李 濤

煤礦開采會造成地表不同程度的破壞,對開采多年的礦井,已經(jīng)掌握了地表移動的主要規(guī)律,比如地表移動角、地表移動過程等[1-5]。地表移動變形規(guī)律對于合理安全的組織生產(chǎn)有著重要的意義。新建礦井則缺少地表移動變形規(guī)律,建立首采面地表移動觀測站是必要的,并通過分析觀測站的數(shù)據(jù),得到工作面開采過程中對地表造成的移動變形規(guī)律。本文以某礦首采面地表移動觀測數(shù)據(jù)為基礎,分析本礦的地表移動變形規(guī)律。

1 地質(zhì)采礦條件

某礦地表為黃土覆蓋的丘陵地貌,海拔1 058.3 m～1 110.9 m,南北略高,中部略低,地勢平緩。但東西兩側(cè)有寬50 m～200 m的沖溝,深20 m～40 m。區(qū)內(nèi)均為旱作梯田或坡地,種植玉米等農(nóng)作物。E310101工作面開采二疊系(P)下統(tǒng)山西組(P1S)3號煤層。其上覆巖層由下而上為二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1X)、上統(tǒng)上石盒子組(P2S)、第三系上新統(tǒng)(N2)和第四系(Q)。其中 P1X和P2S多為雜色砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥,綜合巖性為中硬。N2和Q主要為黏土、亞黏土以及砂礫石夾層等松散層。

E310101工作面開采的 3號煤層埋深為518 m～604 m,平均為560 m。煤層厚度為1.7 m～2.9 m,平均約為2.64 m。其中南部觀測站下方煤層埋藏深度約為550 m～600 m,平均為567 m。開采過程中現(xiàn)場量測表明,觀測站下方煤層平均開采厚度為2.55 m,加上其高嶺石泥巖偽頂平均厚0.25 m,隨采隨落,故其平均采出高度為2.8 m。

E310101工作面3號煤層走向由北至南的北偏西105°轉(zhuǎn)為北偏西35°,傾角一般在 10°以下,其中南部觀測站下方煤層走向變化較大,傾角2°～6°,總體呈近水平狀態(tài)。開采過程中觀測站下方未見不良地質(zhì)構(gòu)造,僅在工作面北部距開切眼1 238 m處發(fā)現(xiàn)一個陷落柱,范圍為36 m×42 m,對觀測成果無影響。

E310101工作面3號煤層老頂為細～中粒砂巖,厚2.54 m,垮落步距為32 m～35 m。直接頂為砂質(zhì)泥巖,易破碎。偽頂厚0.25 m,隨采隨落。底板為2.9 m砂質(zhì)泥巖,較為穩(wěn)定。

2 觀測站設計及數(shù)據(jù)分析

2.1 觀測站設計

E310101觀測站于2007年3月設置。按設計要求共設置南北四條觀測線。其中垂直于開切眼方向的南線(S)沿工作面推進方向布置。共 29個點(含S3,S4,S6,S8～S33),全長 749.889 m,平均點間平距為26.782 m;在南線同一延長線方向布置在工作面中央部位的北線(N)共7個點(含 O,N1～N6),全長 147.716 m,平均點間平距為24.619 m。西線(W)和東線(E)均從O點起垂直于工作面進、回風巷(工作面推進方向)方向布置(南距開切眼約450 m)。其中西線共23點(W1～W23),全長574.703 m,平均點間平距24.987 m;東線亦為23點(E1～E23,未含 O點),全長573.541 m,平均點間平距24.937 m。以上觀測站四條觀測線總點數(shù)為82個?？偹介L度為2 045.849 m。

觀測點采用混凝土預制標石,高0.7 m,埋深0.6 m,標心用φ 15 mm 圓鋼中心刻“+”字標定。

2.2 觀測站數(shù)據(jù)分析

1)本觀測站的高程觀測精度較好,因而下沉和傾斜等垂直移動變形值精度較高。由于觀測站所處地區(qū)的凍土深度較大,觀測點標樁埋設深度未達凍土層以下,受凍融影響,測點可能產(chǎn)生附加沉陷,致使W—E線沉陷盆地外邊緣各測點普遍出現(xiàn)20 mm～30 mm的下沉,無法求取移動邊界角;S線外邊緣低洼部位冬季發(fā)生冰凍,地表出現(xiàn)長達200 m范圍的上升,最大上升值達176 mm(2008年3月14日S25號點),致使地表移動范圍異常擴大。此外,由于測點的人為移動或丟失,也為觀測資料的分析帶來一定困難。

