呼亮亮

(山西晉煤集團晉圣礦業(yè)投資有限公司,山西 晉城 048000)

煤炭資源的大量開采所造成的地表沉陷和采動損害日益突出。煤礦開采造成的沉陷不僅破壞礦井生態(tài)環(huán)境,還對地表植被、村莊及其建(構(gòu))筑物造成嚴(yán)重損害,同時給煤炭企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟賠償負擔(dān)。為了最大限度地提高煤炭資源回收率、保護地表植被、村莊及其建(構(gòu))筑物不受礦井開采的損害,研究地表移動規(guī)律意義重大[1-3]。

為了獲得山西晉煤集團晉圣億欣煤業(yè)有限公司(以下簡稱億欣煤業(yè))15#煤層可靠的地表移動參數(shù)及本礦井采礦地質(zhì)條件下的地表移動規(guī)律,億欣煤業(yè)有限公司決定以XV1310回采工作面為例建立地表移動觀測站,開展對本工作面地表移動情況的觀測和研究工作。

1 礦井概況

億欣煤業(yè)批準(zhǔn)開采215號煤層,開采標(biāo)高為1 530 m～640 m,生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a,礦區(qū)面積31.516 7 km2。XV1310工作面為15#煤層一盤區(qū),工作面標(biāo)高914 m～1 003 m。走向長度為1 260 m,傾向長度為200 m。該回采工作面采用一次采全高、后退式傾斜長壁綜合機械化采煤方法。

2 地表巖移觀測站的設(shè)計

地表巖移觀測站是煤礦工作面回采之前,在工作面對應(yīng)地表的地物地貌上按照規(guī)范要求布設(shè)的相互聯(lián)系的觀測點。在回采過程中,按照要求周期性的對布設(shè)的觀測點進行觀測,以獲得觀測點平面、高程位置及其相互位置變化數(shù)據(jù),從而確定工作面回采過程中的地表及巖層移動規(guī)律。

2.1 布設(shè)形式

礦區(qū)大多數(shù)采用剖面線狀觀測站,走向觀測線和傾斜觀測線。回采工作面頂板在充分垮落的情況下,觀測線可設(shè)置在移動盆地的平底部分;非充分垮落的情況下,在移動盆地的主斷面上設(shè)置觀測線。觀測線兩端長度應(yīng)保證超出采動影響范圍,以便觀測線控制點的建立和采動影響邊緣的測定。采動影響范圍內(nèi)的工作測點應(yīng)保證其在采動過程中與地表一起移動,從而反映地表的移動狀態(tài)。

本觀測站采用剖面線狀地表移動觀測站。設(shè)計在地表移動盆地的主斷面上布設(shè)一條傾斜觀測線AB和一條走向觀測線CF,走向觀測線CF和傾斜觀測線AB互相垂直。

2.2 參數(shù)選取

設(shè)計地表移動觀測站的參數(shù)有:工作面的傾斜長度L1、工作面的走向長度L3、下山移動角、上山移動角、松散層移動角、走向移動角、最大下沉角、回采工作面的平均開采深度H等。參數(shù)選取根據(jù)工作面地質(zhì)采礦條件及上覆巖層的巖性等因素確定。

由于億欣煤業(yè)未設(shè)置過地表移動觀測站,因此沒有本礦井開采引起的巖層及地表移動的觀測資料。結(jié)合本區(qū)域其它礦井的參數(shù)以及《三下采煤規(guī)程》,設(shè)計參數(shù)如下:δ=β=γ=65°,φ=45°,Ψ3=60°,θ=90°-0.6α。其中,φ、δ、β、γ、α、Ψ3、θ分別表示松散層移動角、走向移動角、上山移動角、下山移動角、煤層傾角、走向充分采動角、最大下沉角。

2.3 觀測線位置確定

剖面線狀觀測站的設(shè)計示意圖見圖1,在圖1中設(shè)計了2條觀測線,AB線和CD線,其中AB線為走向線,CD線為傾向線。該觀測線設(shè)計要點為:

1)為了讓Q觀測線位于充分采動區(qū)內(nèi),CF的長度需要大于0.7倍開采深度,其中C點開采深度為300 m,F點開采深度為170 m,取其中間值,平均開采深度約為235 m,CF的長度應(yīng)大于165 m。

2)為了避免XV1308老采空區(qū)殘余沉降對AB觀測線的影響,B點不宜進入XV1309工作面內(nèi)。

3)AE和FD之長由移動角和開采深度計算而得。BE長度為工作面傾斜寬度200 m,CF之長由地形條件確定。

圖1 地表移動觀測站設(shè)計示意圖Fig.1 Design diagram of surface movement observation station

傾斜觀測為AB線,根據(jù)實地勘察,CF的長度設(shè)置為362 m(大于165 m),即傾向觀測線位置距停采線的距離為362 m,該線位于走向充分采動影響區(qū)上,滿足設(shè)計要求。

走向AB觀測線必須在走向主斷面上,在傾斜主斷面上按照最大下沉角θ畫線與地表相交,通過相交點作出與煤層走向平行的垂直斷面,該斷面位置即為走向觀測線的位置。假設(shè)工作面采空區(qū)中心位置向下山方向偏出的距離為d,則

d=Hctgθ.

式中:H為回采工作面的平均開采深度,m;θ為最大下沉角,°。

由于本礦沒有以往的地表移動觀測資料,在計算時可用以下經(jīng)驗公式計算:

θ=90°-0.6α.

