尹明国

(中天合创能源有限责任公司,鄂尔多斯 017000)

葫芦素矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗和伊金霍洛旗境内,在呼吉尔特矿区的中部,该井田南北走向长度约7.4 km,东西倾斜宽约13.4 km,井田面积92.761 km2。首采面位于东翼三条大巷南部,走向推进长度都是4 150 m,工作面煤层平均厚度2.6 m,属中厚煤层,煤层倾角为1～3°,工作面对应的地面标高为+1 304～+1 328 m,工作面标高为+673～+694 m,上覆基岩厚度为590～609 m,地表松散层厚度为21～33 m,以风积砂为主。

许多学者对煤矿开采地表沉陷规律进行了研究[1-4],有效解决了地表建(构)物压煤问题[5,6]。葫芦素煤矿属于新建矿井,对其地表移动规律尚缺乏深入研究,无成熟沉陷资料可供参考。笔者所开展的厚风积沙地表沉陷规律实测研究,不仅可以有效解决地表建(构)筑物压煤问题,指导矿井安全生产,还能丰富该区域的覆岩移动变形规律,提高矿井整体效益。

笔者创新观测方法,通过现场实测,对实测资料进行综合分析,求取地表移动参数,为矿区留设地表建(构)筑物的保护煤柱及建(构)筑物压煤开采设计提供可靠的科学依据。

1 创新观测方法

笔者基于传统的测量方法,利用RTK 技术,联合水准仪等测量工具,创新了地表变形观测方法,具体方法如下:

1.1 控制点布设采用RTK+全站仪联合观测

按照地表观测设计,选择合适地点布设控制点,控制点埋设后先采用RTK 进行观测,然后采用索佳DX-101AC全站仪进行联测,保证控制点精度。

1.2 沉降观测点布设采用RTK+全站仪+电子水准仪进行全面观测

按照走向线和倾向线埋设好沉降观测点后,对地形特别复杂、水准仪观测困难的地段,使用RTK+全站仪联合测量的方法测量沉降点的坐标和高程,对地形较平缓的地段,使用RTK+电子水准仪的方法进行观测。

1.3 沉降观测采用RTK+电子水准仪进行日常观测

工作面地表沙丘较大,使用水准仪观测较为困难,采用RTK 观测的方法对沉降点进行多次重复观测,确保观测精度;21103工作面地表沙丘起伏比较平缓,采用水准仪进行观测。

2 观测精度对比

2.1 常规测量地表沉陷观测点高程精度分析[7]

走向线构成6 km 长附合水准线路,高程最弱点误差处在水准线路中点处。水准按四等要求施测,每公里高差中误差为Mw=±10 mm,最弱点高程误差为:m==±12.2 mm,(L=6 km)。

2.2 应用RTK 技术地表沉陷观测点高程精度分析

使用RTK 观测,其高程精度为±(10+1 ppm×D),最弱点在离参考站距离最远处,即走向线终点处,距离D=6 km,则最弱点高程误差:m==±12.3 mm。

由此可见,理论上用RTK 作业模式测量的高程精度优于水准测量精度,从而在理论上保证了RTK 监测矿区开采地表沉陷的可行性。

3 测量作业预控管理

测量作业预控管理的核心是预控和精细化缺一不可,互为依托,相互补充。精细化预控管理技术从大方向着眼,从细微处入手,更加强调两者的完美结合。在项目管理中创新各项技术和管理手段,以便更好地完成本次研究。

3.1 充分了解现场地形地貌

充分了解现场地形地貌,再根据实际地貌制定针对性测量方案,这也是一切测量工作开始的依据,是体现测量工程预控管理技术的价值所在。

3.2 做好对仪器的检校

在工程开始前到有资质的单位检校测量仪器,保证工程开始后仪器正常使用。检校后,测量人员对仪器进行再次检查,确保各类指标都在规定范围内。测量人员每月对仪器进行检查,发现指标超限的应立即停止使用,并送检。

3.3 观测质量的控制

在测量过程中要以“精度控制”为主线,强调“精”和“细”。选用索佳DX-101AC 全站仪,测角精度±1″级,保证观测精度。测量人员分组施测,明确分工,每组明确一个主测人员,分别使用RTK、全站仪、电子水准仪观测,减小人为引起的测量误差。测量人员分工明确,外业时各司其职,内业计算要有主测、主算和技术员,三者分别计算和相互检核。

4 应用RTK 监测矿区地表沉陷的技术措施

利用RTK 观测已知控制点,进行测区实时偏差值修正,人为求取RTK 沉陷监测埋石点,并用GPS静态测量无约束平差求出各点地方坐标,作为地表沉陷监测的参考基准。利用RTK 观测沉降点,采用延长观测站观测时间、使用强制对中、连续多次采集观测数据等措施,大大降低了观测误差。

