綜放開采條件下某礦地表移動(dòng)分析

宋亞澤 史杰波 張遇鵬

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司；2.山西澤州天泰岳南煤業(yè)有限公司)

煤炭資源持續(xù)利用開發(fā)，開采強(qiáng)度也在不斷加大，地表沉陷對(duì)村莊等構(gòu)筑物造成的破壞也越來越嚴(yán)重，所以對(duì)巖層移動(dòng)參數(shù)的研究已成為煤礦安全生產(chǎn)合理布置工作面的先決條件。多年來，通過學(xué)者不斷的深入研究，已基本掌握各種地質(zhì)條件下地面巖移變形的一般規(guī)律[1-5]。但對(duì)近年來興起的大采高、綜放等開采條件下，地表巖移分析研究較少[6-12]，本項(xiàng)目針對(duì)某礦在綜放開采條件下開展巖移觀測(cè)研究，以期獲得地表移動(dòng)變形參數(shù)，為現(xiàn)代礦山安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

1 工作面地質(zhì)采礦條件

某礦首個(gè)回采工作面位于礦井一水平一采區(qū)3號(hào)煤層。受控于煤系基底起伏呈微波狀單斜構(gòu)造，高程由西南向東北逐漸降低，進(jìn)風(fēng)順槽一側(cè)相對(duì)較高。根據(jù)工作面順槽掘進(jìn)期間獲取的地質(zhì)資料可知，該工作面煤層埋藏深度約為410～436 m，平均422 m；標(biāo)高+530～+545 m，平均+538 m；傾角0～8°，平均4°；工作面斜長(zhǎng)180 m，走向長(zhǎng)1 030 m；地表多為山壑溝谷，沖積層厚度20 m；煤層頂板為黑色泥巖，有時(shí)含粉砂巖或變?yōu)樯百|(zhì)泥巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖，煤層厚度4.2～7.89 m，平均5.8 m。采用綜采放頂煤開采工藝。

2 觀測(cè)站設(shè)計(jì)及觀測(cè)方法

2.1 觀測(cè)站設(shè)計(jì)

網(wǎng)狀觀測(cè)站和面線觀測(cè)站是目前布設(shè)觀測(cè)站主要形式，網(wǎng)狀觀測(cè)站成本高,主要用于在建筑物密集區(qū)和開采地質(zhì)條件十分復(fù)雜的礦層，該礦的地表多山壑溝谷，村莊等建筑物少，地質(zhì)條件十分簡(jiǎn)單，所以本次觀測(cè)采用1條沿著煤層走向、1條沿著傾斜方向且相互垂直的2條測(cè)線組成的面線觀測(cè)站。

走向半盆地觀測(cè)線(Z線)沿工作面走向方向垂直于切眼，從切眼中心位置起，用長(zhǎng)度LZ控制走向半盆地范圍，按式(1)計(jì)算：

LZ≥2hcotφ+2(H0-h)cot(δ-Δδ) ，

(1)

式中，h為沖積層厚度，取20 m；φ為沖積層移動(dòng)角，取45°；H0為平均開采深度，取422 m；δ為走向移動(dòng)角，取75°； Δδ為走向移動(dòng)角修正值，一般取20°。

通過計(jì)算得知，走向觀測(cè)線LZ應(yīng)大于等于603 m。

傾向全盆地觀測(cè)線(Q線)沿傾斜方向與走向觀測(cè)線垂直且相交，方向與煤層傾向方向相同，把觀測(cè)區(qū)域擴(kuò)大到工作面兩邊煤柱，監(jiān)測(cè)整個(gè)盆地的沉陷動(dòng)態(tài)，按下列式(2)計(jì)算：

LQ=2hcotφ+(H1-h)cot(β-Δβ)+D1cosα+(H2-h)cot(γ-Δγ) ，

(2)

式中，H1為開采下邊界開采深度，取436 m；β為傾向采空區(qū)下邊界移動(dòng)角，取78°；Δβ為傾向采空區(qū)下邊界移動(dòng)角修正值，一般取20°；D1為切眼長(zhǎng)度，取180 m；α為煤層平均傾角，取4°；H2為開采上邊界開采深度，取400 m；γ為傾向采空區(qū)上邊界移動(dòng)角，取75°；Δγ為傾向采空區(qū)上邊界移動(dòng)角修正值，一般取20°。

計(jì)算得知，傾向全盆地觀測(cè)線LQ=746 m。

D2為工作面切眼與布設(shè)的傾向觀測(cè)線的距離、D3為布設(shè)的傾斜觀測(cè)線與工作面停采線的距離，需滿足：

D2、D3≥hcotφ+(H0-h)cot(δ-Δδ) .

