孔庄矿湖堤下采煤沉陷规律实测研究

2011-03-08王庙春

采矿与岩层控制工程学报 2011年4期

关键词：观测线观测站采动

王庙春

（上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿，江苏沛县 221600）

孔庄矿湖堤下采煤沉陷规律实测研究

王庙春

（上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿，江苏沛县 221600）

为监测7339工作面开采对微山湖湖堤、水闸等重要防洪设施的影响，并提供堤坝加固实测数据，孔庄煤矿专门在顺堤河河堤、微山湖西堤和挖工庄河河堤上设置观测线并进行了27次地表沉陷观测。由于观测目的和地形限制，观测线未布设在7339工作面主断面上，为非正规观测站，而煤矿开采沉陷的预计参数大都是根据移动盆地走向和倾向主断面上观测线的实测资料求得。通过对观测资料的分析研究，采用最小二乘原理地表任意点拟合求参的方法，获得了该区地表移动变形规律、各种角值参数和预计参数。

开采沉陷;非规范;移动变形;预计参数

Subsidence Observation of Mining Coal under Lake Dyke in Kongzhuang Colliery

孔庄矿为监测7339工作面开采对微山湖湖堤、水闸等重要防洪建筑物的影响，在7339工作面开采期间设置了河堤观测站，进行了河堤和地表移动的观测，取得了本区域地质条件下较为完整的开采影响河堤及地表移动数据，为评价微山湖防洪设施的安全提供了直接依据。由于观测目的和地形所限，观测线均未设置在7339主断面上，为非正规观测站。针对非规范地表移动观测站数据处理和变形预计参数的求解方法已有较多的研究［1］，如利用非主断面任意方向观测结果的求参程序对观测结果进行求参计算［2］，或讨论非正规观测线上与移动盆地主断面上的变形值之间的大小关系来进行求解［3－4］等。本文对观测数据进行了处理，并运用基于最小二乘法开发原理的相应程序对观测数据进行拟合计算，取得较为完整的地表移动计算参数，掌握了本区域的地表移动规律，为今后矿区“三下”采煤设计提供技术依据。

1 地质采矿条件

7339工作面位于孔庄煤矿工业广场东侧，王庄新址东南面。最近点距新王庄保护煤柱约475m，距副井约2300m。地面有京杭运河、顺堤河、挖工庄河等河流，切眼位于微山湖湖西堤下方，地面标高33.38～36.20m。倾向长度 136m，走向长度815m，煤层平均倾角 25°，煤层厚度为 3.8～5.58m，平均4.5m，采深平均770m左右。7339工作面自2003年8月开始回采至2004年9月回采结束，采煤方法为轻型放顶煤开采，月推进速度平均为56.2 m。煤层顶板为砂岩和砂质泥岩，局部泥岩伪顶，泥质结构，有较多植物化石碎片和黄铁矿薄膜。煤层底板为泥岩，黑色，质较硬。上覆岩层为砂岩、泥岩、中砂岩和砂质泥岩，岩性中硬。冲积层厚度为140m左右。

2 观测站概况

考虑到观测手段的更新和资料处理的计算机化，为便于测点的保存和日常的观测，观测站的测线依据地形条件，在主剖面附近沿农村的乡间小路和河堤、湖堤上布置。

7339工作面观测站测线及测点与工作面相对位置见观测站布置示意图（图1）。

图1 7339观测站布置

整个观测站分别设置了2条倾向观测线和2条走向观测线，一条倾向线布置在顺堤河河堤上，为下山半盆地剖面线，测线长度为740m;另一条倾向线布置在微山湖湖西堤上，为全盆地观测线，上山外侧测线长约495m，下山外侧测线长约820m，观测线总长为1450m。走向观测线布置在乡间小路和挖工庄河河堤上，位于两条倾斜观测线之间，长度分别为560m和535m，均为非剖面观测线。

布置了6个控制点，控制点的间距为50m，工作点的间距为15～25m，观测站共布置工作测点120个，其中走向线测点41个，倾向线测点79个，控制点位置在两条倾向观测线的外端。

