毛烏素沙漠區(qū)煤層開采地表移動(dòng)變形規(guī)律研究

郭慶彪 郭廣禮 陳龍浩 呂 鑫

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；3.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

毛烏素沙漠區(qū)煤層開采地表移動(dòng)變形規(guī)律研究

郭慶彪1,2,3郭廣禮1,2,3陳龍浩1,2,3呂 鑫1,2,3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；3.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

我國(guó)西部礦區(qū)生態(tài)脆弱，煤炭資源開采引起的地表移動(dòng)變形是破壞生態(tài)環(huán)境的重要因素。為了研究毛烏素沙漠礦區(qū)采煤引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律，在某礦首采面上方建立了地表移動(dòng)觀測(cè)站，利用球心空間擬合RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了地表移動(dòng)變形定期監(jiān)測(cè)。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：①地表移動(dòng)過程是連續(xù)漸變的，地表移動(dòng)盆地邊界角為58°，移動(dòng)角為63°，裂縫角為79°；②地表下沉速度快，實(shí)測(cè)最大下沉速為110 mm/d，最大下沉速度系數(shù)為3.14，明顯大于我國(guó)東部礦區(qū)類似深厚比條件下中厚煤層綜采的下沉速度；③地表楔形裂縫發(fā)育，主要位于采區(qū)邊界和工作面前方，拐角處呈現(xiàn)弧形狀態(tài)；④地表移動(dòng)分布規(guī)律基本符合概率積分法模型，利用遺傳算法反演得到了概率積分法模型參數(shù)。上述研究成果將為類似礦區(qū)合理留設(shè)各類保護(hù)煤柱、地表沉陷預(yù)測(cè)以及設(shè)計(jì)“三下”采煤方案提供參考。

毛烏素沙漠區(qū) 開采沉陷 移動(dòng)變形規(guī)律 球心空間擬合RTK測(cè)量技術(shù)

我國(guó)西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，采煤引起的地表移動(dòng)變形無(wú)疑使得原本脆弱的生態(tài)環(huán)境雪上加霜，研究區(qū)域地處毛烏素沙漠內(nèi)，位于陜西省榆林地區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市之間，毛烏素沙漠礦區(qū)地表在天然狀態(tài)下為松散狀態(tài)，具有透水性強(qiáng)，抗拉、壓強(qiáng)度低等特點(diǎn)[1-2]，煤炭資源綜放開采勢(shì)必引起該區(qū)地表產(chǎn)生劇烈的移動(dòng)變形，容易衍生地裂縫、損毀建(構(gòu))筑物等二次災(zāi)害，弱化礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境[3-7]。本文依據(jù)某礦首采面地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了毛烏素沙漠區(qū)采煤引起的地表移動(dòng)變形的動(dòng)、靜態(tài)規(guī)律，得到了該區(qū)采煤地裂縫的發(fā)育規(guī)律，并基于遺傳算法獲得了概率積分法模型預(yù)計(jì)參數(shù)。

1 地質(zhì)采礦條件

研究區(qū)位于毛烏素沙漠地帶，地表新月形沙丘遍布，地形有一定起伏，平均高程為1 215 m，低洼地段有積水。首采面位于井田首采區(qū)北翼東北部，工作面走向長(zhǎng)度為2 438 m，傾向長(zhǎng)度為250 m。工作面上覆地層自上而下依次為第四系、白堊系、侏羅系中統(tǒng)安定組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)延安組。開采煤層為延安組第四段下旋回頂部的2號(hào)煤層，煤層傾角約0.5°。煤質(zhì)以不黏煤為主，次為長(zhǎng)焰煤，個(gè)別弱黏煤，煤質(zhì)變化小，煤層平均厚度約2.67 m，屬穩(wěn)定型中厚煤層，平均埋深350 m。采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，推進(jìn)速度為12 m/d。

2 觀測(cè)站布設(shè)及監(jiān)測(cè)方法

經(jīng)實(shí)地踏勘，結(jié)合工作面上方地形特點(diǎn)和地物分布情況，實(shí)際布設(shè)的地表移動(dòng)觀測(cè)線為曲線狀(沿路布設(shè))，半條走向觀測(cè)線和半條傾向，如圖1所示，平均測(cè)點(diǎn)間距為25 m。利用球心空間擬合RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，該技術(shù)可以避免出現(xiàn)對(duì)中桿傾斜引起的測(cè)量誤差，提高RTK測(cè)量精度[8]。觀測(cè)成果符合《煤礦測(cè)量規(guī)程》精度要求[9]，可靠性強(qiáng)。

圖1 研究區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)

3 地表移動(dòng)變形規(guī)律研究

3.1 地表移動(dòng)盆地特征及相關(guān)角量參數(shù)

通過對(duì)末期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到了地表移動(dòng)盆地特征，見圖2、圖3。

