孟村礦首采工作面開采沉陷監測研究

薛志強,張艷超,楊 釗,殷國棟

(1.陜西彬長孟村礦業有限公司,陜西 咸陽 713600;2.陜西天潤科技股份有限公司,陜西 西安 710054)

煤炭是傳統能源的主體,是重要的能源資源,在未來很長一段時間內,仍是我國的主體能源[1-3]。煤炭資源開采包括井工開采和露天開采,我國煤炭資源開采絕大部分屬于井工開采,工作面在回采過程中必然造成上覆巖層不同程度的破壞,引起地表沉陷變形[4-6],使得煤炭資源開發與地表建構筑物和環境保護之間的矛盾日益凸顯。彬長礦區屬于陜北重要的煤炭生產基地。煤炭資源的大規模開采,引起地表沉陷,從而影響建構筑物安全、造成滑坡和泥石流等自然災害。因此,在工作面回采過程中對地表沉陷進行動態監測非常有必要。特別是新開采工作面的礦區首采工作面,因無參考數據,地表沉陷特征和損害分析更加重要。本文以孟村礦401盤區401101工作面為研究對象,進行開采沉陷監測,該工作面為盤區的第一個工作面。通過地表沉陷過程監測、數據計算和變形分析獲得首采工作面地表移動變形規律與巖移參數,為礦區“三下”開采和保護煤柱留設提供依據。

1 工程概況

孟村礦屬于黃隴黃土層塬梁溝壑區,黃土層厚96～170 m,地勢西北高東南低,位于黃龍侏羅紀煤田彬長礦區中西部。煤層結構穩定,傾角4～8°,厚3.70～26.3 m,平均厚16.25 m,為單一可采煤層。礦井采用上、下分層綜放開采工藝。401101工作面可采長2 090 m,傾向180 m,回采煤層厚10.5～12.0 m,平均11.25 m,采用后退式走向長壁采煤法,全垮落法頂板管理,綜放開采方法,機采高3.5 m,放煤高7 m,采放比1∶2,回采至距離停采線30 m處,開始不放頂煤,進入末采。

2 監測方案設計

地表沉陷監測方法設計主要參考礦井地形地質情況和煤層開采條件,設計和建立地表移動監測站。一般包括監測線位置、長度和監測站數量設計,地表沉陷監測線又分為走向監測線和傾向監測線。

2.1 監測線位置

監測線位置設置需結合孟村礦地質資料,且必須通過最大下沉角與基巖接觸面的交點在地表的投影。經計算,最終確定走向觀測線的位置向下山方向移動37.5 m.本項目中根據工作面地表建筑物分布,為了更好地預防地表建筑物損壞,布設兩條傾向觀測線,兩條觀測線相距250 m,距開切眼距離分別為645 m、895 m.

2.2 監測線長度

走向觀測線和傾向觀測線長度一般應覆蓋整體采空區,長度計算方法如圖1所示。

圖1 觀測線長度計算示意

當遇到超長工作面,且長度大于開采深度的0.9倍時,走向觀測線可只設半條。為準確獲取401101工作面地表沉陷過程、分析地表移動規律,在走向方向布設完整觀測線,長度覆蓋沉陷盆地走向主斷面;沿傾向布設兩條觀測線,長度覆蓋移動盆地傾向主斷面。經計算,走向觀測線長3 450 m,傾向觀測線(B線、C線)均為1 562 m.

