巨厚白垩系砂岩含水层下综放开采覆岩及地表移动实测分析

2014-04-18杨福军

采矿与岩层控制工程学报 2014年2期

杨福军

(神华大雁工程建设有限公司，内蒙古呼伦贝尔021122)

覆岩及地表移动是煤矿井下开采引起的一个复杂的、一定周期的运动过程。目前，通过钻孔冲洗液漏失量实测及设置地表移动观测站 (网)，是进行覆岩破坏及地表移动与变形的观测最为直接的方法。由于高强度综放开采一次采出厚度明显增大，使得地表及覆岩的移动、破坏更为剧烈，因此覆岩破坏高度与地表移动规律与其他采煤方法相比具有明显的差异。目前，国内外对薄或厚煤层分层开采(一次采高3m)引起的覆岩破坏与岩层移动规律进行了大量的研究，但由于影响覆岩破坏以及地表移动的因素众多，而且缺乏综放开采覆岩破坏及地表规律的实测，现有的经验和规定均不能在“三下”开采中推广［1］。另外，作为下沟煤矿至今未开展过地表移动观测，本地区也同样缺少这方面的基础数据。因此，随着开采范围的增大，终将会面临除水体下开采之外的建 (构)筑物下开采问题，为了达到既采出被压的煤炭，又能保护建 (构)筑物的目的，也需要进行地表移动观测。

1 矿井概况

下沟煤矿位于陇东黄土高原的东南部，泾河从井田北部流过，地表为泾河河滩与台地。井田南部为水帘煤矿，东部为火石咀煤矿，西部为大佛寺井田，北部泾河以北为尚没开发的官牌井田和小庄井田。区内312国道 (西安至兰州)从本矿工广外通过，2005年开工建设的西安—平凉高速公路和规划中的西安—平凉铁路从本井田北部泾河北岸通过。主采侏罗系下统8号煤层，泾河下煤层厚8～14m左右，煤层埋深大于300m。地层有:白垩系下统、侏罗系中统、中生界三迭系上统。在基岩以上有新生界第四系地层，成煤地层为侏罗系延安组。井田内出露的地层仅有侏罗系直罗组及以上地层。而在泾河河床第四系冲积层下，全为白垩系洛河组厚层砂岩，其中洛河组厚84.85m，宜君组厚25.55m，是影响泾河下采煤的主要含水层。

2 覆岩破坏高度实测

我国曾采用钻孔外部流量法、钻孔内部流速法、井下工作面直接观测法等方法对不同地质条件下的上百个工作面的覆岩破坏情况进行过现场测定。钻孔冲洗液漏失量观测方法是一种传统的方法，该方法就是在采空区对应的地面上布置钻孔，观测钻进过程中的钻孔冲洗液漏失量、钻孔水位变化以及在钻进过程中的各种异常现象 (如掉钻、卡钻、吸风、瓦斯涌出等)，分析确定导水裂缝带的发育高度［2－3］。

2.1 观测钻孔布置

此次共设计“两带”孔2个，编号分别为D1，D2，施工地点是在ZF2801工作面采空区上方的地表，采用走向长壁放顶煤采煤法，顶板管理为全部垮落法。开采煤层为侏罗系下统8号煤层，泾河下煤厚8～14m左右，煤层倾角2°左右，煤层总体结构较简单，煤层开采厚度平均为9.3m，采深为317～330m。钻孔布置如图1所示。

图1 观测钻孔与测线布置

2.2 观测结果分析

图2为D1孔冲洗液漏失量随钻进深度变化曲线。从图2中可以看出，孔深201.32～212.67m之间冲洗液漏失量变化不大，总体趋势趋于平缓;从孔深212.67m开始，冲洗液漏失量开始增大，而且随着孔深的增加漏失量有逐渐加大的趋势，并且所采取的岩芯较破碎，有纵向裂缝;直至在孔深229.27m处冲洗液循环中断，全部漏失，经注水实验后并无返水［1］。因此判定孔深212.67m处为导水裂缝带的顶点，钻探表明该位置见底板深度为333.9m。经计算该孔导水裂缝带高度111.81m，为采厚的12.02倍。

图2 D1号钻孔冲洗液漏失量随孔深变化曲线

图3为D2号孔冲洗液漏失量随钻进深度变化曲线图。由图 3可以看出，在孔深 175.20～188.37m之间冲洗液漏失量变化不大，总体趋势趋于平缓;从孔深188.37m开始，冲洗液漏失量开始增大，而且随着孔深的增加漏失量有逐渐加大的趋势，并且所采取的岩芯较破碎，有纵向裂缝;至孔深190.37m处冲洗液循环中断，全部漏失，经注水实验后并无返水［1］。因此判定孔深188.37m处为D2孔导水裂缝带的顶点。钻探表明该位置见底板深度为323.60m，给计算得导水裂缝带高度为125.81m，为采厚的13.53倍。

