风积沙弱胶结软岩矿区地表开采沉陷规律实测研究*

2021-11-18侯树宏柳昭琰李家龙张仲杰刘江斌何维胜

矿山测量 2021年5期

侯树宏，柳昭琰，李家龙，张仲杰，刘江斌，何维胜

(1.国家能源集团宁夏煤业公司羊场湾煤矿，宁夏银川 750004；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116；3.鄂托克前旗长城五号矿业有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000)

由于我国煤炭赋存现状呈现“西部多、中部富、东部区域枯竭”的现象，今后很长一段时间内，煤炭在国内的供应主要依靠西部地区。我国西部地区煤炭资源储量丰富，地质条件简单且开采条件优越，适合高强度开采。但同时西部地区多为荒漠化地带，生态脆弱，高强度的开采势必会造成比较剧烈的地表移动和变形。因此，获得矿区的地表与岩层移动规律，对煤矿开采过程中的保安煤柱留设、地表移动变形预计和安全绿色开采工作具有重要意义。

国内外针对开采诱发的地表沉陷问题进行过大量的研究，其中，我国中东部矿区开展研究较早，研究较为充分，特别是综放开采条件下地表沉陷呈现的主要变形集中、下沉过程剧烈等特征研究较为充分[1-4]。同时，对深部开采和有特殊地质构造情况下的地表沉陷规律也进行了现场实测和数值模拟研究[5-7]。

随着煤炭开发重心的西移，西部矿区也开展了大量的地表移动变形监测及数据处理工作，焦付斌[8]通过对高河煤矿E1302工作面的分析与研究，揭示了厚煤层综放开采条件下地表移动变形的规律和特点，研究表明，煤层综放开采导致覆岩破坏加剧，地层产生快速连续沉陷，地表下沉盆地陡峭，且岩层与地表的移动变形过程显著加快，动态变形剧烈且集中；郭文兵等[9]在哈拉沟矿22407工作面上方布置地表移动观测站，发现在浅埋厚煤层高强度开采条件下，地表下沉比较剧烈，移动变形比较集中，能够快速形成下沉盆地，地表移动在很短的时间内达到稳定状态；孔素丽[10]以内蒙古某矿区为研究对象，发现在综采开采条件下，快速开采使得地表移动剧烈且地表移动时间缩短；孙来华[11]等分析了沙土层厚煤层综放开采地表移动变形规律，得到地表变形较平缓的结论。上述工作的开展对指导区域煤层开采及地面建(构)筑物保护提供了可靠的技术支持。宁东矿区是我国重要的煤炭基地，其上覆岩层结构以弱胶结软岩为主，地表以半荒漠风沙区覆盖为典型特征，其开采沉陷具有一定的特殊性。本文以羊场湾煤矿地表移动观测站实测资料进行分析研究，揭示了该地质采矿条件下地表移动与变形规律的特点。

1 地表移动观测

1.1 监测区域概况

130201工作面位于羊场湾一分区井田东部(十三采区)上方，该工作面地表为沙丘覆盖，地形低缓平坦，起伏不大，无建筑物位于工作面范围内，是羊场湾煤矿十三采区北翼的首采工作面。130201工作面地面海拔标高+1 388.6～+1 409.1 m，平均标高 1 399 m 左右；平均开采厚度为 5.6 m，煤层倾角为 2°～13°，平均倾角 7.5°，工作面倾向宽度为 305 m，走向长度为 1 180 m。观测站处工作面上边界标高约为 915.4 m，下边界标高为 858.9 m ,平均标高为 887.1 m。观测站处工作面上边界采深约为 484 m，下边界采深为 540 m ,平均采深为 512 m。采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板。

1.2 地表观测站概况

130201工作面设计形状规整，受外界影响因素较小，地形较为平坦，观测站设计较为容易。在130201工作面上合理地布置两条观测线，即一条倾向观测线和一条走向观测线，位置均在停采线的一侧。经计算可得，倾向观测线布置在距离停采线400 m处，观测线长度1 260 m。观测线两端各设2个控制点，倾向观测线有4个控制点。控制点与控制点间距以及控制点与工作点间距为80 m。走向观测线沿着平行于130201工作面走向方向布设,且偏向下山方向,长度895 m。在靠近盆地边界的走向观测线一端设3个控制点，控制点与控制点间距、控制点与工作点间距均为80 m。根据平均开采深度512 m选择工作点间距30 m，倾向方向共布设工作测点 43个，测点编号自下山往上山方向递增；走向方向布设31个工作测点。观测线布置如图1所示。

