麻家梁礦開采引起地表變形規(guī)律研究

梁小偉 劉永芳

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西朔州036000）

0 引言

麻家梁井田南北長約11.9 km，東西寬約8.28 km，面積約104.29 km2。井田內(nèi)煤炭資源儲量259 548萬t：礦井立井雙水平開拓,設(shè)計生產(chǎn)能力12 Ma。2014年礦井正式投產(chǎn)首采井田南翼。但是，由于種種原因，礦井規(guī)劃建設(shè)初期建立的礦區(qū)控制網(wǎng)已被破壞。建井時布設(shè)的控制點僅存兩個，其余均被破壞。導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)的測量工作無法正常開展，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)組織。盡管生產(chǎn)礦井較多，但并未開展過完整的地表變形監(jiān)測，沒有完整的地表變形監(jiān)測資料，礦井設(shè)計、生產(chǎn)中保護(hù)煤柱的留設(shè)、停采線的留設(shè)，井巷工程的施工僅是依據(jù)條件類似礦井的相關(guān)參數(shù)預(yù)測。

礦井生產(chǎn)機械化程度達(dá)到100%，對上覆地層影響較大，目前一采區(qū)、二采區(qū)的采空區(qū)已對地表造成了明顯的影響。根據(jù)已采工作面地表巡查情況，出現(xiàn)不同程度地表下沉變形及水平移動，并形成塌陷坑，對地面自然生態(tài)產(chǎn)生直接影響和破壞。在此背景下，為保證礦井測量工作的正常開展，確保礦井建設(shè)和生產(chǎn)組織具有準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)信息，根據(jù)礦區(qū)地形狀況和生產(chǎn)組織的需要，結(jié)合礦區(qū)原控制網(wǎng)的布設(shè)，在深入礦區(qū)實地現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上，基于滿足現(xiàn)場測量工作實際需求、易于保護(hù)控制點安全的原則，結(jié)合礦井開采進(jìn)度、礦井地質(zhì)條件，對14202工作面地表開展沉陷監(jiān)測。

1 測區(qū)概況

測區(qū)地勢西南高東北低，最高點海拔約1 270 m，位于測區(qū)西南；最低點約1 100 m，平均海拔約1 150 m。測區(qū)地貌以平地為主，南部有少量山地；東部緊鄰工業(yè)廣場有沙口河水庫。測區(qū)內(nèi)植被分布主要為旱地、林地等。測區(qū)內(nèi)除本礦工業(yè)廣場外，建筑物以農(nóng)村居民地為主。

本次測圖坐標(biāo)系統(tǒng)采用北京54坐標(biāo)系，高斯正形投影，投影面為參考橢球面，統(tǒng)一6°帶（第37帶）的坐標(biāo)系。

2 地表移動觀測

按《煤礦測量規(guī)范》中的測點密度表規(guī)定，測點間距為25 m，控制點間距為50 m，各測線控制點和工作測點的個數(shù)，見表1。

本次測量儀器采用6臺南方S86型GPS接收機，精度：2.5 mm+1 ppm，水準(zhǔn)儀采用Trimble DN12，精度0.3 mm/km。

工作面地表移動觀測站設(shè)計在14202觀測站共設(shè)三條觀測線（如圖1），其中走向兩條（A1和A2線），傾向一條（B線）。A1測線距開切眼的距離為482.8 m，A2測線距開切眼的距離為1 030 m，走向觀測線長度確定為1 610 m。B傾向線高在工作面的中心位置并向兩邊延伸，長度確定為3 218 m。

根據(jù)實際計算得出監(jiān)測點編號規(guī)則如下：B線：由一個字符和數(shù)字組成，自北向南順序編號，B1、B2…B129、A1線：由字符和數(shù)字組成，自西向東順序編號，1A-1、1A-2…1A-63；A2 線：由字符和數(shù)字組成，自西向東順序編號，2A-1、2A-2…2A-63；控制點編號規(guī)則如下：R1，R2…R12。A和B觀測線的具體坐標(biāo)、編號詳見設(shè)計圖1所示?？刂泣c的位置應(yīng)保證在沉陷影響區(qū)外，觀測點可根據(jù)地形來選取，盡可能視野開闊。

表1控制點和工作測點個數(shù)

圖1 14202工作面地表移動觀測站布置圖

在采動過程中，通過日常觀測：從地表開始下沉開始，每隔15～30天，對所有觀測點的平面位置及高程進(jìn)行觀測。當(dāng)?shù)叵鹿ぷ髅婊夭山Y(jié)束后，在停采線上方走向觀測線上選擇幾個觀測帶點，每隔一個月左右進(jìn)行一次水準(zhǔn)測量，至連續(xù)6個月觀測地表各監(jiān)測點的累計下沉值均小于30 mm時，認(rèn)為地表移動結(jié)束。

