煤礦開(kāi)采引起地表移動(dòng)變形的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

孫鵬飛

(山西潞安集團(tuán) 溫莊煤礦,山西 長(zhǎng)治 046103)

煤炭資源作為我國(guó)的主要能源,占一次能源構(gòu)成的60%左右。由于煤炭資源的開(kāi)采,勢(shì)必會(huì)引起地表移動(dòng)和變形,進(jìn)而造成水土流失、地表沉陷、山體滑坡、水源破壞和污染等一系列礦山環(huán)境問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái),煤炭開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形一直困擾著礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)。為了確保煤炭開(kāi)采形成采空區(qū)后,不至于造成大的安全事故和環(huán)境問(wèn)題,對(duì)地表移動(dòng)變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和掌握其規(guī)律是非常必要的[1-5]。以潞安礦區(qū)某礦回采工作面為例,通過(guò)建立地表巖移觀測(cè)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),為研究該礦的地表巖移規(guī)律提供實(shí)測(cè)資料。

1 工作面概況

試驗(yàn)工作面位于該礦井的中南部,上覆巖層由砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰?guī)r及表土層組成;其中表土層厚度為132m,地表的地勢(shì)平坦,以耕地為主,地面標(biāo)高+940 m～+945 m。該工作面開(kāi)采煤層為3號(hào)煤層,沿煤層走向布置,周圍均為未采動(dòng)影響區(qū)域。

試驗(yàn)工作面為本采區(qū)首采工作面,工作面開(kāi)切眼長(zhǎng)度為300 m,推進(jìn)長(zhǎng)度為1 200 m,煤層平均厚度為6.17 m,傾角為0°～5°,開(kāi)采深度為320 m,工作面生產(chǎn)期間,平均推進(jìn)速度為3.66 m/d,采煤方法采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤方法,頂板管理采用全部垮落法。該工作面于2013年7月開(kāi)始回采,至2014年9月開(kāi)采完畢。

2 地表巖移觀測(cè)站的建立

根據(jù)試驗(yàn)工作面的工程地質(zhì)條件和對(duì)應(yīng)地表的地形地貌等因素,結(jié)合煤炭開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形的一般規(guī)律,地表巖移觀測(cè)站內(nèi)沿工作面走向方向和傾向方向各設(shè)置1條觀測(cè)線。

為了保證地表移動(dòng)變形的測(cè)量精度,同時(shí)考慮便于數(shù)據(jù)采集和后期處理,工作面共布置8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)在工作面開(kāi)采范圍向外160 m處均勻分布(參考類似礦區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),表土層移動(dòng)角取55°,基巖移動(dòng)角取72°)。工作測(cè)點(diǎn)沿走向和傾向觀測(cè)線布置,間距為30 m。

該地表巖移觀測(cè)站于2013年6月進(jìn)行了基準(zhǔn)點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)的布置工作,并進(jìn)行了連接測(cè)量。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)工作面地表移動(dòng)變形的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)可以得出:試驗(yàn)工作面開(kāi)采影響期間內(nèi),地表移動(dòng)變形是漸變的;隨著時(shí)間的推移,變形值逐步增大,達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定。地表移動(dòng)變形穩(wěn)定后,沿走向和傾向觀測(cè)線的下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形值如表1所示。

表1 地表移動(dòng)與變形值Table 1 Surface movement and deformation values

通過(guò)對(duì)開(kāi)采影響范圍內(nèi)不同位置的工作面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出:地表移動(dòng)變形的初始期為30 d,活躍期持續(xù)時(shí)間為120 d,衰退期為270 d;進(jìn)入地表沉降穩(wěn)定后,持續(xù)時(shí)間為14個(gè)月?；钴S期占總移動(dòng)時(shí)間的28%,下沉量占總沉降量的85%左右,其中最大下沉速度為76.8 mm/d,下沉速度超過(guò)10 mm/d的時(shí)間為80 d,占活躍期的67%,其下沉量占活躍期沉降量的95%, 其下沉量占總沉降量的80%;衰退期為270d,下沉量占總沉降量的15%左右。