圖2 走向觀測(cè)線下沉和傾斜曲線

圖3 傾向觀測(cè)線下沉和傾斜曲線

基于最小二乘準(zhǔn)則進(jìn)行曲面擬合，得到采區(qū)地表局部三維下沉圖，見圖4，實(shí)測(cè)地表最大下沉值為1 019 mm，由于傾向方向開采尺寸較小，未達(dá)到充分采動(dòng)，預(yù)計(jì)未來(lái)相鄰工作面開采后地表最大下沉值將會(huì)進(jìn)一步增加。地表傾斜從邊界至拐點(diǎn)間漸增，拐點(diǎn)至采空區(qū)中央逐漸減小，拐點(diǎn)處達(dá)到最大，約為4 mm/m，如圖2、圖3所示；地表水平變形基本符合近水平煤層開采的一般規(guī)律：盆地邊緣為拉伸區(qū)域，實(shí)測(cè)最大拉伸變形為3.4 mm/m，中央為壓縮區(qū)域，實(shí)測(cè)最大壓縮變形為7.3 mm/m，拐點(diǎn)處水平變形為0。但該區(qū)地表水平變形具有突變的特性(見圖5)，水平變形達(dá)到最大值前，拉伸變形緩慢增加，增加幅值很小，幾乎為0，而在接近煤壁上方時(shí)突變至最大，在拐點(diǎn)處又瞬間減小為0，而后呈現(xiàn)壓縮變形。

利用圖解法獲取實(shí)測(cè)地表移動(dòng)盆地邊界角為58°、移動(dòng)角為63°、裂縫角為79°，如圖6、圖7所示。其中裂縫角略大于相似深厚比條件下的東部礦區(qū)的裂縫角。考慮到采區(qū)高強(qiáng)度開采導(dǎo)致采動(dòng)巖體裂隙發(fā)育以高度角為主[10]；加之毛烏素沙漠區(qū)地表呈天然松散狀態(tài)，具有削弱地表水平移動(dòng)、抑制水平變形傳播、抗拉、壓強(qiáng)度低等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致該區(qū)采煤引起的水平變形具有突變性，且裂縫角略大。

圖4 采區(qū)地表局部下沉示意

圖5 傾向方向水平移動(dòng)變形曲線

圖6 地表移動(dòng)盆地邊界角示意

圖7 地表移動(dòng)盆地裂縫角示意

3.2 動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)規(guī)律及參數(shù)分析

實(shí)測(cè)工作面推進(jìn)過程中的地表移動(dòng)超前影響距為110 m，超前影響角為72°。工作面推進(jìn)到不同位置時(shí)走向觀測(cè)線各測(cè)點(diǎn)的下沉速度分布情況見圖8。

圖8 工作面推進(jìn)過程中的下沉速度曲線

由圖8可知，工作面從A點(diǎn)(推進(jìn)463 m)推進(jìn)到B點(diǎn)(推進(jìn)660 m)，采空區(qū)面積逐漸增大，地表各點(diǎn)的下沉速度逐漸增大，下沉速度曲線從曲線1變化為曲線2；當(dāng)工作面由B點(diǎn)推至C點(diǎn)(推進(jìn)700 m)時(shí)，地表下沉速度曲線形狀基本不變，最大下沉速度也不再增大，且最大下沉速度點(diǎn)有規(guī)律地向前移動(dòng)，表明此時(shí)工作面走向方向已達(dá)到充分采動(dòng)，下沉速度曲線從曲線2變化至曲線3，最大下沉速度滯后角最終穩(wěn)定在61°左右，實(shí)測(cè)地表最大下沉速度為110 mm/d，利用經(jīng)驗(yàn)公式[11-12]，計(jì)算得最大下沉速度系數(shù)為3.14，明顯大于類似深厚比條件下我國(guó)東部礦區(qū)中厚煤層綜采的下沉速度[13-15]。

此外，影響工作面下沉速度的因素還有：①工作面推進(jìn)速度過快，達(dá)12 m/d；②采區(qū)覆巖巖性偏軟，具有含水層，開采擾動(dòng)含水層致使?jié)撍幌陆?，產(chǎn)生附加變形；③采區(qū)地表為毛烏素沙漠覆蓋，在天然狀態(tài)下為松散狀態(tài)，具有工程性能差，承載力低，透水性強(qiáng)，抗拉、壓強(qiáng)度低等特點(diǎn)。

3.3 地裂縫發(fā)育特征

首采面推進(jìn)到475 m時(shí)，地表首次出現(xiàn)裂縫，此時(shí)地表裂縫處水平拉伸變形約為2.0 mm/m。裂縫主要發(fā)育在切眼和開采邊界上方，拐角處呈弧形狀態(tài)；推進(jìn)過程中垂直于推進(jìn)方向的裂縫逐漸消失，而平行于工作面順槽方向的地裂縫延伸長(zhǎng)度不斷增大，最終表現(xiàn)為永久性裂縫，基本為楔形，開口寬度為2～4 cm，具體深度不詳，符合水平煤層地裂縫發(fā)育的一般規(guī)律。同時(shí)毛烏素沙漠地區(qū)位于我國(guó)高緯度地區(qū)，采區(qū)的凍脹裂縫與采煤地裂縫相互聯(lián)系，見圖9。