2.3 監測點數目

開采沉陷監測點沿觀測線按一定密度分布,參考《煤礦測量規程》和礦區地質地形情況,結合開采深度和監測目的,確定監測點間距。首采工作面開采平均深度為715 m,且地表地形復雜,具有一定坡度,確定以30 m間隔為監測點間距,共204個。

2.4 監測線布設

為有效保護地表建構筑物安全,結合實地情況,本項目將傾向觀測線布設在村莊附近,貫穿村莊,實現對村莊的有效預警和保護,保證居民人身安全和減少財產損失,觀測站實際埋設位置如圖2所示。

圖2 觀測站實際埋設圖

3 數據采集及計算

3.1 數據采集

在工作面回采過程中,進行地表沉陷周期全面觀測,采用RTK控制測量的方法測定監測點三維坐標,在地表沉陷的活躍階段,應在關鍵區域加密觀測。同時,全面觀測應在1～2 d內完成,確保同期觀測數據不受煤層開采的影響,保證數據的可靠性。項目組2018年5月—2021年5月進行18次全面觀測,獲取多組日常觀測數據。

3.2 移動和變形計算

工作面地表開采沉陷監測數據計算內容主要包括下沉量計算、水平移動計算、相鄰監測點傾斜量計算、監測點下沉速度計算等。在本項目中重點計算分析監測點的下沉量和水平移動量。

1) 下沉量。地面監測點下沉量監測時開采沉陷監測的重要內容,能夠反應不同時期地表的下沉情況。參考公式(1)計算監測點下沉量,n點在m次觀測時的下沉量為:

(1)

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地表下沉影響范圍隨著工作面不斷回采逐漸增大。當工作面回采完成后,上覆巖層經歷一段時間自然垮塌,地表逐漸達到穩定,走向觀測線監測點A51下沉量最大,達到487 mm.

由圖3可知,傾向方向地表下沉盆地中心向下山方向偏移。地表沉陷穩定后,傾向觀測線最大下沉量,分別發生在B20和C17觀測點,下沉量分別達到401 mm、387 mm.

圖3 傾向觀測線下沉折線圖

2) 水平移動。水平移動監測是地表開采沉陷監測的重要內容,通過監測點的水平移動量反應地表水平移動變化情況,監測點計算參考公式(2),n號點的水平移動量為:

Un=[(Xmn-X0n)×cosα+(Ymn-Y0n)×sinα]×1 000

(2)

式中:Un為n點的水平移動,mm;Xmn、Ymn為m次觀測時n點的坐標;X0n、Y0n為首次觀測時n點的坐標;α為待求水平移動方向的方位角,°.

在地表穩定情況下時,走向觀測線的最大水平移動發生在A27點附近,其值為176.4 mm.傾向觀測線上山側的最大水平移動值分別在B31和C27附近,其值分別是-128 mm、-132 mm;下山側的最大水平移動值分別在B11和C14附近,其值分別是164 mm、177 mm.

觀測線各監測點的傾斜、曲率、水平變形、下陷速度最大變形值如表1所示。

表1 地表沉陷變形最大值

4 結果分析

4.1 采動過程地表沉陷沉陷特征

1) 下沉速度與沉陷過程。工作面回采過程中地表監測點的沉陷變形,經歷了初始階段、活躍階段和衰退階段,相應的監測點的下沉速度也經歷了由小到大,達到最大值后逐漸減小至零。以走向觀測線A35監測點為例進行計算,下沉量、下沉速度與回采過程如圖4所示。監測點在前期回采過程中,監測點下沉量和下沉速度均較小,地表沉陷處于初始階段;隨著回采通過監測點水平投影位置,下沉速度逐漸迅速增加,下沉量急劇增大,地表沉陷呈現活躍狀態;在采空區上覆巖層經歷一段時間塌陷后,下沉速度逐漸減小,下沉量增長緩慢,直至穩定,地表沉陷處于衰退階段,地表沉陷趨于穩定。

圖4 A35下沉速度與下沉量關系圖

在下沉的開始和衰退階段,A35號觀測點每天的下沉速度<0.5 mm,活躍階段的每天下沉速度>0.5 mm,根據觀測結果可以得出,其最大下沉速度為1.7 mm/d.A35號點在下沉活躍期下沉量為164 mm,占下沉總量的64%,進一步顯示地表下沉量在下沉活躍期最多。

3) 最大下沉速度滯后角。最大下沉速度滯后角主要預測采空區最危險區域、下沉速度最大區域。通常以最大下沉速度滯后距離及最大下沉速度滯后角來表示。通過觀測數據綜合計算和分析,首采工作面最大下沉速度滯后角為70.2°.

