楊福軍

(神華大雁工程建設(shè)有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021122)

覆巖及地表移動(dòng)是煤礦井下開采引起的一個(gè)復(fù)雜的、一定周期的運(yùn)動(dòng)過程。目前，通過鉆孔沖洗液漏失量實(shí)測及設(shè)置地表移動(dòng)觀測站 (網(wǎng))，是進(jìn)行覆巖破壞及地表移動(dòng)與變形的觀測最為直接的方法。由于高強(qiáng)度綜放開采一次采出厚度明顯增大，使得地表及覆巖的移動(dòng)、破壞更為劇烈，因此覆巖破壞高度與地表移動(dòng)規(guī)律與其他采煤方法相比具有明顯的差異。目前，國內(nèi)外對(duì)薄或厚煤層分層開采(一次采高3m)引起的覆巖破壞與巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，但由于影響覆巖破壞以及地表移動(dòng)的因素眾多，而且缺乏綜放開采覆巖破壞及地表規(guī)律的實(shí)測，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)定均不能在“三下”開采中推廣［1］。另外，作為下溝煤礦至今未開展過地表移動(dòng)觀測，本地區(qū)也同樣缺少這方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，隨著開采范圍的增大，終將會(huì)面臨除水體下開采之外的建 (構(gòu))筑物下開采問題，為了達(dá)到既采出被壓的煤炭，又能保護(hù)建 (構(gòu))筑物的目的，也需要進(jìn)行地表移動(dòng)觀測。

1 礦井概況

下溝煤礦位于隴東黃土高原的東南部，涇河從井田北部流過，地表為涇河河灘與臺(tái)地。井田南部為水簾煤礦，東部為火石咀煤礦，西部為大佛寺井田，北部涇河以北為尚沒開發(fā)的官牌井田和小莊井田。區(qū)內(nèi)312國道 (西安至蘭州)從本礦工廣外通過，2005年開工建設(shè)的西安—平?jīng)龈咚俟泛鸵?guī)劃中的西安—平?jīng)鲨F路從本井田北部涇河北岸通過。主采侏羅系下統(tǒng)8號(hào)煤層，涇河下煤層厚8～14m左右，煤層埋深大于300m。地層有:白堊系下統(tǒng)、侏羅系中統(tǒng)、中生界三迭系上統(tǒng)。在基巖以上有新生界第四系地層，成煤地層為侏羅系延安組。井田內(nèi)出露的地層僅有侏羅系直羅組及以上地層。而在涇河河床第四系沖積層下，全為白堊系洛河組厚層砂巖，其中洛河組厚84.85m，宜君組厚25.55m，是影響涇河下采煤的主要含水層。

2 覆巖破壞高度實(shí)測

我國曾采用鉆孔外部流量法、鉆孔內(nèi)部流速法、井下工作面直接觀測法等方法對(duì)不同地質(zhì)條件下的上百個(gè)工作面的覆巖破壞情況進(jìn)行過現(xiàn)場測定。鉆孔沖洗液漏失量觀測方法是一種傳統(tǒng)的方法，該方法就是在采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地面上布置鉆孔，觀測鉆進(jìn)過程中的鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔水位變化以及在鉆進(jìn)過程中的各種異?，F(xiàn)象 (如掉鉆、卡鉆、吸風(fēng)、瓦斯涌出等)，分析確定導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度［2－3］。

2.1 觀測鉆孔布置

此次共設(shè)計(jì)“兩帶”孔2個(gè)，編號(hào)分別為D1，D2，施工地點(diǎn)是在ZF2801工作面采空區(qū)上方的地表，采用走向長壁放頂煤采煤法，頂板管理為全部垮落法。開采煤層為侏羅系下統(tǒng)8號(hào)煤層，涇河下煤厚8～14m左右，煤層傾角2°左右，煤層總體結(jié)構(gòu)較簡單，煤層開采厚度平均為9.3m，采深為317～330m。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 觀測鉆孔與測線布置

2.2 觀測結(jié)果分析

圖2為D1孔沖洗液漏失量隨鉆進(jìn)深度變化曲線。從圖2中可以看出，孔深201.32～212.67m之間沖洗液漏失量變化不大，總體趨勢趨于平緩;從孔深212.67m開始，沖洗液漏失量開始增大，而且隨著孔深的增加漏失量有逐漸加大的趨勢，并且所采取的巖芯較破碎，有縱向裂縫;直至在孔深229.27m處沖洗液循環(huán)中斷，全部漏失，經(jīng)注水實(shí)驗(yàn)后并無返水［1］。因此判定孔深212.67m處為導(dǎo)水裂縫帶的頂點(diǎn)，鉆探表明該位置見底板深度為333.9m。經(jīng)計(jì)算該孔導(dǎo)水裂縫帶高度111.81m，為采厚的12.02倍。

