孔莊礦湖堤下采煤沉陷規(guī)律實測研究

王廟春

（上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦，江蘇沛縣 221600）

孔莊礦湖堤下采煤沉陷規(guī)律實測研究

王廟春

（上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦，江蘇沛縣 221600）

為監(jiān)測7339工作面開采對微山湖湖堤、水閘等重要防洪設(shè)施的影響，并提供堤壩加固實測數(shù)據(jù)，孔莊煤礦專門在順堤河河堤、微山湖西堤和挖工莊河河堤上設(shè)置觀測線并進行了27次地表沉陷觀測。由于觀測目的和地形限制，觀測線未布設(shè)在7339工作面主斷面上，為非正規(guī)觀測站，而煤礦開采沉陷的預(yù)計參數(shù)大都是根據(jù)移動盆地走向和傾向主斷面上觀測線的實測資料求得。通過對觀測資料的分析研究，采用最小二乘原理地表任意點擬合求參的方法，獲得了該區(qū)地表移動變形規(guī)律、各種角值參數(shù)和預(yù)計參數(shù)。

開采沉陷;非規(guī)范;移動變形;預(yù)計參數(shù)

Subsidence Observation of Mining Coal under Lake Dyke in Kongzhuang Colliery

孔莊礦為監(jiān)測7339工作面開采對微山湖湖堤、水閘等重要防洪建筑物的影響，在7339工作面開采期間設(shè)置了河堤觀測站，進行了河堤和地表移動的觀測，取得了本區(qū)域地質(zhì)條件下較為完整的開采影響河堤及地表移動數(shù)據(jù)，為評價微山湖防洪設(shè)施的安全提供了直接依據(jù)。由于觀測目的和地形所限，觀測線均未設(shè)置在7339主斷面上，為非正規(guī)觀測站。針對非規(guī)范地表移動觀測站數(shù)據(jù)處理和變形預(yù)計參數(shù)的求解方法已有較多的研究［1］，如利用非主斷面任意方向觀測結(jié)果的求參程序?qū)τ^測結(jié)果進行求參計算［2］，或討論非正規(guī)觀測線上與移動盆地主斷面上的變形值之間的大小關(guān)系來進行求解［3－4］等。本文對觀測數(shù)據(jù)進行了處理，并運用基于最小二乘法開發(fā)原理的相應(yīng)程序?qū)τ^測數(shù)據(jù)進行擬合計算，取得較為完整的地表移動計算參數(shù)，掌握了本區(qū)域的地表移動規(guī)律，為今后礦區(qū)“三下”采煤設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

1 地質(zhì)采礦條件

7339工作面位于孔莊煤礦工業(yè)廣場東側(cè)，王莊新址東南面。最近點距新王莊保護煤柱約475m，距副井約2300m。地面有京杭運河、順堤河、挖工莊河等河流，切眼位于微山湖湖西堤下方，地面標(biāo)高33.38～36.20m。傾向長度 136m，走向長度815m，煤層平均傾角 25°，煤層厚度為 3.8～5.58m，平均4.5m，采深平均770m左右。7339工作面自2003年8月開始回采至2004年9月回采結(jié)束，采煤方法為輕型放頂煤開采，月推進速度平均為56.2 m。煤層頂板為砂巖和砂質(zhì)泥巖，局部泥巖偽頂，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，有較多植物化石碎片和黃鐵礦薄膜。煤層底板為泥巖，黑色，質(zhì)較硬。上覆巖層為砂巖、泥巖、中砂巖和砂質(zhì)泥巖，巖性中硬。沖積層厚度為140m左右。

2 觀測站概況

考慮到觀測手段的更新和資料處理的計算機化，為便于測點的保存和日常的觀測，觀測站的測線依據(jù)地形條件，在主剖面附近沿農(nóng)村的鄉(xiāng)間小路和河堤、湖堤上布置。

7339工作面觀測站測線及測點與工作面相對位置見觀測站布置示意圖（圖1）。

圖1 7339觀測站布置

整個觀測站分別設(shè)置了2條傾向觀測線和2條走向觀測線，一條傾向線布置在順堤河河堤上，為下山半盆地剖面線，測線長度為740m;另一條傾向線布置在微山湖湖西堤上，為全盆地觀測線，上山外側(cè)測線長約495m，下山外側(cè)測線長約820m，觀測線總長為1450m。走向觀測線布置在鄉(xiāng)間小路和挖工莊河河堤上，位于兩條傾斜觀測線之間，長度分別為560m和535m，均為非剖面觀測線。

布置了6個控制點，控制點的間距為50m，工作點的間距為15～25m，觀測站共布置工作測點120個，其中走向線測點41個，傾向線測點79個，控制點位置在兩條傾向觀測線的外端。

3 觀測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)觀測站設(shè)計及觀測成果計算要求［5］，對觀測數(shù)據(jù)進行了整理，剔除了個別異常的數(shù)據(jù)，并對移動角量、計算參數(shù)等進行了綜合分析。移動角量分析依據(jù)實測數(shù)據(jù)和各角量的計算方法，計算參數(shù)分析使用地表移動計算分析軟件MKD，采用最小二乘原理，同時考慮到附近7431，7352工作面在觀測站觀測期間的開采對觀測數(shù)據(jù)的影響，對觀測數(shù)據(jù)進行了多方案的擬合計算分析，以各計算方案的平均值作為該觀測站計算分析參數(shù)。

3.1 概率積分法預(yù)計參數(shù)分析

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，采用MKD地表移動計算分析軟件，對7339工作面的觀測站進行了概率積分法預(yù)計參數(shù)的擬合計算，擬合計算共采用了25種計算方案，分別對走向線、傾向線、下沉和水平移動進行了擬合，擬合參數(shù)結(jié)果見表1。

