古交矿区重复采动沉陷规律及沉陷参数分析

赵燕兵(1.中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051； 2.西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

·专题综述·

古交矿区重复采动沉陷规律及沉陷参数分析

赵燕兵1,2
(1.中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051； 2.西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

为分析古交矿区18207工作面重复采动后的地表各个沉陷参数，将计算机和遥感测量技术(ArcGIS平台量测和DInSAR监测)应用到了地表沉陷监测中。基于ArcGIS平台量测和DInSAR监测结果确定工作面的回采位置和工作面的平均采深并将上述ArcGIS观测结果与DInSAR监测结果汇总，计算得到18207工作面开采沉陷参数：超前影响角62.98°，下山边界角59.33°，走向边界角50.72°，最大下沉值2.602 0，最大下沉速率33.37 mm/d，最大下沉系数0.87，最大水平移动系数0.18.

重复采动；沉陷参数；地表沉陷；沉陷监测

井工开采中会产生地表沉陷，但沉陷程度是可以控制的，控制沉陷的方法有充填开采，条带开采和离层注浆等。但上述的方法也不能完全将地表沉陷控制为0，所以在开采过程中对地表的监测是十分必要和重要的。在开采过程中地表变形是一个动态的变化过程，在开采初期可能受到的影响较严重，但随着工作面的推进可能开采结束后受到的影响会小于开采初期的影响。结合古交矿区的地质采矿条件，设置地表监测站，提取不同时期不同地质条件下的开采参数，描述开采沉陷尤其是重复采动情况下的地表移动过程。

1 工程背景

古交矿区位于吕梁山脉东翼，矿区内共分布5个矿井，分别是屯兰矿、西曲矿、东曲矿、镇城底矿和马兰矿。总体呈中低山区，局部高山，海拔大致在1 000～1 800 m，相对高差300～800 m. 古交矿区从20世纪80年代就开始建井投产，其中建井最早的矿井是镇城底矿和西曲矿，已有20多年的开采历史。矿区各个矿井都是从上层煤开始回采，逐层向深部开采，重复采动现象在矿区内大面存在，使得上层煤和地表都经受着反复开采的变形移动和破坏。矿区内各个矿井的老采空区分布极为广泛，见图1.

图1 古交矿区上组煤采空区分布图

从图1中可以看出，西曲矿位于古交矿区的北侧，井田边界以东北部的9#煤层露头为界，西北部以F44断层为边界，西南方向是镇城底矿，两矿交界人为划定，南部是以汾河为界。西曲矿的井田面积大约是39 km2，南北方向较长，大约是6.5 km，东西长度较短，大约是6 km. 西曲矿是5个矿井中建井较早的矿井，在1979年8月1日正式建设，1984年12月1日竣工投产。建成后矿井的设计生产能力是300万t/年，服务年限98年。井田内的主要含煤层为山西组和太原组，总计含煤14层，总厚度大约是160 m，其中的主要开采煤层有4层，分别是(2+3)#煤层、4#煤层、8#煤层和9#煤层。

本文主要研究的工作面是18207工作面，工作面位于原平河以西的位置，被梁庄村和石家河村所包夹，在工作面所处的地表位置有河流和沟壑，地表有山丘，厚度在354～555 m. 工作面的倾斜长度大约200 m，走向长度大约1 600 m，煤层厚度在2.3～3.65 m，平均厚度大约为3.0 m，煤层倾角在3°～7°，平均煤层倾角大约为5°. 在18207工作面垂直位置的正上方是2#煤层的采空区，从南到北的工作面依次为12212工作面、12208工作面、12206工作面和12202工作面。在开采的8#煤层中与18207工作面相邻的工作面是18205工作面和18203工作面。18207开采过程中，在开采后半段时8a煤层的18a203工作面同时开始回采，所以18207工作面在回采过程中受到18a203工作面的采动影响，使其周围受到重复采动的影响。18207工作面及其周围的开采状况，见表1.

表1 18207工作面及其周围工作面回采情况表

2 工作面回采位置的确定

工作面采动过程中的重复采动影响以及影响范围的分析首先需要确定工作面的回采位置。采用ArcGIS及DInSAR数据处理结果提取超前影响距和起动距。以东曲矿12507工作面为研究对象介绍其确定方法如下：

1) 根据矿井生产资料的记载，确定距离SAR影像资料中记载最近开采线的位置，此时工作面在轨道巷和皮带巷的进尺分别为929 m和927 m.

2) 计算开采的时间差，时间是从2012年4月26日—4月27日，回采的时间差是两天。

3) 计算开采的平均速度，在2012年4月25日—5月5日工作面在轨道巷和皮带巷分别推进了19 m和21 m，计算得到平均的开采速度为1.9 m/d和2.1 m/d.

4) 计算工作面推进位置距离开切眼的距离，根据SAR影响获取当天的工作面推进位置，此时工作面轨道巷和皮带巷的推进距离分别是932.8 m和931.2 m，计算得到平均推进距离是932.0 m.

5) 应用DInSAR的监测数据，找到下沉值为15 mm的等值线，进而得到开采的影响范围。确定15 mm等值线距离当前工作面开采位置的距离，得到超前影响距离，最后计算得到超前影响角。

3 工作面平均采深的计算

确定回采工作面与开采沉陷边界之间的垂直高差，首先要将底板等高线的数据输入到ArcGIS中，进而生成底板等高线的高程模型，见图2. 根据回采工作面位置和InSAR沉陷边界处的工作面标高和地表标高，即可得到H0.

图2 18207工作面标高及地表标高图

4 地表沉陷参数提取

18207工作面的开采时间是2011年5月—2012年10月，其中SAR数据获取时间是2012年4月5日—11月22日，累计推进370 m.