圖2 D1號(hào)鉆孔沖洗液漏失量隨孔深變化曲線

圖3為D2號(hào)孔沖洗液漏失量隨鉆進(jìn)深度變化曲線圖。由圖 3可以看出，在孔深 175.20～188.37m之間沖洗液漏失量變化不大，總體趨勢趨于平緩;從孔深188.37m開始，沖洗液漏失量開始增大，而且隨著孔深的增加漏失量有逐漸加大的趨勢，并且所采取的巖芯較破碎，有縱向裂縫;至孔深190.37m處沖洗液循環(huán)中斷，全部漏失，經(jīng)注水實(shí)驗(yàn)后并無返水［1］。因此判定孔深188.37m處為D2孔導(dǎo)水裂縫帶的頂點(diǎn)。鉆探表明該位置見底板深度為323.60m，給計(jì)算得導(dǎo)水裂縫帶高度為125.81m，為采厚的13.53倍。

圖3 D2號(hào)鉆孔沖洗液漏失量隨孔深變化曲線

3 地表移動(dòng)觀測分析

3.1 觀測線布置

首采工作面上方地表為涇河和河漫灘地。河漫灘地勢平坦，沒有任何障礙物，對(duì)觀測線布置影響較小。本觀測站由2條觀測線組成，走向線 (A線)為未通過工作面半剖面觀測線，布置在工作面西側(cè)，測線總長為305m，沿河漫灘地的道路布置;傾向線 (B線)長受北部山區(qū)地形的影響，依地形沿公路布置，與工作面斜交，為通過工作面的半剖面線，測線總長870m，考慮開采影響范圍和后期觀測的需要，控制點(diǎn)均布置在西側(cè)，由于只在單方面設(shè)置控制點(diǎn)，各條測線均設(shè)置3個(gè)控制點(diǎn)。按《煤礦測量規(guī)程》要求，300m以上采深的觀測站工作測點(diǎn)間距取25m。涇河下首采工作面開采深度316～347m，大于300m采深，因此采用25m的點(diǎn)間距，考慮到傾斜觀測線為斜交觀測線，工作面測點(diǎn)間距定為30m。因此，本觀測站共布設(shè)46個(gè)點(diǎn)，其中走向線12個(gè)工作面測點(diǎn)，3個(gè)控制點(diǎn);傾向線29個(gè)工作面測點(diǎn)，3個(gè)控制點(diǎn)，其中交叉點(diǎn)為走向線與傾斜線共用點(diǎn)。各工作面測點(diǎn)位置詳見圖1。另外，控制點(diǎn)間距離為50m，控制點(diǎn)與起始測點(diǎn)距離分別為25m和30m。

3.2 地表移動(dòng)觀測方法

(1)控制網(wǎng)聯(lián)測 為了保證觀測站的各測點(diǎn)精度，確保控制點(diǎn)不受工作面采動(dòng)的影響，控制網(wǎng)聯(lián)測均采用距離采區(qū)較遠(yuǎn)的起算點(diǎn)，將控制點(diǎn)聯(lián)結(jié)為網(wǎng)形，以確定井上下的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以加強(qiáng)控制點(diǎn)的整體精度。在觀測點(diǎn)埋好10～15d，點(diǎn)位固結(jié)之后，為了確定觀測站與開采工作面之間的相互關(guān)系，首先應(yīng)在觀測站控制點(diǎn)與礦區(qū)控制網(wǎng)之間的連接測量，以確定觀測站控制點(diǎn)的平面和高程，然后再根據(jù)它來測定控制點(diǎn)和工作測點(diǎn)的平面位置。需獨(dú)立連測2次。平面連測采用導(dǎo)線網(wǎng)，高程連測形成水準(zhǔn)網(wǎng)。

(2)平面連測 選用礦井范圍內(nèi)與控制點(diǎn)較近的固定建筑物為起算點(diǎn)，與觀測站控制點(diǎn)R1，R2，R3，R4布設(shè)E級(jí)GPS控制網(wǎng)，作業(yè)方法及精度要求按(測量規(guī)范)有關(guān)條款執(zhí)行。

(3)高程連測 與平面連測一樣?？紤]到井下開采對(duì)地表穩(wěn)定性的影響，可以選取與觀測站控制點(diǎn)較近的固定建筑物的水準(zhǔn)點(diǎn)作為高程連測的起算數(shù)據(jù)，與觀測站各控制點(diǎn)形成Ⅲ等水準(zhǔn)網(wǎng)。高程連測的作業(yè)方法及精度要求按《測量規(guī)程》有關(guān)要求執(zhí)行。

