寺河矿大采高开采地表移动现场监测及预测

2018-05-04张碧川王克全杜子健孙海涛付军辉杨金虎

中国煤炭 2018年4期

张碧川王克全杜子健孙海涛付军辉杨金虎

(1. 煤炭科学研究总院，北京市朝阳区，100013；2. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆市沙坪坝区，400037；3. 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院，重庆市沙坪坝区，400037)

随着煤炭资源的开采，煤层上部将产生连续或非连续的地表变形，其沉降变化非常复杂，是采矿和地质因素之间相互耦合的结果。地表沉降量不仅与开采厚度等因素有关，还受到其所处的地球物理环境(断层、褶曲等)因素的影响。

为了研究地表沉降变化，一些学者从覆岩结构、下沉预测、地面监测等方面进行了大量研究。贡长青等基于弹性薄板理论，对采空区各点沉降量与空间位置关系进行了研究，得到了全断面沉降模型。钱鸣高等以砌体梁理论为基础，进行了采空区地表移动试验，揭示了覆岩关键层破断对地表移动的影响规律。刘宝琛等以随机介质理论为基础，通过对李特维尼申的随机介质理论解简化，建立了概率积分法。曹树刚等通过对基岩裸露地区不同回采工作面地表下沉及水平移动观测数据的分析，拟合得到了地表下沉及水平移动曲线。王军保等以采空区地表沉降量随时间的变化为研究对象，得到了基于MMF模型的地表沉降时间函数模型。本文以晋城矿区为例，针对厚覆盖层地区大采高近水平煤层开采条件下地表下沉特征，重点研究大采高的影响，了解该区域地表沉降规律，有助于指导相近地质条件及采煤方法矿区铁路下、建筑物下、水体下的采煤活动。

1 地表移动观测及数据处理

为综合研究工作面上地表的沉降规律，对寺河矿的地表沉降进行了现场监测。

1.1 矿井地质及工作面开采条件

寺河矿井田位于太行山脉南段西侧、沁水盆地南缘，地貌形态属剥蚀、侵蚀山地，地形较为破碎。可采煤层为3号、9号及15号煤层，现开采的3号煤层底板标高485～610 m，地面标高850～1101 m。3号煤层位于山西组下部，上距K8砂岩30.14 m，下距K7砂岩6.05 m，距15号煤层85.29 m。厚度4.45～8.75 m，平均厚度6.25 m，煤层倾角1°～14°，平均5°。

W2301工作面呈向斜构造，自西向东，利用坑透CT、CAD分析处理系统对探测数据进行了处理，结合坑透图、巷道现场情况和两侧巷道钻孔进行了综合分析，工作面不存在明显地质异常区。工作面采用倾斜长壁综合机械化采煤法，采高6 m，推进长度为1250.9 m。

1.2 地表移动测点布设

为了获得准确、可靠、有代表性的观测资料，应将观测线设在地表沉降盆地的主断面上，观测线长度应大于沉降盆地的范围。由于煤层呈近水平且埋深约420 m，地表呈山地状，经过综合对比分析，采用剖面线状观测站，将地表沉降盆地走向主断面设于工作面中心上方。工作面上方设置两条观测线，测点采用混凝土灌注，间距取10 m。

走向观测线长度可按下式计算：

AB=H0ctanψ+H0ctanδ+2d

(1)

式中：AB——走向观测线长度，m；

H0——平均开采深度，m；

ψ——走向充分采动角，(°)；

δ——走向综合边界角，(°)；

d——走向线与倾向线交点外延5个测点的测点距，取50 m。

寺河煤矿西区工作面与成庄矿5303综放工作面情况类似，因此以成庄矿岩层移动参数为参考进行观测站设计，经计算工作面走向观测线和倾向观测线长分别为510 m和397 m(实际取400 m)。