3 地表移動與變形動態(tài)規(guī)律

由于地表移動監(jiān)測站建立與礦井回采組織在時間上的差異，實際開始對14202工作面地表變形監(jiān)測時，14202工作面傾向長剩余1 740 m，工作面走向?qū)挾葹?50.5 m，平均煤層厚度為9.25 m，平均煤層傾角為3°，工作面下山邊界的開采深度為H1=640 m，工作面上山邊界的開采深度為H2=585 m，工作面的平均采深為H0=603 m，松散層厚度約200 m，在走向上為非充分開采，傾斜上為充分開采，整體為非充分開采。

在此只對14202工作面傾觀測線（B線）觀測情況進(jìn)行論述，其他觀測線結(jié)果與B線觀測結(jié)果類似，不再贅述。

B線觀測線自2014年12月16日開始觀測，分別于2014年12月25日、2015年1月10日至2016年3月21日進(jìn)行了27次高程觀測；分別于2014年12月21日、2014年12月21日至2016年3月21日進(jìn)行了8次高程觀測平面觀測。實測曲線如圖2、圖3：

圖2 B線觀測線實測動態(tài)下沉曲線

圖3 B線觀測線實測動態(tài)水平移動曲線

由于種種原因，在對14202觀測前，其相鄰的工作面14201已經(jīng)開采完畢，但下沉還沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，勢必對觀測工作產(chǎn)生影響。

通過圖2、圖3可以得出，工作面地表巖移特征表現(xiàn)如下：

（1）在14202開采到離開切眼670 m左右的時候才開始觀測，造成了離開切眼附近的下沉值觀測值偏小，對觀測結(jié)果及分析造成一定的影響，也是造成沒有成為充分采動所形成對稱盆地的主要原因。截止至2016年3月21日，測得地表最大下沉點為4 984.8 mm（B47號點），從表2可看出，B47號點在第二十五次觀測和二十六次觀測時的下沉量分別為4 957 mm和4 959.8 mm，增量為2.8 mm，兩次觀測間隔為36天，說明在第二十六次觀測的時候，B47號點已穩(wěn)定，在B47號點第二十七次觀測的時候繼續(xù)下沉，說明此時B47號點已經(jīng)受到14204工作面開采的影響，綜上，由14202工作面引起的B47點下沉的最大值應(yīng)為4 959.8 mm。

（2）從圖3可以看出，最大水平移動位移1 634 mm（B79號點）。

（3）前期停采線一側(cè)下沉值偏大是鄰近工作面14201工作面殘余沉降導(dǎo)致，后期切眼一側(cè)監(jiān)測點下沉增大是鄰近工作面14204工作面采動影響導(dǎo)致。

表2傾向沿線（B線）最大下沉點（B47）最后三次觀測的下沉值

4 14202工作面地表變形預(yù)計參數(shù)的獲取及其局限性

根據(jù)獲取的地表變形基礎(chǔ)信息，應(yīng)用概率計分法和模式法分析測算了地表變形的相關(guān)參數(shù)：下沉系數(shù)為 0.73，水平移動系數(shù)為 0.21，主要影響角正切為2.98，開采影響傳播角為89°，傾向邊界角為55°，走向邊界角為59°，綜合移動角為72°，最大下沉角為89°。

但僅通過單一工作面難以獲得礦區(qū)地表變形的相關(guān)參數(shù)。在未達(dá)到充分采動前，頂板“裂隙帶”的初始斷裂點位于采空區(qū)內(nèi)，未達(dá)到充分采動狀態(tài)。只有達(dá)到充分采動，甚至超充分采動，地表變形才可能進(jìn)入新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。對采空區(qū)地表變形的預(yù)計以充分采動為假設(shè)，因此，測算的相關(guān)參數(shù)均為充分采動后的參數(shù)。在非充分采動背景下，地表變形不充分，地表移動盆地呈碗形，不像充分采動背景下地表移動呈盤形。

本次監(jiān)測的14202工作面走向長250 m，傾向長1 733 m。根據(jù)經(jīng)驗，達(dá)不到充分采動的采空區(qū)范圍條件，即便考慮緊鄰的14201工作面(已采),仍未達(dá)到充分采動的條件。因此，直接根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)是無法分析獲得充分采動條件下的地表變形相關(guān)參數(shù)的。

同時，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件、開采條件符合充分采動以后，則不能直接應(yīng)用本研究測算的相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行預(yù)計，尤其是針對地表重點保護(hù)對象的保護(hù)預(yù)計，需要根據(jù)實際地質(zhì)條件，結(jié)合類似條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)或進(jìn)一步開展有針對性的監(jiān)測來具體確定相關(guān)的參數(shù)。

5 結(jié)語

分析地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，14202工作面開采后，傾向上最大下沉值為4 984.8 mm，最大水平移動位移量為1 634 mm。

本研究根據(jù)實際監(jiān)測的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)分析研究確定的相關(guān)參數(shù)，僅能作為實際工作的主要參考?；蛟谕葪l件下、相近條件下比照執(zhí)行。通過擴大地表巖移觀測范圍，豐富觀測數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，針對不同地質(zhì)條件下的不同采動因素引起的地表變形規(guī)律進(jìn)行分析，為礦區(qū)范圍內(nèi)新建礦井建設(shè)提供積極有效的指導(dǎo)意義。