1) 对开采期间的地表沉降，共进行了9次观测，提取各个观测时间的地表沉陷图，见图3. 根据图3，结合工作面的回采位置，确定各个不同时间的超前影响距离，进而计算得到超前影响角，见表2.

2) 18a203工作面起动距的确定。

2012年5月18a203工作面开始采动，从地表沉降监测图3可以得到工作面上方地表开始一段的时间，进而确定工作面的起动距。通过监测到的地表沉降图可以看出，7月1日开始随着工作面18a203的开采地表出现了首次下沉现象。7月12日由于18207工作面和18a203工作面的地理位置非常近，其沉降的影响范围发生了交叉现象，可以确定18a203工作面的起动距是35.85 m，开切眼处的采深是468 m，起动距与采深的比值为0.077，小于初次采动时的起动距系数区间0.25～0.5.

图3 18207工作面上方地表时序沉降图

3) 边界角。

观测得到的地表影响见图4，从图4可以看出，下沉边界分别距离轨道巷、停采线、皮带巷和开切眼的距离分别是277 m、301 m、163 m和234 m. 将以上数据整理计算得到边界角见表3，从表3可以看出，停采线处的边界角是50.72°，轨道巷侧的边界角是59.33°，开切眼侧的边界角是61.39°，皮带巷侧的边界角是69.76°.

5 地表沉陷参数计算

2011年11月13日在18207工作面上方安装了两个角反射器，分别命名为18207-1和18207-2，其与工作面开切眼的距离分别为680.83 m和902.54 m.

表2 18207工作面不同时期超前影响角计算结果表

图4 18207和18a203工作面上方地表沉陷边界的确定图

表3 18207和18a203工作面边界角计算表

在2011年10月15日—2012年12月25日，累计开展23期ARCGIS联测工作。ARCGIS观测结果见图5，图6，图7，图8.

从图5可以看出，18207-1号监测点的平面坐标在第一至第三期的观测中变化较小，在东西方向和南北方向的累计变化量分别为1.8 mm和6.7 mm. 高程方向在第一期至第二期的观测中累计下沉值大约是4.9 mm，在第二期至第三期的观测中累计下沉大约是39.5 mm. 根据图1可以分析出，在2011年11月21日井下的开采影响范围已经波及到了18207-1号点，此时该点距工作面回采线的距离为174.03 m.

图5 18207-1位置观测结果与开采进度对照图

从图6可以看出，18207-1号测点所处位置地表活动的活跃期时间是2011年11月24日—7月10日，其下沉的速度2.37～23.61 mm/d，在2012年的3月25日其达到了最活跃状态，下沉速度是23.61 mm/d，此时工作面推进的距离是53天。可以得出，在2012年12月25日高程方向最大下沉值为2.263 9 m，南北方向最大水平移动量是0.390 3 m，东西方向最大水平移动量是0.245 2 m.

图6 18207-1形变速率图

由图7可以看出，在开始观测的时候18207-2号测点与工作面开采位置的距离大约为505.54 m.在第一期观测至第四期观测期间，18207-2号测点变形量不大，累计变形量在东西方向上是0.3 mm，在南北方向上是7.5 mm.从图7还可分析出，在2011年11月13日工作面的开采已经影响到了18207-2号测点，测点距离工作面回采线的距离是418 m，此时超前影响角为47.43°，与18207-1点位上的ARCGIS观测结果相比，该点位置上的超前影响距较大。

图7 18207-2位置观测结果与开采进度对照图

从图8可以看出，18207-2号测点处于地表变形活动活跃时间是2012年1月4日—12月25日，下沉速度是0.02～33.37 mm/d，在2012年5月19日活跃的最大下沉速度是33.37 mm/d，此时工作面通过测点推进了32天。可以得出，测点高程方向上下沉值达到最大2.602 0 m的时间是2012年12月25日。但由于相邻的18a203工作面的采动，测点仍然处于移动阶段，在南北方向最大水平移动量是0.255 6 m，在东西方向的最大水平移动量是0.286 2 m.

将上述ARCGIS观测结果与SAR结果汇总，计算得到18207工作面开采沉陷参数，见表4.

图8 18207-2形变速率图

表4 18207工作面重复采动地表沉陷相关参数表

6 结 论

1) 基于ArcGIS平台量测DInSAR监测结果确定了工作面的回采位置和工作面的平均采深。

2) 将ArcGIS观测结果与DInSAR结果汇总，计算得到了18207工作面开采沉陷参数：超前影响角62.98°、下山边界角59.33°、走向边界角50.72°、最大下沉值2.602 0、最大下沉速率33.37 mm/d、最大下沉系数0.87、最大水平移动系数0.18.

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AnalysisonSubsidenceLawandSubsidenceParametersbyRepeatedMininginGujiaoMiningArea

ZHAOYanbing

In order to grasp the surface subsidence data in Gujiao coalfield for further research, one of the working faces in a coalmine with repeated mining experience is selected as the study object. The computer measurement and remote sensing techniques are introduced for the subsidence measuring and monitoring. The mining position and the average mining depth of the working face are ascertained based on the ArcGIS platform and DInSAR monitoring results, the calculated parameters for mining subsidence are as follows: 62.98° for advance angle of influence, 59.33° for dip boundary angle, 50.72° for strike boundary angle, 2.602 0 for the maximum subsidence, 33.37 mm/d for the maximum subsidence rate, 0.87 for the maximum subsidence coefficient and 0.18 the maximum horizontal movement coefficient.

Repeated mining; Subsidence parameters; Surface subsidence; Subsidence monitoring

2017-08-10

赵燕兵(1979—)，男，山西古交人，2005年毕业于桂林工学院，工程师，主要从事采煤技术工作(E-mail)1732760972@qq.com

TD325

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1672-0652(2017)10-0048-05