(4)日常水準(zhǔn)測量 日常水準(zhǔn)測量是觀測站最大測量工作，定期的水準(zhǔn)測量是掌握地表移動(dòng)規(guī)律，依據(jù)觀測成果的要求，日常水準(zhǔn)觀測自工作面開采開始，工作面推進(jìn)150m后，每半月進(jìn)行1次水準(zhǔn)測量，工作面推過500m后，每月1次測量，開采結(jié)束半年后每2個(gè)月進(jìn)行1次水準(zhǔn)測量，直到6個(gè)月內(nèi)的下沉值不超過30mm時(shí)，認(rèn)為地表移動(dòng)穩(wěn)定。前后共進(jìn)行了7次水準(zhǔn)測量，由于下沉值較小，水準(zhǔn)測量要求按《煤礦測量規(guī)程》Ⅲ等要求進(jìn)行，作業(yè)方法及精度要求按《煤礦測量規(guī)程》第33～34條執(zhí)行。

(5)全面觀測 全面觀測包括測點(diǎn)的水準(zhǔn)測量和測點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)測量，共進(jìn)行了5次全面觀測。最初全面觀測應(yīng)在連測后進(jìn)行2次，須在地表移動(dòng)前完成，當(dāng)觀測結(jié)果符合要求 (同一點(diǎn)高程差≤10mm，點(diǎn)位坐標(biāo)差≤8mm)，取2次觀測的平均值作為最初觀測數(shù)據(jù)。地表移動(dòng)過程中進(jìn)行2次全面測量，測量時(shí)間確定為每個(gè)工作面井下開采至開采結(jié)束后1個(gè)月。地表移動(dòng)穩(wěn)定后還應(yīng)進(jìn)行2次全面觀測，2次限差符合要求，取平均值作為全面測量的最終結(jié)果。全面測量時(shí)的作業(yè)方法及精度要求按《煤礦測量規(guī)程》第13～24條和33～34條執(zhí)行。

3.3 觀測資料及分析

根據(jù)觀測線觀測的下沉值繪制成圖4和圖5。由圖4、圖5可知，A線的A3點(diǎn)不僅未下沉，而且上升141mm，a10點(diǎn)上升了45mm，而a7點(diǎn)下沉值達(dá)到152mm，比前后各點(diǎn)均大，因此，以上這3點(diǎn)均屬異常點(diǎn)。而A線的其他各點(diǎn)的下沉值都不大，最大的a11點(diǎn)的下沉值僅為65mm。而B線的b13點(diǎn)下沉值為137mm，b23點(diǎn)下沉值為114mm，這兩點(diǎn)的下沉值均大于B線的其他下沉值，也屬異常點(diǎn)。而B線的其他各點(diǎn)的下沉值也不大，最大的b12點(diǎn)的下沉值僅為79mm。由于下沉值太小，未能擬合出巖移參數(shù)。

圖4 A線實(shí)測下沉曲線圖

圖5 B線實(shí)測下沉曲線圖

3.4 地表移動(dòng)偏小原因分析

試采工作面最大開采厚度為10.1m，而最小開采厚度為7.7m，工作面平均開采厚度為9.3m，而觀測到的最大下沉值僅為79mm。這是非常小的，分析其原因主要有以下幾點(diǎn):

(1)上覆巖層巖性及結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖層移動(dòng)變形的控制 試采的ZF2801工作面覆巖結(jié)構(gòu)是上硬下軟類型，上部的白堊系洛河和宜君砂巖堅(jiān)硬，厚度大，厚度約為110m，因此成為控制地表下沉的關(guān)鍵層。同時(shí)由于工作面開采寬度不大，又有兩側(cè)煤柱支撐，因此，關(guān)鍵層不會(huì)產(chǎn)生破斷，只產(chǎn)生了輕微的彎曲，所以地表移動(dòng)變形值較?。?］。

(2)開采充分度相對(duì)較小 試采工作面的采深為316～347m，平均采深為332m，而試采工作面開采寬度為93.4m，其采寬采深之比僅為28%，由于開采不充分，因此，地表移動(dòng)變形值相應(yīng)就小。

此次試采，地表巖移觀測值雖然小，但也證明了下溝井田洛河、宜君砂礫巖對(duì)地表巖層移動(dòng)變形的控制作用，同時(shí)也證明了開采充分度對(duì)地表移動(dòng)變形的影響，從而對(duì)下溝井田今后進(jìn)行建 (構(gòu))筑物下、鐵路、公路下綜放開采工作面的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

(1)下溝煤礦綜放開采條件下導(dǎo)水裂縫帶高度介于111.8～125.8m，裂采比介于12.02～13.53倍。

(2)由于煤層上覆巨厚堅(jiān)硬洛河砂巖、宜君礫巖對(duì)地表巖層移動(dòng)變形的控制作用以及開采充分度的影響，下溝煤礦地表移動(dòng)變形值較小。

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