杭來灣煤礦塌陷區地面沉降監測方案設計

韓鑫儒，張博龍

(陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

杭來灣煤礦經過近5年的開采，在采空區及其影響范圍內形成了大面積地面塌陷區，采空區內3#煤層開采導致地表呈條帶狀或橢圓狀塌陷。由于周邊礦井沒有相關的地表沉陷變形分布特征及各項移動參數可供參考，因此迫切需要開展礦井采空區地表移動規律方面的研究，否則將嚴重制約礦井的安全生產和長遠發展[1-2]。然而開采引起的巖層與地表移動規律和過程極其復雜，受煤層埋深、煤層厚度、覆巖特性、開采方法等諸多因素影響，目前研究采空區地表沉陷規律和參數主要方法是現場觀測[3-5]。通過分析現場觀測數據，掌握采空區地表沉陷移動規律和各項巖移參數，將為礦井大采高綜合機械化開采提供移民搬遷、生態復墾、保安煤柱設計等方面的參考，可以促進礦井持續、穩定、高效、安全發展。

1 礦井概況及監測內容

1.1 礦井概況

杭來灣井田位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區一期規劃區，礦井核定生產能力為8.00 Mt/a，服務年限為67.9 a；杭來灣煤礦301盤區3#煤可采厚度為8.27～10.41 m，平均煤厚度9.13 m，礦井采用長壁綜合機械化采煤法，開采301盤區3#煤上分層，全部垮落法管理頂板。301盤區由東向西布置有10個綜采工作面，工作面走向長度4 313.3 m，傾向長度299.1 m。

1.2 監測內容設計

設計思路：30107和30108回采工作面回采前，在工作面內及周邊影響范圍內布置觀測線，并沿線設置觀測點，回采過程中連續觀測地表的位移和高程變化及監測點之間的相對位移，分析和總結地表變形規律和相關巖移參數。

巖移參數的確定：由于該礦井還沒有開采沉陷方面的實測資料，地表觀測站的設計按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》和《煤礦測量規范》的規定執行[6-7]，參考其他開采條件類似礦井的地表移動觀測經驗來確定。地表移動觀測站設計采用的巖移和采礦相關參數取值如下：①基巖移動角δ=β=γ=72°；②松散層移動角φ=45°；③煤層傾角α=0°；④最大下沉角θ=90-0.6α=90°；⑤移動角修正值(走向Δδ，傾向下山Δβ，傾向上山Δγ)Δδ=Δβ=Δγ=20°；⑥松散層厚度h=70 m；⑦平均采深H0=230 m，工作面走向長D=4 313.3 m，工作面的傾向長度L=300 m。

觀測線位置的確定：①根據最大下沉角，計算的走向觀測線Z1和Z2距離工作面上水平中央的距離為

D3=H0·ctgθ

(1)

式中：H0—開采深度，230 m；θ—最大下沉角，90°。計算得D3=0 m，因此，走向觀測線的位置在30108工作面中心的正上方。

②傾向觀測線Q1和Q2到開切眼的距離D1應滿足D1≥h·ctgφ+(H0-h)·ctg(β-Δβ)=70ctg45°+160ctg52°=195 m；③傾向觀測線Q3和Q4到停采線的距離D2應滿足D2≥h·ctgφ+(H0-h)·ctg(β-Δβ)=70ctg45°+160ctg52°=195 m。由于礦井開采沉陷規律尚不明確，為了最大限度獲取移動變形數據，將觀測線在半盆地的邊界長度定為300 m。觀測線的位置設計如圖1所示。

觀測線長度的確定：工作面走向斷面和傾向斷面觀測線長度的計算和參數按圖2所示的要求選取。①走向觀測線長度LGN按下式計算

LGN=2htgφ+2(H0-h)·ctg(δ-Δδ)+D

(2)

式中：H0—平均采深，230 m；h—松散層厚度，70 m；φ—松散層移動角，45°；D—工作面走向長，210 m；δ—基巖走向移動角，72°；Δδ—走向移動角修正值，20°。計算得，LGN=4 913.3 m；

②傾向觀測線長度LAB按下式計算

LAB=2h·ctgφ+(H0-h)·ctg(β-Δβ)+(H0-h)·ctg(γ-Δγ)+L·cosα

(3)

式中：α—煤層傾角，0°；L—工作面傾向長，300 m；β—傾向下山移動角；Δβ—傾向下山移動角修正值；γ—傾向上山移動角；Δγ—傾向上山移動角修正值。計算得，LAB=690 m。

圖1 觀測線的位置示意

圖2 觀測線的長度確定

1.3 采空區觀測站設計

監測點密度和間距：根據《煤礦測量規程》的要求，觀測點的間距設計按表1進行設置。30107工作面觀測站沿工作面回采方向布置觀測線，確定走向觀測線長度4 313.3 m，點間距15 m，設計329個工作測點。30108工作面觀測站沿走向在切眼側布設1 000 m，點間距為15 m，設計68個工作測點。根據設站目的和開采順序，設計時工作面傾向長度綜合30106、30107、30108等3個工作面，確定布設兩條傾向觀測線。向采空區和未采區方向延伸300 m，布設一條傾向觀測線長度1 200 m，設計80個工作測點；布設一條傾向觀測線長度900 m，設計60個工作測點，測線布置如圖3所示。

