采煤工作面地表岩移观测方法设计

王 博，杨昆仑

(1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710054;2.陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院，陕西 西安 710000)

0 引言

多年来，矿区煤炭开采区地表移动变形引发的地质灾害一直不同程度地存在着[1-2]，并且伴随着煤炭开采能力和技术的不断提升，这一现象在今后仍会加剧和持续。此次工作面地表开采沉陷观测项目，是为了对下峪口煤矿即将开采的23208工作面的地表进行监测，获取在开采推进过程中，地表沉降的具体情况包括时间及空间信息。同时，通过对这2个工作面的地表开采沉降监测，在完成工作面概率积分法预测模型时，各参数的计算可为煤矿其他工作面的开采提供经验数据。

1 地面变形观测线设计

由于下峪口煤矿近10年未进行过地面开采沉陷相关的数据统计。此次地面变形观测线的设计参数，选用同矿区地质、采矿条件相似的矿井已求得的角值进行计算。根据收集到的已有参数，结合《煤矿测量规程》及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》有关规定[3-5]，具体取值如下：基岩移动角β=γ=δ=70°～75°=74.8°；冲积层移动角φ=45°；煤层倾角α=4°；最大下沉角θ=90°-0.6α=87.6°；移动角修正值(走向Δδ，倾向上山Δγ，倾向下山Δβ)Δδ=Δγ=Δβ=20°。此次地面变形观测线设置成直线，并与煤层走向垂直或平行。

地面变形观测线一般可设走向观测线和倾斜观测线各一条，设在移动盆地的主断面位置。也可以在地裂缝、地面塌陷的重点观测区域，增加观测线，设置成网状观测线。当工作面走向长度大于0.9H0时，可以只设半条走向观测线。此次23208工作面，长度为1 260 m，平均开采深度H0约为460 m，工作面走向长度1 260 m>0.9H0=414 m，工作面布设半条走向观测线。

此次地面变形观测中利用剖面线状观测线的设计方法。走向观测线应设在移动盆地的走向主断面上，具体的确定方法为：在倾斜主断面上，从采空区中心用最大下沉角θ划线与地表相交于O点，通过O点作平行煤层走向的垂直断面，此断面所在的位置就是走向观测线的位置。

具体的操作为，从采区中心O的正上方，向下山方向移动d=H0ctgθ的距离，23208工作面向下山方向移动距离为19.3 m。通过该点沿矿体走向做剖面线，即得到走向观测线平面位置，如图1所示。

图1 走向观测线定位示意图

在预计的工作面停采线位置上，如图2所示。做与水平面的夹角(δ-Δδ)与基岩和松散层交接面相交，再从交点以φ角划线与地表相交，得B1点。同理，在开切眼一侧按上述做法在地表求得B2点，B1B2即为走向观测线长度。

图2 走向观测线分布图

走向观测线的长度B1B2按式(1)计算。

B1B2=2hctgφ+2(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+D

(1)

式中：h—平均厚松散层厚度；φ—冲积层移动角；H0—平均采深；δ，Δδ—走向移动角及其修正值；D—工作面可采走向长度。23208工作面h为15 m，H0为460 m，可得走向长度为1 260 m。

根据工作面的具体情况，将式中的数值带入，可以求得23208工作面B1B2=1 922 m；工作面布置半条走向观测线，则工作面走向观测线长度为961 m。

自采区的上、下边界分别以(γ-Δγ)和(β-Δβ)划线与基岩和松散层交接相交，再从交点以φ角划线交于地表A1、A2点，如图3所示，A1A2即为倾斜观测线长度。

图3 倾斜观测线分布图

倾斜观测线的长度的按式(2)计算。

A1A2=2hctgφ+(H1-h)ctg(β-Δβ)+(H2-h)ctg(γ-Δγ)+Lcosα

(2)

式中：h—平均厚松散层厚度；φ—冲积层移动角；H1、H2—分别为采区下边界和上边界的开采深度；β、Δβ—下山移动角及其修正值；γ、Δγ—上山移动角及其修正值；L—工作面的倾斜长度；α—煤层倾角。

根据上面的公式，将2个工作面的参数分别代入，其中，23208工作面长度为1 260 m。所以，倾斜观测线长度为：875 m。

地面变形观测线上的观测点应有一定的密度，可根据开采深度和设站目的来定[6-9]。地面变形观测线上测点数目和密度，主要取决于引起变形的地下开采深度和设站目的，和矿区地形地质条件、水文条件、开采情况密切相关。观测线上测点密度应满足表1。

表1 开采深度和点间距对应表

坡度大于20°的山地，开采深度大于300 m时，测点密度可放宽至30～50 m。

鉴于此次工作面开采深度为460 m，所以点间距离选择25 m。

23208工作面共布设2条观测线，其中倾斜观测线1条，一条走向观测线。23208工作面的走向观测线长度为961 m，所以走向观测线设计埋石数量为39个；倾斜观测线布置了1条，长度875 m，设计埋石数量为35个。

2 地表岩移观测方法

2.1 观测要求

观测区域位于丘陵区，且起伏较小，故地面变形观测线的平面观测采用RTK测量的方法，高程采用全站仪电磁波测距高程测量。埋石工作结束，经过10～15 d标石沉降稳定之后，方能进行观测。