5 21102工作面地表移动观测站的设计

沿工作面走向在主断面布设全盆地走向观测线,长度4 700 m,倾向观测线设2条,根据地形实际情况埋设6个控制点。

6 主要研究成果

6.1 地表沉降值分布

走向线最大下沉值1 353 mm,平均下沉速率1.3 mm/d。

6.2 开采下沉系数

工作面于2018 年7 月回采结束,距今已有3 a多,基本达到充分下沉。已知葫芦素煤矿的覆岩层为中硬岩层,K1、K2可取0.8,计算得到的采动系数为:n1=0.51,n2=1.01,煤层倾角为2°,可计算得工作面下沉系数为:q=0.67。

6.3 主要影响半径和主要影响角正切[8]

主要影响角正切为开采深度与主要影响半径之比,计算公式为:tanβ=H/r。式中:H为开采深度;r为主要影响半径。

由观测数据计算知,工作面主要影响半径为:r走=W0/i0=260 m。式中:r走为走向主要影响半径;W0为最大下沉值;i0为最大倾斜值。

6.4 拐点偏移距

根据拐点的下沉值约为最大下沉值的一半这一性质,可在下沉曲线图上确定拐点。工作面拐点偏移距:s走=54.4 m=0.07H,偏向采空区内。

6.5 岩性系数

岩性系数K由最大下沉角确定,系数K的计算公式为:K=(90°-θ)/α,α为煤层倾角;θ为最大下沉角。倾向线最大下沉角为88.5°,则K=0.75。

6.6 启动距

由工作面进尺与走向线观测数据可知,工作面在推进至260 m 时地面无显现沉降,工作面推进至346 m 时,工作面观测到沉降,推算出启动距为282 m,约0.41H。

6.7 超前影响距和超前影响角

根据超前影响距和超前影响角的关系,可得超前影响角ω=arctan(l/H0),l为超前影响距,m;H0为平均开采深度(取值680 m)。因此,推算工作面的超前影响距为488 m,超前影响角为54.3°。

6.8 最大下沉速度系数

最大下沉速度系数与工作面最大下沉速度、地表最大下沉值、开采深度、露岩性质以及工作面推进速度有关,地表点最大下沉速度表示为:

式中:K为下沉速度系数;V为工作面推进速度,m/d;H0为平均开采深度,m;Wmax为本工作面的地表最大下沉值,mm。

根据工作面实测数据,经计算得下沉速度系数为:K=1.5。

6.9 移动边界角

松散层与基岩边界角分别求取,使开采影响范围的确定更加准确,能够更好地指导生产。依据《煤矿测量规程》所确定的“下沉10 mm 的点为地表下沉盆地边界点”的标准。因工作面倾角较小,在一定开采范围内可以认为:边界角在走向及上、下山方向近似相等。由采深和松散层厚度h1、h2,可求得基岩厚度Hj1、Hj2,依据几何关系可得:

式中:L1、L2为走向及倾向方向下沉10 mm 边界至采空区水平距离;ψ为松散层边界角;δ为下山方向边界角。

由公式(2)和(3)解得:松散层边界角为ψ0=28°,基岩边界角为δ0=γ0=β0=56°。

7 结 论

(1)沉降分析

葫芦素煤矿区内地层发育较全,工作面煤层上方存在两种较厚的岩层:①中-上三叠统延长组(T3y)以黄、灰绿、紫、灰黑色块状中粗粒砂岩为主,夹灰黑、灰绿色泥岩和煤线,厚度100～312 m;②侏罗统富县组(J1f),上部为浅黄、灰绿、紫红色泥岩,夹砂岩;下部以砂岩为主,局部为砂岩与泥岩互层;底部为浅黄色砾岩,厚度0～110 m,自矿区东部向西逐渐变薄,直至尖灭。

工作面上方顶板有多层较厚的岩层,它对覆岩移动起控制作用,这种起控制作用的厚而坚硬岩层称为“托板”,由于“托板”托住了其上覆岩层和松散层,其上覆岩土层的移动和变形完全受“托板”的沉陷控制。这些岩土层随“托板”的沉陷和变形而产生运动时,岩土层内部既不产生竖向压缩变形,也不产生竖向拉伸变形,层内无断裂、无离层。“托板”以上岩土层的移动变形连续,无体积变形,地表最大下沉量等于托板整体沉陷量。

(2)以10 mm 下沉点为边界,工作面切眼南侧影响水平距离为220 m,首采工作面西侧和东侧影响距离为450 m,开采下沉系数为0.67,主要影响角正切为2.61,松散层边界角为ψ0=28°,边界角为β0=54°。