(3)

從式(3)計(jì)算結(jié)果可以得到302 m，但根據(jù)實(shí)際的地形情況，按照D2=400 m進(jìn)行布設(shè)，自然能滿足D3要求，所以本次設(shè)計(jì)Q線與開切眼的間距選取為400 m。

依據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》相關(guān)要求，本次走向及傾向測(cè)點(diǎn)間距均取25 m，走向觀測(cè)線取整數(shù)共25個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，沿工作面推進(jìn)方向編號(hào)為Z1～Z25，長(zhǎng)度625 m；傾向觀測(cè)線取整數(shù)共30個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為Q1～Q30，長(zhǎng)度750 m。在走向線上一端布設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)(G1、G2)，在傾向線兩端各布設(shè)2個(gè)控制點(diǎn)(G3、G4、G5、G6)，控制點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的外端點(diǎn)間距為100 m(圖1)。

圖1 測(cè)站布設(shè)

2.2 觀測(cè)方法

地表觀測(cè)主要使用的儀器設(shè)備包括尼康DTM-352C全站儀、華測(cè)X10及其它輔助設(shè)備。埋設(shè)觀測(cè)點(diǎn)半個(gè)月后開展2次連接測(cè)量，誤差精度按照5″導(dǎo)線測(cè)量要求，將測(cè)站與礦區(qū)控制網(wǎng)聯(lián)系起來；在地表移動(dòng)之前進(jìn)行2次全面測(cè)量，建立移動(dòng)前與工作面測(cè)量位置關(guān)系網(wǎng)，在工作面推采過觀測(cè)區(qū)之前和過觀測(cè)區(qū)之后分別進(jìn)行1次全面觀測(cè)；每月進(jìn)行1次日常觀測(cè)。

3 觀測(cè)成果整理及分析

工作面觀測(cè)從2017年12月—2019年7月共進(jìn)行各種觀測(cè)21次，地表沉降穩(wěn)定的判定標(biāo)準(zhǔn)為6個(gè)月內(nèi)地表各點(diǎn)的累計(jì)下沉值不超過30 mm。

3.1 移動(dòng)和變形計(jì)算

將21次觀測(cè)原始資料進(jìn)行整理分析計(jì)算各觀測(cè)線的最大下沉值。第m次觀測(cè)時(shí)n點(diǎn)下沉值采用式(4)計(jì)算：

(4)

如圖2所示，工作面推采至96 m時(shí)，Z3～Z11之間形成了一個(gè)小型下沉盆地，工作面地表有明顯的下沉，下沉盆地隨著工作面的不斷推采，逐漸向推采方向變大，最大下沉值也呈同樣趨勢(shì)，通過對(duì)后續(xù)的最后幾次觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，最大下沉值發(fā)生在Z16點(diǎn)，最大下沉值為2 860 mm。

圖2 走向下沉曲線

如圖3所示，傾向上地表下沉盆地在采空區(qū)正上方下沉明顯且幅度大，越遠(yuǎn)離采空區(qū)下沉幅度越小，Q線的下沉與工作面的推進(jìn)成正比關(guān)系，最大下沉值發(fā)生在Q15，最大值為2 850 mm，最大下沉值發(fā)生在采空區(qū)中間位置的Q15點(diǎn)。

圖3 傾斜下沉曲線

觀測(cè)日期同圖2。

m次觀測(cè)時(shí)n點(diǎn)水平移動(dòng)采用式(5)計(jì)算：

(5)