为了以大致相同的精度获得地表移动及其分布规律，工作测点采用等间距测量，间距大小与开采深度有关。工作面开采深度为420 m左右，测点间距取10 m。工作基准点一般间距45 m，最大间距100 m。

监测采用GPS快速静态定位测试与动态测试相结合的方法，首先在开采区域外侧布置半走向线及半倾向线监测基准点各3个，走向布置51个测点，倾向布置36个测点，半走向线及半倾向线测点分布如图1所示。

图1 测点布置图

1.3 地表移动参数的确定

虽然煤层倾角较小，但其走向和倾向地表移动观测结果有较为明显的差异，因此分别从走向和倾向对阐述近水平煤层开采地表移动的一般规律。

本次监测所涉及的地表移动参数包括最大下沉系数q，最大水平移动系数b，边界角δ0，移动角δ，裂缝角δ″，最大下沉角θ，充分采动角ψ，采动影响半径r，采动影响角正切值tanβ，拐点移动距离S等。

整个移动盆地的移动参数值见表1，走向地表沉降动态监测结果分别如图2和图3所示，实测地表移动盆地如图4所示。

图2 地表走向动态下沉图

由图2、图3和图4可知，随着工作面推进，地表观测点经历了开始沉降、沉降活跃、沉降衰退的过程。在地表走向方向上呈半无限状，达到了充分采动。工作面地表走向下沉量动态变化较大，这主要是受开采速度影响。实测走向和倾向方向的地表最大沉降量分别为4.692 m和4.032 m，下沉开始阶段到活跃阶段约2～3 d，回采约70 d后进入采动活跃时期，地表活跃期约130 d。

图3 工作面走向动态下沉图

表1 走向倾向地移动参数

图4 工作面地表实测沉降盆地示意图

2 地表沉降预测及分析

为了能够有效评价采空区地表沉降对地面塌陷、建筑物等的影响，需要事先预测地表沉降量。

2.1 地表沉降规律预测模型

本文用概率积分法来预测地下开采引起的地表沉降，概率积分法是目前应用最多，预测精度较高的随机介质理论方法。

(2)

式中：W——地表下沉量，m；

r——岩层下降的主要影响半径，m。

r会随着岩层相对煤层间距而变，下沉量W不仅与开采边界距离x有关，而且与开采煤层间距y、岩层的最大下沉值Wmax、覆岩下沉拐点移动距离S等参数有关，选用参考坐标系，采场煤壁与顶板的交点固定为坐标原点，采场上覆岩层的下沉量函数可表示为：

(3)

采场覆岩最大下沉量与岩层到煤层顶板的距离的关系符合下式：

Wmax(y)=a×exp(-by)

(4)

式中：a、b——与采场上覆岩层结构及岩性有关的系数。

根据经验可按下式进行计算：

(5)

式中：H——煤层厚度，m；

Z——地表下沉系数；

T——煤层倾角，(°)；

M——煤层厚度，m；

k1、k2——分别为碎胀系数、残余碎胀系数；

h——冒落带高度，m。

观测表明，地表沉陷主要影响半径r与主要影响角正切值tanu和开采煤层间距y的关系符合：

(6)

式中：u——主要影响角，(°)。

在近水平煤层条件下满足：

tanu=D+0.0032u

(7)

式中：D——岩性影响系数。

经验表明，拐点移动距与岩性密切相关，大致符合如下关系：

(8)

2.2 走向地表沉降预测及分析

依据概率积分法计算的预测下沉值如图5所示，矿区地表沉降与埋深和采厚之比的关系如图6所示。

分析图5和图6可知，概率积分法预测的走向下沉值与实测结果误差较小，平均误差0.2918 m，平均相对误差-0.0473。工作面走向推进约480 m时，走向方向上达到充分采动，此前下沉量主要受是否充分采动的影响，推进480 m后，埋深与采高之比和地表下沉量呈负相关关系，即随着深厚比的增加下沉量减少，随着深厚比的减小下沉量增加。