3.4 概率積分法模型預(yù)計(jì)參數(shù)的確定

經(jīng)過上述分析，毛烏素沙漠礦區(qū)中厚煤層綜采條件下的地表移動(dòng)變形分布規(guī)律基本符合概率積分法模型。利用遺傳算法[16]對(duì)最終下沉和水平移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解尋優(yōu)，求取了概率積分法模型的預(yù)計(jì)參數(shù)，結(jié)果見表1。各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉值與擬合下沉值對(duì)比見圖10。

圖9 地裂縫發(fā)育情況

表1 基于遺傳算法反演的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)

圖10 地表觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉值與擬合值對(duì)比

由圖10可知，利用概率積分法預(yù)計(jì)的下沉值與實(shí)測(cè)地表下沉值變化趨勢(shì)一致，最大差值為84 mm，位于盆地邊界處，最小差值為1 mm，位移盆地中央，假定實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為真值，利用中誤差公式，求得預(yù)計(jì)差值中誤差為52 mm。綜合考慮采區(qū)地質(zhì)條件(平均煤厚為2.67 m，平均埋深為350 m，毛烏素沙漠地表工程性能差、抗拉、壓強(qiáng)度低)和實(shí)際開采情況(走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，推進(jìn)速度為12 m/d，走向方向達(dá)到超充分采動(dòng))，該區(qū)煤層將導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大地移動(dòng)變形，即便上述最大預(yù)測(cè)差值達(dá)到84 mm，也僅相當(dāng)于最大下沉值的5.4%，完全滿足工程需求。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)毛烏素礦區(qū)某礦首采面地表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：傾向方向未達(dá)到充分采動(dòng)，實(shí)測(cè)地表最大下沉值為1 019 mm，利用圖解法得到邊界角為58°，移動(dòng)角為63°，裂縫角為79°。其中裂縫角略大于相似深厚比條件下的東部礦區(qū)的地裂縫角。

(2)由于工作面推進(jìn)速度過快，加之采區(qū)特有的地質(zhì)采礦條件，地表最大下沉速度為110 mm/d，最大下沉速度系數(shù)為3.14，明顯大于類似深厚比條件下我國(guó)東部礦區(qū)中厚煤層綜采的下沉速度。

(3)利用遺傳算法反演得到概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)：下沉系數(shù)為0.58，水平移動(dòng)系數(shù)為0.3，拐點(diǎn)偏移距為45 m，主要影響角正切值為1.6，開采影響傳播角為90°。預(yù)計(jì)相鄰多個(gè)工作面開采后，高位厚硬巖層彎曲變形將進(jìn)一步增加，現(xiàn)有的水平離層裂隙將閉合、壓密，下沉系數(shù)將有可能增大。

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(責(zé)任編輯 王小兵)

ResearchonSurfaceMovementandDeformationLawofCoalSeamMininginMuUsDesert

Guo Qingbiao1,2,3Guo Guangli1,2,3Chen Longhao1,2,3Lu Xin1,2,3

(1.SchoolofEnvironmentScience&SpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China;2.NASGKeyLaboratoryofLandEnvironmentandDisasterMonitoring，Xuzhou221008，China;3.JiangsuKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationEngineering，Xuzhou221008，China)

The ecological environment is very poor in the western area of China，and the surface movement deformation induced by coal seam mining is an important factor that weakens the ecological environment.In order to obtain the surface movement and deformation law of the coal mining in Mu Us Desert，the surface movement observation stations are built above the first mining face of a mine，and the space fitting RTK measurement technology is adopted to conduct surface movement deformation monitoring on a regular basis.Then the conclusions are obtained by analyzing the measurement data，showing as follows:①the surface deformation process is continuous gradient，and the boundary angle，movement angle and crack angle of surface movement basin are 58°，63°，79°respectively；②the surface subsidence velocity is faster than that of the similar geological conditions in the eastern area，with the maximum subsidence velocity 110 mm/d，and the maximum subsidence velocity coefficient value is 3.14；③the surface wedge appears as fracture，and most of them are located at the mining boundary and the area in front of mining area，the corner of ground fissures present the state of arc；④The distribution of surface movement deformation law can meet the model of the probability integration basically，and the parameters of probability integration model are obtained by using genetic algorithm.All the results above can provide some reference for setting all kind of protective coal pillars，pre-warning of surface subsidence and designing of the “three-under” coal mining.

Mu Us desert，Mining subsidence，Movement and deformation law，Space fitting RTK measurement technology

2014-09-21

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB13B03)，國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(編號(hào)：41104011)，江蘇省高效優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(編號(hào)：SZBF2011-6-B35)。

郭慶彪(1990—)男，博士研究生。

郭廣禮(1965—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD325，TD327

A

1001-1250(2014)-12-147-05