2)本觀測站的距離測量精度不高,致使水平移動和水平變形計算精度不好,規(guī)律性很差。例如2007年5月14日～21日第二次觀測位于移動外邊緣的W14和W15號測點的下沉值很小,分別為25.1 mm和16.2 mm,而兩點間的平距卻增加了58 mm,使得兩點間的水平變形達到+2.32 mm/m。又如2008年3月13日第8次觀測位于移動外邊緣區(qū)的E16,E17和E18號測點的下沉值分別為41 mm,36.8 mm和34.2 mm,而其間的水平距離卻分別增加87 mm和83 mm,使得點間的水平變形分別達到+3.78 mm/m和3.38 mm/m,遠遠超出了臨界變形量值;且更外邊緣的E20和E21點的下沉值只有30 mm左右,而其間的水平距離卻增加了109 mm,使點間的水平拉伸變形達到+4.54 mm/m,顯然存在很大的疑問。

3)本觀測站下方煤層平均開采深度達570 m,平均開采厚度為2.8 m,開采深厚比為203,屬大深厚比非充分開采。由實測和模擬移動變形值分析可知,在本開采條件下,實測曲率變形最大正值為 0.14×10-3/m,最大負值(僅有一個)為-0.2×10-3/m;即地表曲率變形基本上都小于一般磚混結(jié)構(gòu)建筑物的臨界變形值,因而在建筑物保護方面可以忽略曲率變形的影響。

本觀測條件下實測傾斜最大值為9.4 mm/m,達到建筑物三級嚴重破壞值。實測水平變形最大正值為6.2 mm/m,最大負值為-9.1 mm/m,達到建筑物三級～四級嚴重破壞量值,因此本觀測條件引起地表破壞性變形的主要因素是水平變形和傾斜。

4)根據(jù)本觀測站求取的地表移動角量參數(shù)分析,本觀測條件下平坦地區(qū)的地表和基巖移動角建議采用如下量值:

a.地表綜合移動角:

走向移動角(δ′)和上山移動角 γ′:δ′=γ′=73°。

下山移動角(β′):β′=δ′-0.6α。

b.基巖移動角:

走向和上山移動角(δ,γ):δ=γ=75°。

下山移動角(β):β=δ-0.6α。

其中,α為煤層傾角。

如果地面地形不平坦,低洼部位可能產(chǎn)生附加上升,導致移動盆地邊界擴大,地表綜合移動角比平地可減小8°～13°。

5)根據(jù)觀測資料綜合分析,本觀測站求取的地表移動過程參數(shù)如下:

a.地表沉陷起動距:d0=0.15H0;

b.最大下沉速度滯后角:φ=76°;

d.地表移動延續(xù)期:

移動初始期:Tc=8 d,占總延續(xù)的1.3%;

移動活躍期:Th=235 d,占總延續(xù)的37.5%;

移動衰退期:Ts=296 d,占總延續(xù)的61.2%;

移動總延續(xù)期:Tz=Tc+Th+Ts=626 d;

或:Tz=1.1H0。

其中,H0為平均采深,m;C為工作面推進速度,m/d;Wfm為非充分開采最大下沉值,mm。

6)分析得到觀測站開采條件下求取的概率積分法地表移動預計參數(shù)如下:

a.下沉系數(shù):q=0.86;

b.水平移動系數(shù):b=0.36;

c.主要影響角正切:tanβ=2.5;

d.開采影響傳播角:θ=90°-0.6α;

e.拐點偏移距:Si=(0.051～0.071)Hi,i=1～4。

3 結(jié)語

1)本觀測條件下實測傾斜最大值為9.4 mm/m,達到建筑物三級嚴重破壞值。實測水平變形最大正值為6.2 mm/m,最大負值為-9.1 mm/m,達到建筑物三級～四級嚴重破壞量值,因此本觀測條件引起地表破壞性變形的主要因素是水平變形和傾斜。

2)本礦區(qū)的巖層與地表移動角量參數(shù):地表綜合移動角約為73°,基巖移動角約為 75°。

3)分析觀測數(shù)據(jù)對地表移動過程參數(shù)做了定量的計算,同時對指導開采沉陷預計的概率積分法參數(shù)進行了擬合。

[1]何國清,楊 倫,凌賡娣.礦山開采沉陷學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1989.

[2]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[3]張懷良.地表移動觀測站的設計[J].山西建筑,2003,29(11):22-24.

[4]康建榮.山區(qū)采動裂縫對地表移動變形的影響分析[J].巖石力學與工程學報,2008(1):30-32.

[5]胡述新.張集礦地表移動規(guī)律研究及應用[J].淮南職業(yè)技術學院學報,2008(2):10-11.