3 观测数据分析

根据观测站设计及观测成果计算要求［5］，对观测数据进行了整理，剔除了个别异常的数据，并对移动角量、计算参数等进行了综合分析。移动角量分析依据实测数据和各角量的计算方法，计算参数分析使用地表移动计算分析软件MKD，采用最小二乘原理，同时考虑到附近7431，7352工作面在观测站观测期间的开采对观测数据的影响，对观测数据进行了多方案的拟合计算分析，以各计算方案的平均值作为该观测站计算分析参数。

3.1 概率积分法预计参数分析

根据观测数据，采用MKD地表移动计算分析软件，对7339工作面的观测站进行了概率积分法预计参数的拟合计算，拟合计算共采用了25种计算方案，分别对走向线、倾向线、下沉和水平移动进行了拟合，拟合参数结果见表1。

求参获得的概率积分法预计参数平均值为:下沉系数η=0.44，主要影响角正切tanβ=0.89，开采影响传播角θ0=73.880，水平移动系数b=0.36。

3.2 水平变形分析

根据本观测站布置的特点，利用开采前后两次的坐标观测结果，对开采影响水平变形进行了较系统地分析。7339工作面的开采产生的水平变形值总量较小，最大水平变形拉伸为+0.97mm/m，压缩为－0.82mm/m。由于倾向线2上的上山测线受外界的干扰较大，使得水平变形结果出现了较大的偏差，无法依据该线获得水平变形规律。而其他几条观测线则基本反映了7339工作面开采影响的变形规律。

3.3 移动角量分析

（1）边界角边界角是以地表下沉10mm的点与开采边界的连线和水平线在煤柱一侧的夹角。如果不考虑冲积层的单独影响则为综合边界角。观测结果显示，控制点均有不同程度的下沉，认为其为观测数据误差，对下沉进行修正。

由于观测站倾向线2的上山部分过早地遭到破坏，无法直接利用数据得到上山边界角。利用计算取得的参数，对采动的移动与变形的计算分析确定的上山综合边界角为72°56'。

根据修正结果，下沉边界点为72号点，距下山边界500m，依据下山采深768m，确定其下山边界角为56°56'。

由于走向观测线的布设方式，未直接测到走向边界角，利用计算取得的参数，对采动的移动与变形计算分析确定的走向综合边界角为61°59'。

（2）移动角移动角是以开采影响变形达到倾斜变形i=3.0mm/m，曲率变形K=0.2×10－3mm/m，水平变形ε=2.0mm/m的点中最外边的一个点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。由于7339工作面为非充分采动工作面，整个观测站的变形量较小，因此，未直接测到移动角值。利用计算取得的参数，对充分采动的移动与变形的计算分析确定的移动角值为:上山移动角γ= 78°11';下山移动角β=64°53';走向移动角δ= 67°44'。计算结果表明，非充分采动条件下，各角量值均有较大的减小。

（3）超前影响角超前影响角是在充分采动条件下，位于工作面前方地表下沉10mm的点至开采工作面边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。由于本观测站为非充分采动条件，只能依据相似条件确定。根据下沉观测结果，第1次（03年11月）高程观测时，下沉10mm的点为91号点和92号点，与开采工作面的距离分别为175m和185m，以平均值180m计算，其超前影响角ω=76°12'。

（4）最大下沉速度滞后角最大下沉速度滞后角是在充分采动条件下，最大下沉速度点与开采工作面边界的连线和水平线在采空区一侧的夹角。由于本观测站为非充分采动条件，只能以最大下沉点来确定。依据观测结果，最大下沉速度在04年1－2月，最大下沉速度点距开采工作面约210m，计算得最大下沉速度滞后角φ=74°06'。

（5）最大下沉角最大下沉角是最大下沉点与开采工作面中心的连线和水平线在下山一侧的夹角。本观测站最大下沉点是85号点，距开采工作面中心线245m，计算得最大下沉角θ=71°31'。

概率积分法预计参数的结果表明了非充分采动条件下下沉系数和主要影响正切减小的特点，通过修正计算得到充分采动条件下的下沉系数为0.89，主要影响正切为1.98。