4.2 地表穩定后角值確定

在開采沉陷監測數據計算分析中,可通過邊界角、移動角、最大下沉角和充分采動角等角量參數,對工作面煤層開采導致地表出現的下沉盆地進行描述。

1) 邊界角。邊界角主要用來確定開采沉陷引起的地表沉陷邊界,進而確定開采沉陷影響范圍。但由于測量誤差和季節變化,下沉值為0 mm的監測點難以確定,因此以下沉10 mm的監測點作為下沉盆地邊界的判定依據。邊界角一般采用沉陷邊界點和采空區邊界點的連線在采空區外側水平線的夾角表示,上山、下山和走向的邊界角依次用β0、γ0、δ0表示。經計算,首采工作面走向邊界角為75.8°,上山綜合邊界角為55.5°,下山綜合邊界角為52.4°.

2) 移動角的確定。移動角是指在充分采動或接近充分采動的情況下,采空區邊界和主斷面上臨界變形值所在點的連線與水平線在采空區外側的夾角。臨界變形值采用地表傾斜臨界變形值(3 mm/m)、曲率臨界變形值(0.2×10-3/m)、水平變形的臨界變形值(2 mm/m)進行判定,當變形值超過臨界變形值時,可確定該監測點為移動變形邊界。經計算,首采工作面的走向綜合移動角85.2°,上下山方向綜合移動角分別為64.8°和82.4°.

3) 最大下沉角和充分采動角。最大下沉角指在移動盆地的傾斜主斷面上,采空區的中心點與地表最大下沉點的連線與水平線之間在礦層下山方向的夾角,可確定最大下沉點所在位置。經計算得最大下沉角為84.4°.

充分采動角可以確定充分采動范圍,指在充分采動下,地表移動盆地主斷面上的移動盆地平底邊緣在地面水平線上投影點與同側的采空區邊界的連線和煤層在采空區一側的夾角。經計算,首采工作面充分采動角為48.7°.

4.3 概率積分法預計參數確定

概率積分法是我國目前常用的開采沉陷預計方法[7-9],在概率積分法預計采動地表移動變形時,需要確定下沉系數、主要影響角正切值、水平移動系數、拐點偏移距和開采影響傳播角5個預計參數。

1) 下沉系數是在充分采動條件下,由地表出現的最大下沉值與平均開采厚度之比來確定。通過綜合計算,對比分析,最終確定首采工作面下沉系數處于0.035～0.048.

2) 主要影響角正切值反映覆巖巖性和采深關系的一個參數,與覆巖巖性有關,覆巖巖性越軟,值越大;反之越小。經計算,主要影響角正切值為5.5.

3) 開采影響傳播角揭示了傾斜主斷面上最大下沉點處的下沉與水平移動之間的關系,首采工作面開采傳播影響角為83°.

4) 拐點偏移距是在充分采動條件下,在沉陷監測曲線上確定拐點位置,一般采用傾斜最大值出現的點作為拐點。經計算,拐點偏移距為174 m.

5) 水平移動系數是反映最大水平移動值與最大下沉值關系的系數,在充分采動條件下,首采工作面水平移動系數為0.46.

5 結 語

通過對孟村礦首采工作面進行開采沉陷監測,并進行計算和綜合分析,獲取了地表移動變形最大值、超前影響角、最大下沉速度滯后角、邊界角、移動角等角量參數。并且獲取了概率積分法開采沉陷預計參數。為孟村礦后續工作面的開采、保護煤柱留設和地表建構筑物保護奠定了基礎。但是,由于首采工作面是401盤區的首個工作面,周邊不存在已有采空區,地表沉陷機理具有一定的特殊性。因此,應對后續工作面繼續進行沉陷監測,進一步研究孟村礦開采沉陷機理。