測。

為判定地表是否已開始移動，在回采工作面推進到一定距離(相當于0.2～0.5平均開采深度)后，在預計可能首先移動的地區，選擇幾個工作測點，測量其高程變化，如果發現測點的累計下沉量大于10 mm時，即認為地表已經開始移動。

在地表移動初始期、活躍期和衰退期，日常巡視觀測的復測時間間隔，視地表下沉的速度而定，一般是每隔15～30 d觀測一次。在地表移動活躍期，還應在下沉較大的區段，增加觀測次數，5～10 d觀測一次。

以上的設計觀測過程從采動影響前開始，經過地表移動初始期、地表移動活躍期、地表移動衰退期，直到地表移動穩定后是一個理想的過程，在開采地面變形觀測的實際工作中，可能不是從采動影響前就開始工作，要謹慎推斷和細心分析、善于總結。

3 工作面沉降分析方法

根據工作面所有觀測數據和已有的地形、地質、開采工藝等數據，對工作面的沉降情況做以下分析。

地表移動盆地的位置、大小、范圍—根據觀測點的沉降數據，對盆地的位置、大小、范圍等進行計算，得到地表移動盆地的大體情況。

最大下沉值的分布位置及大小—根據觀測點的數據，計算主斷面上最大下沉值的點位及工作面的開采沉陷最大下沉值。

地表移動盆地在主斷面上的移動和變形的分布與特征—通過觀測數據，可以得到地表移動盆地在主斷面上的下沉、水平移動等情況，得到地表移動盆地在主斷面上的變形規律。

工作面開采沉陷移動盆地的發展過程及相應的主要參數—根據歷次觀測數據和工作面的開采進度，總結地表移動各個階段(初始階段、活躍階段、衰退階段)的持續時間以及地表移動持續的總時間，計算工作面開采沉陷發生的起動距、超前距、滯后距等。

4 結語

此次在下峪口煤礦23208工作面進行地表巖移觀測站的設計和觀測，對觀測成果進行綜合分析，最終得出地表巖移規律，為今后進行“三下”采煤和留設保護煤柱及征遷賠償工作提供科學依據。以研究結果作為指導，將“三下”(建筑物下、水體下、鐵路下)壓煤開采出來，將會帶來巨大經濟效益和社會效益，對于環境保護與土地復墾有一定的幫助，而且對于挖掘礦井生產潛力、保證礦井的可持續發展也具有重要意義，具備廣闊的應用前景。