图3 D2号钻孔冲洗液漏失量随孔深变化曲线

3 地表移动观测分析

3.1 观测线布置

首采工作面上方地表为泾河和河漫滩地。河漫滩地势平坦，没有任何障碍物，对观测线布置影响较小。本观测站由2条观测线组成，走向线 (A线)为未通过工作面半剖面观测线，布置在工作面西侧，测线总长为305m，沿河漫滩地的道路布置;倾向线 (B线)长受北部山区地形的影响，依地形沿公路布置，与工作面斜交，为通过工作面的半剖面线，测线总长870m，考虑开采影响范围和后期观测的需要，控制点均布置在西侧，由于只在单方面设置控制点，各条测线均设置3个控制点。按《煤矿测量规程》要求，300m以上采深的观测站工作测点间距取25m。泾河下首采工作面开采深度316～347m，大于300m采深，因此采用25m的点间距，考虑到倾斜观测线为斜交观测线，工作面测点间距定为30m。因此，本观测站共布设46个点，其中走向线12个工作面测点，3个控制点;倾向线29个工作面测点，3个控制点，其中交叉点为走向线与倾斜线共用点。各工作面测点位置详见图1。另外，控制点间距离为50m，控制点与起始测点距离分别为25m和30m。

3.2 地表移动观测方法

(1)控制网联测为了保证观测站的各测点精度，确保控制点不受工作面采动的影响，控制网联测均采用距离采区较远的起算点，将控制点联结为网形，以确定井上下的对应关系，以加强控制点的整体精度。在观测点埋好10～15d，点位固结之后，为了确定观测站与开采工作面之间的相互关系，首先应在观测站控制点与矿区控制网之间的连接测量，以确定观测站控制点的平面和高程，然后再根据它来测定控制点和工作测点的平面位置。需独立连测2次。平面连测采用导线网，高程连测形成水准网。

(2)平面连测选用矿井范围内与控制点较近的固定建筑物为起算点，与观测站控制点R1，R2，R3，R4布设E级GPS控制网，作业方法及精度要求按(测量规范)有关条款执行。

(3)高程连测与平面连测一样。考虑到井下开采对地表稳定性的影响，可以选取与观测站控制点较近的固定建筑物的水准点作为高程连测的起算数据，与观测站各控制点形成Ⅲ等水准网。高程连测的作业方法及精度要求按《测量规程》有关要求执行。

(4)日常水准测量日常水准测量是观测站最大测量工作，定期的水准测量是掌握地表移动规律，依据观测成果的要求，日常水准观测自工作面开采开始，工作面推进150m后，每半月进行1次水准测量，工作面推过500m后，每月1次测量，开采结束半年后每2个月进行1次水准测量，直到6个月内的下沉值不超过30mm时，认为地表移动稳定。前后共进行了7次水准测量，由于下沉值较小，水准测量要求按《煤矿测量规程》Ⅲ等要求进行，作业方法及精度要求按《煤矿测量规程》第33～34条执行。

(5)全面观测全面观测包括测点的水准测量和测点的点位坐标测量，共进行了5次全面观测。最初全面观测应在连测后进行2次，须在地表移动前完成，当观测结果符合要求 (同一点高程差≤10mm，点位坐标差≤8mm)，取2次观测的平均值作为最初观测数据。地表移动过程中进行2次全面测量，测量时间确定为每个工作面井下开采至开采结束后1个月。地表移动稳定后还应进行2次全面观测，2次限差符合要求，取平均值作为全面测量的最终结果。全面测量时的作业方法及精度要求按《煤矿测量规程》第13～24条和33～34条执行。

3.3 观测资料及分析

根据观测线观测的下沉值绘制成图4和图5。由图4、图5可知，A线的A3点不仅未下沉，而且上升141mm，a10点上升了45mm，而a7点下沉值达到152mm，比前后各点均大，因此，以上这3点均属异常点。而A线的其他各点的下沉值都不大，最大的a11点的下沉值仅为65mm。而B线的b13点下沉值为137mm，b23点下沉值为114mm，这两点的下沉值均大于B线的其他下沉值，也属异常点。而B线的其他各点的下沉值也不大，最大的b12点的下沉值仅为79mm。由于下沉值太小，未能拟合出岩移参数。

图4 A线实测下沉曲线图

图5 B线实测下沉曲线图

3.4 地表移动偏小原因分析

试采工作面最大开采厚度为10.1m，而最小开采厚度为7.7m，工作面平均开采厚度为9.3m，而观测到的最大下沉值仅为79mm。这是非常小的，分析其原因主要有以下几点:

(1)上覆岩层岩性及结构特征对岩层移动变形的控制试采的ZF2801工作面覆岩结构是上硬下软类型，上部的白垩系洛河和宜君砂岩坚硬，厚度大，厚度约为110m，因此成为控制地表下沉的关键层。同时由于工作面开采宽度不大，又有两侧煤柱支撑，因此，关键层不会产生破断，只产生了轻微的弯曲，所以地表移动变形值较小［2］。

(2)开采充分度相对较小试采工作面的采深为316～347m，平均采深为332m，而试采工作面开采宽度为93.4m，其采宽采深之比仅为28%，由于开采不充分，因此，地表移动变形值相应就小。

此次试采，地表岩移观测值虽然小，但也证明了下沟井田洛河、宜君砂砾岩对地表岩层移动变形的控制作用，同时也证明了开采充分度对地表移动变形的影响，从而对下沟井田今后进行建 (构)筑物下、铁路、公路下综放开采工作面的设计具有指导意义。