求參獲得的概率積分法預(yù)計參數(shù)平均值為:下沉系數(shù)η=0.44，主要影響角正切tanβ=0.89，開采影響傳播角θ0=73.880，水平移動系數(shù)b=0.36。

3.2 水平變形分析

根據(jù)本觀測站布置的特點，利用開采前后兩次的坐標(biāo)觀測結(jié)果，對開采影響水平變形進行了較系統(tǒng)地分析。7339工作面的開采產(chǎn)生的水平變形值總量較小，最大水平變形拉伸為+0.97mm/m，壓縮為－0.82mm/m。由于傾向線2上的上山測線受外界的干擾較大，使得水平變形結(jié)果出現(xiàn)了較大的偏差，無法依據(jù)該線獲得水平變形規(guī)律。而其他幾條觀測線則基本反映了7339工作面開采影響的變形規(guī)律。

3.3 移動角量分析

（1）邊界角 邊界角是以地表下沉10mm的點與開采邊界的連線和水平線在煤柱一側(cè)的夾角。如果不考慮沖積層的單獨影響則為綜合邊界角。觀測結(jié)果顯示，控制點均有不同程度的下沉，認為其為觀測數(shù)據(jù)誤差，對下沉進行修正。

由于觀測站傾向線2的上山部分過早地遭到破壞，無法直接利用數(shù)據(jù)得到上山邊界角。利用計算取得的參數(shù)，對采動的移動與變形的計算分析確定的上山綜合邊界角為72°56'。

根據(jù)修正結(jié)果，下沉邊界點為72號點，距下山邊界500m，依據(jù)下山采深768m，確定其下山邊界角為56°56'。

由于走向觀測線的布設(shè)方式，未直接測到走向邊界角，利用計算取得的參數(shù)，對采動的移動與變形計算分析確定的走向綜合邊界角為61°59'。

（2）移動角 移動角是以開采影響變形達到傾斜變形i=3.0mm/m，曲率變形K=0.2×10－3mm/m，水平變形ε=2.0mm/m的點中最外邊的一個點至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角。由于7339工作面為非充分采動工作面，整個觀測站的變形量較小，因此，未直接測到移動角值。利用計算取得的參數(shù)，對充分采動的移動與變形的計算分析確定的移動角值為:上山移動角γ= 78°11';下山移動角β=64°53';走向移動角δ= 67°44'。計算結(jié)果表明，非充分采動條件下，各角量值均有較大的減小。

（3）超前影響角 超前影響角是在充分采動條件下，位于工作面前方地表下沉10mm的點至開采工作面邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角。由于本觀測站為非充分采動條件，只能依據(jù)相似條件確定。根據(jù)下沉觀測結(jié)果，第1次 （03年11月）高程觀測時，下沉10mm的點為91號點和92號點，與開采工作面的距離分別為175m和185m，以平均值180m計算，其超前影響角ω=76°12'。

（4）最大下沉速度滯后角 最大下沉速度滯后角是在充分采動條件下，最大下沉速度點與開采工作面邊界的連線和水平線在采空區(qū)一側(cè)的夾角。由于本觀測站為非充分采動條件，只能以最大下沉點來確定。依據(jù)觀測結(jié)果，最大下沉速度在04年1－2月，最大下沉速度點距開采工作面約210m，計算得最大下沉速度滯后角φ=74°06'。

（5）最大下沉角 最大下沉角是最大下沉點與開采工作面中心的連線和水平線在下山一側(cè)的夾角。本觀測站最大下沉點是85號點，距開采工作面中心線245m，計算得最大下沉角θ=71°31'。

概率積分法預(yù)計參數(shù)的結(jié)果表明了非充分采動條件下下沉系數(shù)和主要影響正切減小的特點，通過修正計算得到充分采動條件下的下沉系數(shù)為0.89，主要影響正切為1.98。

4 結(jié)論

（1）基本掌握了7339工作面非充分采動條件下的地表移動盆地范圍和計算參數(shù)，取得了邊界角、超前影響角、最大下沉速度滯后角、最大下沉角等角量參數(shù)和下沉系數(shù)等地表移動計算參數(shù)。

（2）非充分采動條件下，地表移動的下沉系數(shù)和主要影響角正切均有一定程度的減小。在7339工作面的條件下，通過修正計算得到充分采動條件下的下沉系數(shù)為0.89，主要影響正切為1.98。

（3）利用非正規(guī)觀測線進行了地表移動的觀測，取得了相應(yīng)的地表移動角量參數(shù)及地表移動計算參數(shù)，為以后觀測站的設(shè)計提供了較好的參考，節(jié)約了觀測站的投資與保護費用。

［1］謝文兵，何國清.兩類非規(guī)范觀測站的求參方法［J］.徐煤科技，1994（2）:11－12.

［2］高榮久，胡振琪，謝宏全，等.特厚沖積層非主斷面觀測站巖移參數(shù)的求取 ［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006，25 （3）:332－335.

［3］胡友鍵.移動盆地主斷面上與非主斷面上的變形值之間的大小關(guān)系的討論［J］.焦作礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1994，13（2）.

［4］趙立武，周金衛(wèi)，李茂銀，等.非正規(guī)地表移動觀測站數(shù)據(jù)處理的一種新方法［J］.煤炭科技，1999（2）:29－30.

［5］何國清，楊 倫，凌庚娣，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

TD325.4

B

1006-6225（2011）04-0055-03

2011－03－31

王廟春 （1965－），江蘇海門人，工程師，一直從事礦山地質(zhì)測量工作。

［責(zé)任編輯:徐乃忠］