为了减小误差，提高观测精度，采用固定的观测方式和观测流程，对每个观测点，平面观测采用RTK，高程观测采用三角高程附合导线测量，每次都用相同的方式进行测量。RTK测量时每次都尽量采用相同的基站点、相同的仪器；三角高程测量每次都尽量采用相同的起始点和闭合点。并且对每个观测点尽量固定采用相同的仪器和人员。

为了保证所获得观测资料的准确性和可比性，以及气象元素的大体一致，每条观测线上各观测点的观测应尽可能在一日内完成，特别是在移动活跃阶段。

在地面变形观测线的观测过程中，不仅要及时地记录和描述地表出现的裂缝位置、宽度的变化，变形的形态和时间，并及时上图，还要记载每次观测时工作面开采的相应位置、实际采出厚度、工作面推进速度、地质、水文等有关情况。

在观测过程中，应每6个月测量一次观测站控制点的变化，如发现控制点发生位移，应把控制点作为观测点与其他观测点一起进行观测，而另行布置控制点。

2.2 初始观测

在进行观测站控制点连接测量后，标石沉降稳定，地表开始变形之前，应对观测线上的全部观测点独立进行2次全面观测。

独立进行的2次全面观测，2次测得的同一点高程差不大于10 mm、同一边的长度差不大于4 mm时，取平均值作为观测线上各观测点的原始观测数据。同时，按各测点的实测数据展绘到观测站设计平面图上。

最初的全面观测获得的原始观测数据是地面平面位移和高程沉降的比较基础。

2.3 全面观测

全面观测的内容，包括测定观测线上各观测点的平面位置和高程。

最初的全面观测后，在采动影响前进行日常巡视观测，如果发现测点的累计下沉量达到10 mm时，即认为地表已经开始变形，进入地表移动初始期。

进入地表移动初始期后，进行日常巡视观测，当地表累计下沉达到50～100 mm时，进行采动后的第一次全面观测。随后，当日常巡视观测发现每月下沉值大于50 mm时，进入地表移动活跃期。

在地表移动活跃期按照开采进度进行不少于4次全面观测。在全面观测和巡视观测时，若发现每月下沉值小于50 mm时，进入地表移动的衰退期。

衰退期的巡视观测直到6个月内的下沉值不超过30 mm时为止，此时地表移动稳定，进行最后一次全面观测，获得地表变形稳定后观测点的平面和高程最终数据。

在地表移动的发生阶段，一般可根据开采深度、回采工作面推进速度和顶板岩性等具体条件，每隔1～3个月进行一次全面观测。

2.4 日常巡视观测

日常巡视观测时，可视情况在预计可能沉降剧烈的地区，只进行周期性高程观测。

为判定地表是否已开始移动，在回采工作面推进到一定距离(相当于0.2～0.5平均开采深度)后，在预计可能首先移动的地区，选择几个工作测点，测量其高程变化，如果发现测点的累计下沉量大于10 mm时，即认为地表已经开始移动。

在地表移动初始期、活跃期和衰退期，日常巡视观测的复测时间间隔，视地表下沉的速度而定，一般是每隔15～30 d观测一次。在地表移动活跃期，还应在下沉较大的区段，增加观测次数，5～10 d观测一次。

以上的设计观测过程从采动影响前开始，经过地表移动初始期、地表移动活跃期、地表移动衰退期，直到地表移动稳定后是一个理想的过程，在开采地面变形观测的实际工作中，可能不是从采动影响前就开始工作，要谨慎推断和细心分析、善于总结。

3 工作面沉降分析方法

根据工作面所有观测数据和已有的地形、地质、开采工艺等数据，对工作面的沉降情况做以下分析。

地表移动盆地的位置、大小、范围—根据观测点的沉降数据，对盆地的位置、大小、范围等进行计算，得到地表移动盆地的大体情况。

最大下沉值的分布位置及大小—根据观测点的数据，计算主断面上最大下沉值的点位及工作面的开采沉陷最大下沉值。

地表移动盆地在主断面上的移动和变形的分布与特征—通过观测数据，可以得到地表移动盆地在主断面上的下沉、水平移动等情况，得到地表移动盆地在主断面上的变形规律。

工作面开采沉陷移动盆地的发展过程及相应的主要参数—根据历次观测数据和工作面的开采进度，总结地表移动各个阶段(初始阶段、活跃阶段、衰退阶段)的持续时间以及地表移动持续的总时间，计算工作面开采沉陷发生的起动距、超前距、滞后距等。

4 结语

此次在下峪口煤矿23208工作面进行地表岩移观测站的设计和观测，对观测成果进行综合分析，最终得出地表岩移规律，为今后进行“三下”采煤和留设保护煤柱及征迁赔偿工作提供科学依据。以研究结果作为指导，将“三下”(建筑物下、水体下、铁路下)压煤开采出来，将会带来巨大经济效益和社会效益，对于环境保护与土地复垦有一定的帮助，而且对于挖掘矿井生产潜力、保证矿井的可持续发展也具有重要意义，具备广阔的应用前景。