表1 開采深度與測點間距對照表

圖3 開采沉陷觀測線布置圖

監測周期：30106工作面開采結束一定時間后，上覆巖層在重力作用下被重新壓實，地表沉降逐漸穩定。為隔離相鄰工作面采空區積水，確保安全生產，工作面順槽之間留設了相應的保護煤柱，這些煤柱對采空區依然具有支撐作用。受采空區頂板壓力、采空區積水、圍巖變形等因素影響，相鄰采空區之間的煤柱可能出現再次垮落的現象，引起覆巖和地表的再次移動。因此，將監測周期設置為3 a，每月觀測一次位移和高程，并盡量減小每次觀測時間，確保數據準確可靠。

2 測量方法

2.1 儀器及精度

測量儀器：地表沉降監測儀器和方法，主要受地形條件和環境條件影響。結合工作面的實際情況，觀測線工作測點的平面位置和高程按一級RTK動態測量精度要求施測，觀測采用蘇光……GPS平面位置精度±(5 mm+2×10-6)高程精度±(10 mm+2×10-6)。檢測儀器采用TOPCONAT-G2 精密水準儀(精度為0.4 mm)，拓普康7501全站儀，測角精度2″，測距精度±(2 mm+2×10-6D)。

觀測精度：觀測站觀測的平面和高程采用RTK一級快速靜態觀測，觀測時采用三角架對中，整平。觀測站外業觀測可采用相應等級的衛星定位靜態技術測定坐標，全站儀測量邊長和角度等方法，高程外業檢測可采用相應等級的三角高程、幾何水準測量等方法，各項檢查必須符合《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規范》和《建筑變形測量規范》要求[8-9]。

2.2 觀測方法及預期結果

觀測方法：30107工作面地表移動觀測站布置圖，以礦井井上下對照圖和采掘工程平面圖為底圖，在圖上直接選取觀測站控制點和設計觀測點的坐標和高程，用GPS-RTK按設計進行測點埋設和測點標定。測點埋設完成后，待自身沉降穩定之后，即可進行觀測，地表移動觀測站的觀測工作可分為采前觀測、采中觀測和采后觀測。①采前觀測—工作面開始回采前，對所有觀測點進行兩次觀測，間隔小于5 d，兩次測得的同一點高差不大于10 mm、點位差不大于30 mm時，取平均值作為各工作測點的基準觀測數據。根據地表沉降的活躍程度將地表移動可分為4個階段，分別為初始期、活躍期、衰退期和穩定期。連續6個月各觀測地表點累計下沉值均小于30 mm時，視為地表沉降趨于穩定；②采中觀測—所謂日常觀測工作，指的是首次和末次全面觀測之間適當增加的測量工作，為判定地表是否已開始移動，在回采工作面推進一定距離后在預計可能首先移動的地區，選擇幾個工作測點，每隔幾天進行一次測量，觀測頻率視地表下沉的速度而定，一般是每隔1～3個月觀測一次。在地表移動的活躍期段，應在沉降較大區域，增加觀測次數。為減小儀器、人員和環境因素對觀測結果的影響，監測的整個過程應當由專門人員使用固定儀器進行數據采集工作。在工作面回采過程中，需要詳細記錄和描述裂縫出現的時間、塌陷區形態、工作面對應位置、采厚、工作面推進速度、頂板垮落狀況等有關情況；③采后觀測—由于采空區沉降的周期較長，為達到要求的觀測精度，需要盡可能地延長觀測周期。工作面回采過后半年，可適當地減小觀測頻率，一般是每隔3～4個月觀測一次，直至各個觀測點觀測周期滿3 a。

預期結果：通過對回采工作面開采沉陷監測預計可獲得如下成果。①煤層開采的地表移動規律；②采空區地表移動相關參數；③沉降觀測成果表；④沉降速度、時間和沉降量關系曲線；⑤位移時間曲線圖、內部位移時間曲線圖；⑥穩定性評價參數；⑦觀測成果綜合分析報告。

3 結語

采煤引起的地表沉陷和移動是一個復雜的過程，以杭來灣煤礦為研究對象，根據礦井覆巖性質、開采厚度、煤層埋深、采煤方法及地表沉降特征，規劃和設計了杭來灣煤礦采空區地表沉降觀測方案。獲取礦井地表移動規律和相關巖移參數，并通過對觀測資料的綜合分析，評價杭來灣煤礦塌陷區穩定性和演變規律，預期可以為礦井大采高綜合機械化開采提供移民搬遷、生態復墾、保安煤柱設計、資源回收等方面的參考資料，進而確保礦井持續、穩定、高效發展。