式中:α為煤層傾角,°。本區(qū)域煤層為近水平煤層,煤層傾角較小。

根據(jù)本測區(qū)特點,在本工作面上方地表布置半條走向觀測線，走向觀測線CD距下山邊界99 m,位于工作面南北中心線附近。

2.4 觀測線長度確定

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》[4]第257條規(guī)定,傾斜觀測線長度調(diào)整值δ、γ為20°。傾向觀測線AB的長度計算公式如下:

AB=AE+EB .

AE=hcotφ+Hcot(γ-Δγ) .

式中:h為松散層厚度,取25 m;φ為松散層移動角，取45°;γ為下山移動角,取65°;Δγ為上山移動角的修正值，取20°;H為采區(qū)下邊界的基巖面到煤層的距離，取275 m。

經(jīng)過計算AE為300 m,EB為工作面傾斜寬度200 m,故AB線設(shè)計長度為500 m,現(xiàn)場勘察布點后,AB線(Q觀測線)的實際長度為522 m。

走向觀測線長度調(diào)整值取Δδ為20°,走向觀測線CD的長度計算公式如下:

CD=DF+FC .

DF=hcotφ+Hcot(δ-Δδ) .

式中:h為松散層厚度,取25 m;φ為松散層移動角，取45°;δ為走向移動角,取65°;Δδ為走向移動角的修正值,取20°;H為采區(qū)下邊界的基巖面到煤層的距離，取150 m。

經(jīng)過計算DF為175 m,CF為362 m,故CD線設(shè)計長度為537 m?，F(xiàn)場勘察布點后,CD線(Z觀測線)的實際長度為560 m。

2.5 觀測點數(shù)量和密度

工作面的開采深度和觀測站的設(shè)計目的決定了觀測線上的測點數(shù)量和密度。觀測點布設(shè)在移動盆地范圍內(nèi)的觀測線上,以移動盆地的中心開始向移動邊界的兩邊布置。為獲取可靠的地表移動數(shù)據(jù),觀測點必須牢牢固定在表土層里,保證觀測點與表土層一起移動。為了以基本相同的精度得出移動變形值及其規(guī)律,觀測點還需按照一定密度等間距布設(shè)，本觀測站測點密度如表1所示。由于本觀測站使用RTK觀測,控制點為測線不受影響的2個端點,其余控制點位于礦區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域,沿用礦區(qū)已有控制點。

表1 測點密度Table 1 Density of measure points

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定,本次觀測站測點間距取20 m。觀測線上觀測點和控制點的數(shù)量由觀測線的長度決定,其余控制點為礦區(qū)近井點。

3 觀測站的設(shè)置

在地表移動觀測站設(shè)計圖(圖1)上,按照設(shè)定的觀測點間距,充分應(yīng)用煤礦布設(shè)的近井點來確定走向、傾向觀測線上各個觀測點的平面、高程位置,并對各觀測點編號管理。本次地表觀測站的觀測點和控制點采用長60 cm,頂面積為10 cm×10 cm,底面積為20 cm×20 cm的帶鋼筋的梯形混凝土樁埋設(shè)。

制作混凝土樁時在其頂端內(nèi)嵌入直徑1 cm、長10 cm ～20 cm的鋼筋,頂部露出混凝土樁頂端1 cm,鋼筋頂部的十字絲作為觀測點的中心。

在標(biāo)定位置開挖一個深0.6 m、直徑0.3 m的土坑,將制作好的標(biāo)志樁統(tǒng)一埋設(shè)?；炷翗?biāo)志樁出露地表10 cm,然后用混凝土固定,并注明每個樁的點號。

觀測點及控制點的構(gòu)造見圖2,測區(qū)地形見圖3。

圖2 觀測點及控制點構(gòu)造圖Fig.2 Structure chart of observation points and control points

圖3 測區(qū)地形Fig.3 Topography of observation areas

4 測點觀測

觀測標(biāo)志樁固定后應(yīng)在觀測站控制點與礦井近井點之間開展獨立的兩次連接測量,確定回采工作面與觀測站相互之間的位置關(guān)系及本次布設(shè)的控制點、觀測線上測點的平面坐標(biāo)高程,并確保觀測站和礦井近井點使用的坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)一致。本次控制點采用GPS測量D級,點位誤差小于7 mm。完成連接測量后還需進行兩次全面觀測,時間間隔不可大于5d。全面觀測包括對各觀測點平面坐標(biāo)和高程、點間距、偏離觀測線方向距離的測量以及地表破壞情況的記錄。

兩次獨立全面觀測測出的同一點高程差值不可大于10 mm,偏離觀測線方向距離不可大于30 mm,相同兩點之間的點間距差值不可大于4 mm,若精度符合要求則取平均值為觀測點的原始數(shù)據(jù)。在工作面回采過程中應(yīng)在根據(jù)回采工作面的推進速度、開采深度及頂板巖性等條件增加全面觀測次數(shù),每次觀測還要測量回采工作面的推進位置、采高和煤層厚度,并對水文地質(zhì)條件、地質(zhì)資料進行記錄[5-6]。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對XV1310工作面地表巖移觀測站的觀測,獲取了觀測各期的下沉、水平移動、傾斜、曲率、水平變形值等數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析獲得XV1310工作面開采過程中的動態(tài)沉陷規(guī)律、詳細的地表移動時間過程及15#煤層巖層移動參數(shù),為今后礦井留設(shè)高速公路、鐵路、高壓電塔等保安煤柱及村莊搬遷賠償工作提供科學(xué)依據(jù),同時可解放“三下”壓煤,提高礦井資源回收率,提高經(jīng)濟效益,保證了礦井的可持續(xù)發(fā)展。