張碧川 王克全 杜子健 孫海濤 付軍輝 楊金虎

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京市朝陽區(qū)，100013；2. 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；3. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯研究分院，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

隨著煤炭資源的開采，煤層上部將產(chǎn)生連續(xù)或非連續(xù)的地表變形，其沉降變化非常復(fù)雜，是采礦和地質(zhì)因素之間相互耦合的結(jié)果。地表沉降量不僅與開采厚度等因素有關(guān)，還受到其所處的地球物理環(huán)境(斷層、褶曲等)因素的影響。

為了研究地表沉降變化，一些學(xué)者從覆巖結(jié)構(gòu)、下沉預(yù)測、地面監(jiān)測等方面進(jìn)行了大量研究。貢長青等基于彈性薄板理論，對采空區(qū)各點(diǎn)沉降量與空間位置關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了全斷面沉降模型。錢鳴高等以砌體梁理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行了采空區(qū)地表移動(dòng)試驗(yàn)，揭示了覆巖關(guān)鍵層破斷對地表移動(dòng)的影響規(guī)律。劉寶琛等以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，通過對李特維尼申的隨機(jī)介質(zhì)理論解簡化，建立了概率積分法。曹樹剛等通過對基巖裸露地區(qū)不同回采工作面地表下沉及水平移動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的分析，擬合得到了地表下沉及水平移動(dòng)曲線。王軍保等以采空區(qū)地表沉降量隨時(shí)間的變化為研究對象，得到了基于MMF模型的地表沉降時(shí)間函數(shù)模型。本文以晉城礦區(qū)為例，針對厚覆蓋層地區(qū)大采高近水平煤層開采條件下地表下沉特征，重點(diǎn)研究大采高的影響，了解該區(qū)域地表沉降規(guī)律，有助于指導(dǎo)相近地質(zhì)條件及采煤方法礦區(qū)鐵路下、建筑物下、水體下的采煤活動(dòng)。

1 地表移動(dòng)觀測及數(shù)據(jù)處理

為綜合研究工作面上地表的沉降規(guī)律，對寺河礦的地表沉降進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。

1.1 礦井地質(zhì)及工作面開采條件

寺河礦井田位于太行山脈南段西側(cè)、沁水盆地南緣，地貌形態(tài)屬剝蝕、侵蝕山地，地形較為破碎。可采煤層為3號、9號及15號煤層，現(xiàn)開采的3號煤層底板標(biāo)高485～610 m，地面標(biāo)高850～1101 m。3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖30.14 m，下距K7砂巖6.05 m，距15號煤層85.29 m。厚度4.45～8.75 m，平均厚度6.25 m，煤層傾角1°～14°，平均5°。

W2301工作面呈向斜構(gòu)造，自西向東，利用坑透CT、CAD分析處理系統(tǒng)對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)合坑透圖、巷道現(xiàn)場情況和兩側(cè)巷道鉆孔進(jìn)行了綜合分析，工作面不存在明顯地質(zhì)異常區(qū)。工作面采用傾斜長壁綜合機(jī)械化采煤法，采高6 m，推進(jìn)長度為1250.9 m。

1.2 地表移動(dòng)測點(diǎn)布設(shè)

為了獲得準(zhǔn)確、可靠、有代表性的觀測資料，應(yīng)將觀測線設(shè)在地表沉降盆地的主斷面上，觀測線長度應(yīng)大于沉降盆地的范圍。由于煤層呈近水平且埋深約420 m，地表呈山地狀，經(jīng)過綜合對比分析，采用剖面線狀觀測站，將地表沉降盆地走向主斷面設(shè)于工作面中心上方。工作面上方設(shè)置兩條觀測線，測點(diǎn)采用混凝土灌注，間距取10 m。

走向觀測線長度可按下式計(jì)算：

AB=H0ctanψ+H0ctanδ+2d

(1)

式中：AB——走向觀測線長度，m；

H0——平均開采深度，m；

ψ——走向充分采動(dòng)角，(°)；

δ——走向綜合邊界角，(°)；

d——走向線與傾向線交點(diǎn)外延5個(gè)測點(diǎn)的測點(diǎn)距，取50 m。

寺河煤礦西區(qū)工作面與成莊礦5303綜放工作面情況類似，因此以成莊礦巖層移動(dòng)參數(shù)為參考進(jìn)行觀測站設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算工作面走向觀測線和傾向觀測線長分別為510 m和397 m(實(shí)際取400 m)。

為了以大致相同的精度獲得地表移動(dòng)及其分布規(guī)律，工作測點(diǎn)采用等間距測量，間距大小與開采深度有關(guān)。工作面開采深度為420 m左右，測點(diǎn)間距取10 m。工作基準(zhǔn)點(diǎn)一般間距45 m，最大間距100 m。

監(jiān)測采用GPS快速靜態(tài)定位測試與動(dòng)態(tài)測試相結(jié)合的方法，首先在開采區(qū)域外側(cè)布置半走向線及半傾向線監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)各3個(gè)，走向布置51個(gè)測點(diǎn)，傾向布置36個(gè)測點(diǎn)，半走向線及半傾向線測點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)布置圖

1.3 地表移動(dòng)參數(shù)的確定

雖然煤層傾角較小，但其走向和傾向地表移動(dòng)觀測結(jié)果有較為明顯的差異，因此分別從走向和傾向?qū)﹃U述近水平煤層開采地表移動(dòng)的一般規(guī)律。

