西山煤矿设立地表岩移观测站的研究探讨

刘铜菊，康新亮

(西山煤电集团公司 地质处,山西 太原 030053)

1 建立观测站的意义

西山矿区从20世纪30年代开始大规模开采，矿区采空区面积不断扩大，加上矿区处于城乡结合部，井田范围内分布着大小村庄和铁路专用线，地表建筑物密集，为了保护地表建筑、铁路和河流不受采动影响，矿区在煤炭开采过程中留设大量的保护煤柱。由于西山矿区地形、地貌较为复杂，致使矿井在留设保护煤柱时，出现了部分煤柱尺寸不合理的现象。20世纪60年代—90年代，西山矿务局与本学科技术最前沿的大专院校合作进行了地表移动和岩层移动参数的研究观测工作，获取山区地表移动参数。1995年，该局制定了《西山矿区保护煤柱设计规程(试行)》经山西煤管局批复同意试行。

西山矿区经过几十年长期开采，现各矿井都已开采中下组煤层，使岩层和地表的破坏程度加剧，破坏范围增大，原对上组煤研究得出的岩移参数已不能完全适用当前地面建筑物留设煤柱的要求。正在使用的《西山矿区保护煤柱设计规程(试行)》亟需进行修订。所以首先在西山煤电集团官地矿建立岩层与地表移动观测站，进一步研究重复采动对建筑物的影响规律，得出合理的岩移参数，保证留设煤柱的正确性。

2 建立岩移工作面观测站

2.1 观测站的地质采矿条件

2009年在西山煤电官地矿下组煤18116工作面对应地表建立地表移动观测站，通过定期观测，对该工作面采动引起的地表变形进行了分析研究，得出了其相关的开采移动变形参数。该工作面煤层倾角约5°，工作面采用高支架放顶煤开采技术，上部2#、3#、6#煤层均为采空区。8#煤标高1 034～1 060 m，该工作面平均回采厚度约7.3 m。

2.2 观测站布设

2.2.1观测站位置的确定

在工作面倾斜方向上，走向观测线(A线)的位置在工作面下山方向边界上部67.9 m处(L×cosα/2-H0/tgθ=81.7-13.8=7.9 m)

设1条倾斜观测线(B线)，到开切眼的距离D应满足公式：

D≥(H0-h)ctg(δ-△δ)+hctgφ且D≥H0ctgφ

由于山区实际地形较复杂，对布设测线长度、监测点数和间距有较大影响，通过对个别值做一定调整，最终确定观测线长度及方位、控制点数、监测点数和间距，见表1。

表1 地表移动观测线长度、控制点、监测点及方位表

2.2.2地表移动观测站的常规观测

地表移动观测的基本内容是在采动过程中，定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化。地表移动观测站的常规观测工作分为：观测站的连接测量、全面观测、日常观测、地表破坏的测定和编录。测量采用GPS观测方法， GPS观测采用静态定位模式，高程采用大地高程。

3 观测站实地观测与结果分析

观测时间与工作面开采情况见表2。

表2 观测时间与工作面开采情况表

3.1 地表移动变形值计算

外业实测资料经整理，通过以下公式计算出地表移动盆地内移动和变形的指标：下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形。再通过计算值绘制各种曲线图以分析地表移动变形情况。

3.2 地表下沉分析

为了更好地分析地表下沉的边界以及其它地表移动变形情况，现将地表终态下沉曲线进行插值拟合，下沉盆地走向和倾向主断面地表终态实测下沉值与拟合值见图1,图2。

图1 走向主断面地表终态实测下沉值及其拟合图

图2 倾向主断面地表终态实测下沉值及其拟合图

从图1,图 2可知，地表最大下沉值为4.6 m。倾向下沉最大点距离工作面下巷64.3 m处，验证了走向观测线设计基本处在下沉盆地主断面上。走向下沉值可以反映本次开采引起地表移动变形的规律，由图1走向拟合曲线得出最大下沉出现在18号点处，之后为下沉盆地，走向达到充分开采条件。最大下沉值为2.3 m的点即拐点位于开切眼内侧27.5 m处，即0.1H0。

由图2得出，拐点在下山方向上距采空边界5 m处，即0.02H1，在上山方向上距采空边界36 m处，即0.15H2。

由图1可知，地表下沉超前影响距为69 m，由于平均采深为260 m，可根据下式计算超前影响角:

式中：

ω—超前影响角，(°)；

l—超前影响距，m，取69；

H0—平均采深，m,取260。

计算得，超前影响角为75°。

根据地表下沉10 mm的点为边界点的要求，由图1可知，走向主断面上地表下沉为10 mm的点位于开切眼外侧170 m处；由图2可知，倾向主断面上地表下沉为10 mm的点位于工作面下顺槽175 m 处及工作面上顺槽150 m 处。

3.3 地表水平移动分析

根据实测资料，绘制走向观测线水平移动终态观测值及拟合曲线，见图3。

图3 走向观测线终态实测水平移动值及其拟合图

由图3可见，盆地边界点至拐点间水平移动没有呈现渐增，拐点处水平移动未达到最大值。实地调查得出，从开切眼外侧100 m到拐点右侧150 m处为上山坡地形，水平移动被减缓，甚至移动方向指向边界，由于工作面沿走向推进，采空区中心开始离开切眼较近，终态拐点开始处于采空区右侧，向左移动，且向左移动为下坡方向，故移动较大且随工作面推进无法回移，导致拐点到盆地呈现水平移动负值，移动方向指向地表边界。由此得出，该地质采矿条件下，走向主断面上地表最大正值水平移动为0.43 m。

绘制倾向观测线水平移动终态观测值及拟合曲线，见图4。

由图4可见，采空区中心左侧下山方向水平移动呈现较规则曲线，由边界点到拐点渐增，拐点到最大下沉点渐减，但最大下沉点处不为零，主要是受地形影响，从拐点到最大下沉点这段为山体下坡，由地面倾斜较大导致。同样原因使得最大下沉点到上山方向拐点的移动量减小，使得两侧水平移动量差距较大。由此可得，该地质采矿条件下，倾向主断面下山方向地表最大正值水平移动为1.60 m；上山方向地表最大正值水平移动为0.52 m。

图4 倾向观测线终态实测水平移动及其拟合图

4 结论及建议

通过对该工作面走向、倾向两条地表移动变形观测线的测量和资料综合分析研究，以及对矿区内实际地形及开采损害的调查，提出了该矿区开采条件和一定的地质采矿条件下的地表移动规律,指导该矿区进行“三下”开采和保护煤柱留设。

由于重复采动, 尤其是多煤层重复采动, 对地表的危害较大, 特点是：1) 影响范围增大,正常影响范围外的建筑物也受到损坏。2) 破坏严重, 致使搬迁数量增多。3) 没有规律性, 不该严重损坏的区域也出现了严重的损坏。

由于受到地表非连续变形的影响，实际观测中观测到的个别移动变形数值较大，并不能代表连续变形的真实情况，况且建立一个地表移动观测站也不足以准确地得出一个矿区的开采沉陷规律和地表移动变形参数，因而建议对其它的工作面地表移动变形进行观测，对多个工作面观测结果综合分析，以获得该矿区综合性的地表移动变形规律和地表移动变形相关参数。

参 考 文 献

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