煤礦條帶開(kāi)采地表沉降研究

楊繼剛

摘 要：本文通過(guò)分析煤礦多煤層條帶開(kāi)采地表下沉數(shù)據(jù)，確定采區(qū)實(shí)際下沉參數(shù)。使采區(qū)開(kāi)采方案更趨近于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。為采區(qū)全面開(kāi)采和地表建筑保護(hù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：條帶開(kāi)采；下沉參數(shù)；沉降研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.采區(qū)概況

采區(qū)地表標(biāo)高+15～+20m，該區(qū)域可采煤層從上到下分別有5、8、9、12-1和12-2煤層5個(gè)煤層，在本區(qū)各煤層的平均厚度相應(yīng)為1.9m、3.7m、6.0m、2.4m、4.0m。上限標(biāo)高-500，下限標(biāo)高-820m，平均煤層傾角10?左右。5煤層上覆地層以各類(lèi)砂巖為主，覆巖堅(jiān)硬。

2.開(kāi)采情況

自2007年9月至2011年9月，5煤層已開(kāi)采3個(gè)工作面，分別為5-1、5-2、5-3。8煤層開(kāi)采6個(gè)工作面，分別為8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6。上述5煤、8煤條采工作面采寬都為60m，留設(shè)煤柱90m。

3.地表巖移觀測(cè)站的設(shè)計(jì)及觀測(cè)情況

地表巖移觀測(cè)站應(yīng)沿煤層走向和傾向分別布置，但由于現(xiàn)場(chǎng)的條件限制，沿工作面上方道路布置觀測(cè)站，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定兩條觀測(cè)線，即L線和A線，其中L線設(shè)點(diǎn)57個(gè)，點(diǎn)號(hào)分別為L(zhǎng)1～L53及R1～R4，A線共設(shè)點(diǎn)31個(gè)，點(diǎn)號(hào)分別為A1～A31，設(shè)控制點(diǎn)4個(gè)，點(diǎn)號(hào)分別R1～R4，總共88個(gè)點(diǎn)。控制點(diǎn)之間的點(diǎn)間距為50m，工作測(cè)點(diǎn)之間的間距平均為30m。具體觀測(cè)線位置與測(cè)點(diǎn)布置詳如圖1所示。

4.變形預(yù)計(jì)方案及參數(shù)確定

采用長(zhǎng)壁式全部冒落法開(kāi)采時(shí)，預(yù)計(jì)地表下沉與變形的方法有多種，比如將地下開(kāi)采簡(jiǎn)化成一種力學(xué)模型，應(yīng)用有限單元法進(jìn)行分析計(jì)算，即可得到地表的移動(dòng)和變形。由于這種方法需要大量的巖石物理力學(xué)參數(shù)，準(zhǔn)確地獲取這些參數(shù)又比較困難，使這種方法的應(yīng)用受到了一定的限制。而在實(shí)踐中應(yīng)用比較廣泛的還是剖面函數(shù)法和影響函數(shù)法。

剖面函數(shù)法來(lái)源于實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)計(jì)精度比較高；影響函數(shù)法把地下采區(qū)看成由無(wú)窮多個(gè)單元開(kāi)采組成，每個(gè)單元開(kāi)采都會(huì)引起相應(yīng)地表點(diǎn)的沉陷，對(duì)整個(gè)采出空間進(jìn)行積分就是地表沉陷的預(yù)計(jì)公式。但采用條帶部分開(kāi)采方法時(shí)，預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形的方法是目前尚未很好解決的問(wèn)題，還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的能用于部分開(kāi)采法的預(yù)計(jì)地表移動(dòng)和變形的通用算法，因此目前仍采用常規(guī)方法進(jìn)行預(yù)計(jì)。針對(duì)唐山礦鐵三區(qū)建（構(gòu)）筑物下條帶開(kāi)采的實(shí)際情況，經(jīng)分析確定采用概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)。

根據(jù)兗州礦區(qū)（含濟(jì)寧煤田）大采深工作面和條采工作面開(kāi)采的觀測(cè)數(shù)據(jù)和開(kāi)灤林西礦的條采經(jīng)驗(yàn)，在條采工作面采長(zhǎng)充分，采寬極不充分條件下，即開(kāi)采的寬深比小于0.2，且基巖厚度與采寬的比值大于3時(shí)，其條采系統(tǒng)的下沉系數(shù)一般均小于開(kāi)采工作面的寬深比，為安全起見(jiàn)，可以用寬深比作為預(yù)計(jì)條采系統(tǒng)下沉系數(shù)的依據(jù)，即：

另外條采系統(tǒng)影響范圍要比全采大，即主要影響范圍角正切tgβ要變小，實(shí)際拐點(diǎn)的地表位置要偏向煤柱側(cè)。

水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.233；主要影響角正切：tgβ=1.2；拐點(diǎn)偏移距：S=0；開(kāi)采影響傳播角：θ=90°-0.67α；地表標(biāo)高按+20m。

5.觀測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)2007年1月～2014年9月20日地表移動(dòng)觀測(cè)站觀測(cè)，A線地表觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉為-31㎜～-189㎜之間，L線地表觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉為+6㎜～-178㎜之間，地表下沉曲線與預(yù)計(jì)下沉曲線對(duì)比圖參照?qǐng)D2。從地面實(shí)際調(diào)查也未發(fā)現(xiàn)建（構(gòu)）筑物明顯開(kāi)采損壞跡象。

結(jié)論

（1）條采方案地表下沉預(yù)計(jì)與實(shí)際觀測(cè)比較

根據(jù)條采設(shè)計(jì)方案5、8煤層條采結(jié)束后，累計(jì)最大下沉應(yīng)為-458mm。由于采區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，井下工作面遇到斷層及物探異常區(qū)，實(shí)際工作面開(kāi)采比設(shè)計(jì)短，對(duì)實(shí)際開(kāi)采工作面采用上述參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，最大下沉為-220mm。地表下沉系數(shù)取q條=0.0722。根據(jù)地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)際觀測(cè)，累計(jì)下沉值未超過(guò)原條采設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)最大下沉值，說(shuō)明條采設(shè)計(jì)方案是合理的。

（2）與開(kāi)采充分程度有關(guān)

由于條帶開(kāi)采是將被開(kāi)采煤層分成比較正規(guī)的條帶形狀，采一條，留一條，使留下的條帶煤柱支撐上覆巖層的重量，而地表只產(chǎn)生較小的移動(dòng)和變形。而上覆巖層的重量由條帶煤柱和邊界煤巖體來(lái)承擔(dān)，地表的下沉量主要是條帶煤柱和煤柱上方巖柱的壓縮量。由于該區(qū)域5煤層開(kāi)采3個(gè)條采工作面，8煤層開(kāi)采的6個(gè)條采工作面由于斷層及勘探發(fā)現(xiàn)異常使條帶工作面局部不可采，因此該區(qū)域還未達(dá)到條帶開(kāi)采充分采動(dòng)，所以煤柱上覆巖體的重量并為完全加載到煤柱上方，部分上覆巖體的重量加載到邊界煤巖體，條帶煤柱和煤柱上方的巖體的壓縮量并不大，地表下沉并不明顯，但隨著開(kāi)采范圍的加大和下覆各煤層的逐漸開(kāi)采，地表下沉將繼續(xù)增大。

參考文獻(xiàn)

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