本次監(jiān)測所涉及的地表移動(dòng)參數(shù)包括最大下沉系數(shù)q，最大水平移動(dòng)系數(shù)b，邊界角δ0，移動(dòng)角δ，裂縫角δ″，最大下沉角θ，充分采動(dòng)角ψ，采動(dòng)影響半徑r，采動(dòng)影響角正切值tanβ，拐點(diǎn)移動(dòng)距離S等。

整個(gè)移動(dòng)盆地的移動(dòng)參數(shù)值見表1，走向地表沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果分別如圖2和圖3所示，實(shí)測地表移動(dòng)盆地如圖4所示。

圖2 地表走向動(dòng)態(tài)下沉圖

由圖2、圖3和圖4可知，隨著工作面推進(jìn)，地表觀測點(diǎn)經(jīng)歷了開始沉降、沉降活躍、沉降衰退的過程。在地表走向方向上呈半無限狀，達(dá)到了充分采動(dòng)。工作面地表走向下沉量動(dòng)態(tài)變化較大，這主要是受開采速度影響。實(shí)測走向和傾向方向的地表最大沉降量分別為4.692 m和4.032 m，下沉開始階段到活躍階段約2～3 d，回采約70 d后進(jìn)入采動(dòng)活躍時(shí)期，地表活躍期約130 d。

圖3 工作面走向動(dòng)態(tài)下沉圖

表1 走向傾向地移動(dòng)參數(shù)

圖4 工作面地表實(shí)測沉降盆地示意圖

2 地表沉降預(yù)測及分析

為了能夠有效評價(jià)采空區(qū)地表沉降對地面塌陷、建筑物等的影響，需要事先預(yù)測地表沉降量。

2.1 地表沉降規(guī)律預(yù)測模型

本文用概率積分法來預(yù)測地下開采引起的地表沉降，概率積分法是目前應(yīng)用最多，預(yù)測精度較高的隨機(jī)介質(zhì)理論方法。

(2)

式中：W——地表下沉量，m；

r——巖層下降的主要影響半徑，m。

r會(huì)隨著巖層相對煤層間距而變，下沉量W不僅與開采邊界距離x有關(guān)，而且與開采煤層間距y、巖層的最大下沉值Wmax、覆巖下沉拐點(diǎn)移動(dòng)距離S等參數(shù)有關(guān)，選用參考坐標(biāo)系，采場煤壁與頂板的交點(diǎn)固定為坐標(biāo)原點(diǎn)，采場上覆巖層的下沉量函數(shù)可表示為：

(3)

采場覆巖最大下沉量與巖層到煤層頂板的距離的關(guān)系符合下式：

Wmax(y)=a×exp(-by)

(4)

式中：a、b——與采場上覆巖層結(jié)構(gòu)及巖性有關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：H——煤層厚度，m；

Z——地表下沉系數(shù)；

T——煤層傾角，(°)；

M——煤層厚度，m；

k1、k2——分別為碎脹系數(shù)、殘余碎脹系數(shù)；

h——冒落帶高度，m。

觀測表明，地表沉陷主要影響半徑r與主要影響角正切值tanu和開采煤層間距y的關(guān)系符合：

(6)

式中：u——主要影響角，(°)。

在近水平煤層條件下滿足：

tanu=D+0.0032u

(7)

式中：D——巖性影響系數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)表明，拐點(diǎn)移動(dòng)距與巖性密切相關(guān)，大致符合如下關(guān)系：

(8)

2.2 走向地表沉降預(yù)測及分析

依據(jù)概率積分法計(jì)算的預(yù)測下沉值如圖5所示，礦區(qū)地表沉降與埋深和采厚之比的關(guān)系如圖6所示。

分析圖5和圖6可知，概率積分法預(yù)測的走向下沉值與實(shí)測結(jié)果誤差較小，平均誤差0.2918 m，平均相對誤差-0.0473。工作面走向推進(jìn)約480 m時(shí)，走向方向上達(dá)到充分采動(dòng)，此前下沉量主要受是否充分采動(dòng)的影響，推進(jìn)480 m后，埋深與采高之比和地表下沉量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著深厚比的增加下沉量減少，隨著深厚比的減小下沉量增加。

圖5 走向各測點(diǎn)下沉值

圖6 深厚比與下沉量關(guān)系

2.3 傾向地表沉降預(yù)測

傾向測點(diǎn)的地表沉降如圖7所示。實(shí)測結(jié)果表明，概率積分法預(yù)測值與實(shí)測結(jié)果誤差較小，平均誤差0.2129 m，最大誤差僅為0.509 m。由于工作面地表沉降受覆巖性質(zhì)、煤層傾角、工作面尺寸等眾多因素的影響，預(yù)測值與實(shí)際觀測值雖然存在一定誤差，但預(yù)測值仍具有較高的可靠性。

圖7 傾向測點(diǎn)下沉量

2 結(jié)論

(1)大采高近水平煤層開采采空區(qū)地表實(shí)測表明，實(shí)測走向、傾向地表最大沉降量分別為4.692 m和4.032 m，下沉開始階段到活躍階段約2～3 d，回采約70 d后進(jìn)入采動(dòng)活躍時(shí)期，地表活躍期約130 d。

(2)概率積分法預(yù)測的下沉量與實(shí)測下沉量基本一致，說明概率積分法在該區(qū)域類似采礦方法礦井較為適用，可為晉城礦區(qū)其他礦井地表沉降進(jìn)行預(yù)測。

(3)概率積分法預(yù)測值與實(shí)測結(jié)果分析表明，厚覆蓋層大采高山地區(qū)域達(dá)到充分采動(dòng)后深厚比與下沉量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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