煤矿开采引起地表移动变形的现场观测

孙鹏飞

(山西潞安集团 温庄煤矿,山西 长治 046103)

煤炭资源作为我国的主要能源,占一次能源构成的60%左右。由于煤炭资源的开采,势必会引起地表移动和变形,进而造成水土流失、地表沉陷、山体滑坡、水源破坏和污染等一系列矿山环境问题。长期以来,煤炭开采引起的地表移动变形一直困扰着矿区的经济可持续发展和环境保护。为了确保煤炭开采形成采空区后,不至于造成大的安全事故和环境问题,对地表移动变形进行现场观测和掌握其规律是非常必要的[1-5]。以潞安矿区某矿回采工作面为例,通过建立地表岩移观测站进行现场观测,为研究该矿的地表岩移规律提供实测资料。

1 工作面概况

试验工作面位于该矿井的中南部,上覆岩层由砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩及表土层组成;其中表土层厚度为132m,地表的地势平坦,以耕地为主,地面标高+940 m～+945 m。该工作面开采煤层为3号煤层,沿煤层走向布置,周围均为未采动影响区域。

试验工作面为本采区首采工作面,工作面开切眼长度为300 m,推进长度为1 200 m,煤层平均厚度为6.17 m,倾角为0°～5°,开采深度为320 m,工作面生产期间,平均推进速度为3.66 m/d,采煤方法采用走向长壁综采放顶煤方法,顶板管理采用全部垮落法。该工作面于2013年7月开始回采,至2014年9月开采完毕。

2 地表岩移观测站的建立

根据试验工作面的工程地质条件和对应地表的地形地貌等因素,结合煤炭开采引起的地表移动变形的一般规律,地表岩移观测站内沿工作面走向方向和倾向方向各设置1条观测线。

为了保证地表移动变形的测量精度,同时考虑便于数据采集和后期处理,工作面共布置8个基准点。基准点在工作面开采范围向外160 m处均匀分布(参考类似矿区的实测数据,表土层移动角取55°,基岩移动角取72°)。工作测点沿走向和倾向观测线布置,间距为30 m。

该地表岩移观测站于2013年6月进行了基准点和工作测点的布置工作,并进行了连接测量。

3 观测数据的整理和分析

3.1 现场观测数据的整理统计结果

通过对试验工作面地表移动变形的观测数据进行整理统计可以得出:试验工作面开采影响期间内,地表移动变形是渐变的;随着时间的推移,变形值逐步增大,达到一定值后趋于稳定。地表移动变形稳定后,沿走向和倾向观测线的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形值如表1所示。

表1 地表移动与变形值Table 1 Surface movement and deformation values

通过对开采影响范围内不同位置的工作面测点进行动态观测数据进行分析可以得出:地表移动变形的初始期为30 d,活跃期持续时间为120 d,衰退期为270 d;进入地表沉降稳定后,持续时间为14个月。活跃期占总移动时间的28%,下沉量占总沉降量的85%左右,其中最大下沉速度为76.8 mm/d,下沉速度超过10 mm/d的时间为80 d,占活跃期的67%,其下沉量占活跃期沉降量的95%, 其下沉量占总沉降量的80%;衰退期为270d,下沉量占总沉降量的15%左右。

3.2 地表移动特征参数计算

目前,煤矿开采引起地表移动变形的预计方法的原理是基于概率积分法。该预计方法所需的地表移动特征参数主要包括:下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、拐点偏移系数、影响传播角系数。根据地表岩移观测站的实测数据,采用曲线拟合的方法,计算出该试验工作面的地表移动特征参数:下沉系数q为0.80,水平移动系数b为0.31,主要影响角正切tg β为2.70,拐点偏移系数S/H为0.11,影响传播角系数K为0.8。

地表移动变形预计软件采用上述计算出的地表移动特征参数进行地表移动变形的预计;进而对试验工作面地表移动变形的实测数据和预计结果进行比较,沿走向和倾向观测线的下沉、倾斜、曲率和水平移动、水平变形的预计曲线与实测曲线见图1—图10(注:蓝色曲线为预计曲线,红色曲线为实测曲线)。

通过比较地表移动变形沿走向观测线和倾向观测线的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形的预计曲线与实测曲线可知,地表移动变形预计软件的预计结果与地表岩移观测站的实测数据拟合度高,预计结果能满足工程要求。

4 结束语

1)试验工作面开采影响期间内,地表移动变形是渐变的;随着时间的推移,变形值逐步增大,达到一定值后趋于稳定。这一规律符合煤矿开采引起地表移动变形的一般规律。

2)地表移动变形稳定后,沿走向和倾向观测线的最大下沉值分别为4 089 mm和4 195 mm,最大倾斜值分别为28.2 mm/m和40.0 mm/m,最大曲率值分别为0.5×10-3/m～-0.5×10-3/m和0.5×10-3/m～-0.6×10-3/m,最大水平移动值分别为1 350 mm和1 424 mm,最大水平变形值分别为17.6 mm/m～-18.4 mm/m和18.0 mm/m～-20.7 mm/m。

3)通过对试验工作面不同位置的测点进行动态观测可以得出:地表移动变形的活跃期占总移动时间的28%,下沉量占总沉降量的85%左右;最大下沉速度为76.8 mm/d。

4)该试验工作面的地表移动特征参数:下沉系数q为0.80,水平移动系数b为0.31,主要影响角正切tgβ为2.70,拐点偏移系数S/H)为0.11,影响传播角系数K为0.8。通过比较地表移动变形沿走向观测线和倾向观测线的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形的预计曲线与实测曲线可知,地表移动变形预计软件的预计结果与地表岩移观测站的实测数据拟合度高,预计结果能满足工程要求。

5)通过该矿井对地表移动变形现场观测的实践经验,为以后建立地表岩移观测站提供了参考,为该矿井已规划开采区域的地表移动变形预计提供基础资料,为煤炭开采的工程设计和矿井施工提供理论依据,同时对“三下”采煤具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 杨帆,麻凤海,刘书贤,等.采空区岩层移动的动态过程与可视化研究[J].中国地质灾害与防治学报,2005(1):84-88.

[2] 贺跃光.工程开挖引起的地表移动与变形模型及监测技术研究[D].长沙:中南大学,2003.

[3] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[4] 黄乐亭.煤矿地表动态沉陷与变形速度规律研究[D].北京:中国矿业大学,2006.

[5] 吴盾.铁法矿区采煤沉陷区地表移动规律研究与应用[D].淮南:安徽理工大学,2011.