图1 130201工作面观测线布置

1.3 地表移动变形观测成果

地表岩移观测站于2012年12月2日开始观测，至2014年6月30日观测结束，历时19个月，共进行了3次全面观测和19次日常观测。水准测量采用苏州一光生产的DSZ1电子水准仪，每公里往返测量标准误差为0.7 mm，导线测量采用徕卡TZ05全站仪，测角精度达2″。初次全面观测利用RTK校正控制点后，测量各观测点的平面位置并利用电子水准仪按四等附合和闭合水准线路独立观测两次高程，平差后取二者的平均值为初始观测值。

末期全面观测高程测量采用三等闭合水准线路，并对矿区近井点和观测站控制点进行了联系测量。水准测量在采动过程中按四等水准测量的精度，采用附合水准线路进行。获得的地表走向线和倾向线下沉情况如图2～图3所示。

图2 走向线下沉曲线

图3 倾向线下沉曲线

由图2和图3可知，随着开采程度的增加，地表下沉呈现逐渐增大的趋势，到2014年6月30日，130201工作面倾向最大下沉达到3 033.57 mm，走向方向最大下沉值达到2 722.25 mm，不存在明显的突变现象，符合开采沉陷的一般规律。

2 移动变形规律分析

2.1 地表移动变形形态

根据观测站的实测资料，以最后一期下沉数据为基础，求取各测点的移动变形情况，如图4和图5所示。观测站测点的最大移动变形值如表1所示。

图4 走向移动变形曲线图

图5 倾向移动变形曲线图

表1 地表最大变形值

从走向和倾向方向的移动变形曲线来看：最大下沉出现在工作面中部，最大倾斜出现在工作面边界上方，最大曲率出现在工作面边界上方左右一定范围之内，最大水平移动出现在工作面边界处，最大水平变形出现在工作面边界上方左右一定范围之内。这些规律与一般常规的岩层和地表移动变形规律相似，说明本次观测站的设计与观测工作效果非常好，观测工作取得很好的成果。

从走向方向水平移动曲线可以看出：停采线处的水平移动值最大，工作面开采中间区域的水平移动值不为0，且大于开采边界上方的水平移动值，并且移动方向相反，存在较大的水平变形残余。

从倾向方向水平移动曲线可以看出：工作面上、下边界处以内的水平移动值最大，并且向上山方向的最大移动值要大于向下山方向的最大移动值，这是符合一般规律的。但向上山方向的最大移动值要远大于向下山方向的最大移动值，这个特点类似于急倾斜煤层开采条件下的规律。

2.2 地表移动角值参数

根据地表移动变形实测曲线，采用图解法求取相关角值参数，如表2所示。其中，由于观测站处的地表松散层厚度约为12 m，且为沙土层，松散层移动角在实际中难以观测。鉴于其厚度只有12 m，对各个参数的计算和分析影响不大，本次计算采用的松散层移动角为45°。

表2 走向、上山及下山方向的边界角、移动角、充分采动角、最大下沉角

2.3 地表移动持续时间

根据实测资料，绘制了地表动态下沉、下沉速度变化曲线图，如图6所示。由图可知，地表测点的下沉过程是连续渐变的，地表下沉速度快，下沉量主要发生在移动活跃期内，地表最大下沉速度值为82.28 mm/d。工作面地表动态变形剧烈且集中在2013年5月28日～2013年7月8日，下沉量占总下沉量的75%，说明在开采过程中出现了集中下沉现象。

图6 下沉速度曲线

根据下沉速度曲线，取测点开始下沉值为10 mm时的位置至当时工作面回采位置的连线，该连线与水平线在煤柱一侧的夹角，即超前影响角为ω=43.2°。

经综合分析确定，130201工作面开采后，地表移动延续时间为548 d，以下沉速度1.7 mm/d为界， 2012年12月2日～2013年5月2日为开始阶段，总计142 d，2013年5月2日～2013年8月11日为活跃阶段，总计110 d，2013年8月11日～2014年6月30日为衰退阶段，总计296 d，活跃阶段占地表移动延续时间的20%，下沉量占总下沉量的91.6%，在开采过程中出现集中下沉现象，地表下沉速度较大，动态变形剧烈且集中。