式中，Ln為n點(diǎn)的水平移動(dòng)，mm；

經(jīng)分析走向上工作面未推進(jìn)至該點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)會(huì)朝著切眼方向移動(dòng)，工作面推過該點(diǎn)后，該點(diǎn)的移動(dòng)方向與原來移動(dòng)方向相反，向著采空區(qū)盆地中部移動(dòng)，傾向上處于采空區(qū)上方的地表移動(dòng)值越來越大，但移動(dòng)方向與工作面的推采方向相反，符合實(shí)際的開采沉陷規(guī)律。

3.2 地表移動(dòng)角量求取

利用實(shí)測(cè)的地表移動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理分析得出在該采礦地質(zhì)條件下的一些角量，摸清綜放工作面采空區(qū)地表的移動(dòng)特征。

(1)啟動(dòng)距。啟動(dòng)距是在走向剖面上地表開始移動(dòng)時(shí)采煤工作面的推進(jìn)距離，判斷標(biāo)準(zhǔn)為地表任意觀測(cè)點(diǎn)的下沉值達(dá)到10 mm。根據(jù)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)多期的實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得到綜放工作面的走向啟動(dòng)距為96 m，按覆巖總厚度計(jì)算，該面平均埋深422 m，得到啟動(dòng)距約為煤層平均采深的0.23。

(2)超前影響角。超前影響是工作面回采造成的前方巖層地表下沉的現(xiàn)象，計(jì)算公式為

(6)

式中，ω為超前影響角，(°)；l為超前影響距，m。

超前影響距是指回采工作面前方下沉值達(dá)到10 mm的地表觀測(cè)點(diǎn)與工作面推進(jìn)位置之間的水平距離，根據(jù)測(cè)量資料可得工作面的超前影響距為130 m，經(jīng)式(6)計(jì)算獲得超前影響角為72.8°。

(3)最大下沉速度滯后角。根據(jù)本次觀測(cè)資料，最大下沉速度點(diǎn)的位置滯后工作面一段距離，最大下沉速度滯后角計(jì)算公式為

(7)

式中，φ為最大下沉速度滯后角，(°)；L為最大下沉速度滯后工作面的距離，m。

分析觀測(cè)資料可知，Z15測(cè)點(diǎn)發(fā)生最大下沉，滯后工作面的距離為106 m，經(jīng)式(7)計(jì)算獲得最大下沉速度滯后角75.9°。

3.3 地表移動(dòng)穩(wěn)定后的角值求取

(1)邊界角。工作面傾角4°，為水平煤層，所以只考慮走向、傾向主斷面邊界角，上山邊界角和下山邊界角近似認(rèn)為相等。邊界角以下沉10 mm的位置作為臨界邊界，走向邊界角和傾向邊界角分別由式(8)和(9)確定。

(8)

(9)

式中，δ0為走向邊界角，(°)；β0為下山邊界角，(°)；γ0為上山邊界角，(°)；L1為切眼與地表移動(dòng)沿走向邊界在水平方向的距離，m；L2為工作面兩幫與地表移動(dòng)沿傾向邊界在水平方向上的距離，m。由式(8)和(9)，可得δ0=76.6°，β0=γ0=70.4°。

(2)移動(dòng)角。利用最后一次全面觀測(cè)成果，對(duì)一般磚石結(jié)構(gòu)的建筑物可按水平變形ε=2 mm/m、傾斜變形i=3 mm/m，曲率K=0.2×10-3/m中最外一個(gè)臨界值作為標(biāo)準(zhǔn)求取移動(dòng)角，經(jīng)計(jì)算可得如下參數(shù)(表1、表2)。

表1 地表走向移動(dòng)角

表2 地表傾向移動(dòng)角

依據(jù)以上計(jì)算成果，綜合地表移動(dòng)角在走向方向上宜采用74°，上山綜合移動(dòng)角宜采用79°，下山綜合移動(dòng)角宜采用77°，可以更好地保證地表建造物的安全。

4 結(jié) 語

(1)確定了走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線的布設(shè)長(zhǎng)度和位置，完成了綜放工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)。

(2)通過長(zhǎng)期對(duì)觀測(cè)站的觀測(cè)獲取了工作面多個(gè)地表移動(dòng)參數(shù)，對(duì)指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)、合理留設(shè)村莊等構(gòu)筑物保護(hù)煤柱具有重要的指導(dǎo)意義。