3.2 地表移動(dòng)特征參數(shù)計(jì)算

目前,煤礦開(kāi)采引起地表移動(dòng)變形的預(yù)計(jì)方法的原理是基于概率積分法。該預(yù)計(jì)方法所需的地表移動(dòng)特征參數(shù)主要包括:下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切、拐點(diǎn)偏移系數(shù)、影響傳播角系數(shù)。根據(jù)地表巖移觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用曲線擬合的方法,計(jì)算出該試驗(yàn)工作面的地表移動(dòng)特征參數(shù):下沉系數(shù)q為0.80,水平移動(dòng)系數(shù)b為0.31,主要影響角正切tg β為2.70,拐點(diǎn)偏移系數(shù)S/H為0.11,影響傳播角系數(shù)K為0.8。

地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)軟件采用上述計(jì)算出的地表移動(dòng)特征參數(shù)進(jìn)行地表移動(dòng)變形的預(yù)計(jì);進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)工作面地表移動(dòng)變形的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較,沿走向和傾向觀測(cè)線的下沉、傾斜、曲率和水平移動(dòng)、水平變形的預(yù)計(jì)曲線與實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖1—圖10(注:藍(lán)色曲線為預(yù)計(jì)曲線,紅色曲線為實(shí)測(cè)曲線)。

通過(guò)比較地表移動(dòng)變形沿走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線的下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形的預(yù)計(jì)曲線與實(shí)測(cè)曲線可知,地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)軟件的預(yù)計(jì)結(jié)果與地表巖移觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度高,預(yù)計(jì)結(jié)果能滿足工程要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)試驗(yàn)工作面開(kāi)采影響期間內(nèi),地表移動(dòng)變形是漸變的;隨著時(shí)間的推移,變形值逐步增大,達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定。這一規(guī)律符合煤礦開(kāi)采引起地表移動(dòng)變形的一般規(guī)律。

2)地表移動(dòng)變形穩(wěn)定后,沿走向和傾向觀測(cè)線的最大下沉值分別為4 089 mm和4 195 mm,最大傾斜值分別為28.2 mm/m和40.0 mm/m,最大曲率值分別為0.5×10-3/m～-0.5×10-3/m和0.5×10-3/m～-0.6×10-3/m,最大水平移動(dòng)值分別為1 350 mm和1 424 mm,最大水平變形值分別為17.6 mm/m～-18.4 mm/m和18.0 mm/m～-20.7 mm/m。

3)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)工作面不同位置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)可以得出:地表移動(dòng)變形的活躍期占總移動(dòng)時(shí)間的28%,下沉量占總沉降量的85%左右;最大下沉速度為76.8 mm/d。

4)該試驗(yàn)工作面的地表移動(dòng)特征參數(shù):下沉系數(shù)q為0.80,水平移動(dòng)系數(shù)b為0.31,主要影響角正切tgβ為2.70,拐點(diǎn)偏移系數(shù)S/H)為0.11,影響傳播角系數(shù)K為0.8。通過(guò)比較地表移動(dòng)變形沿走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線的下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形的預(yù)計(jì)曲線與實(shí)測(cè)曲線可知,地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)軟件的預(yù)計(jì)結(jié)果與地表巖移觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度高,預(yù)計(jì)結(jié)果能滿足工程要求。

5)通過(guò)該礦井對(duì)地表移動(dòng)變形現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為以后建立地表巖移觀測(cè)站提供了參考,為該礦井已規(guī)劃開(kāi)采區(qū)域的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)提供基礎(chǔ)資料,為煤炭開(kāi)采的工程設(shè)計(jì)和礦井施工提供理論依據(jù),同時(shí)對(duì)“三下”采煤具有一定的指導(dǎo)意義。

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