蔣守平

工業(yè)廣場保安煤柱開采是資源將枯竭的煤礦所面臨的問題。百善煤礦即將收尾，對工業(yè)廣場保護煤柱進行開采，并建立了工廣煤柱地表移動觀測站，通過對實測資料進行詳細的分析，獲得了本礦區(qū)的地表移動變形規(guī)律，可為集團公司或者其它類似地質(zhì)條件下的工業(yè)廣場保護煤柱開采留設(shè)提供參考。

1 地形及地質(zhì)構(gòu)造

工廣煤柱回收工作面位于工廣保安煤柱西南部，該工作面北部為工廣保安煤柱中心區(qū)域，南部以工廣保安煤柱線為界，靠近615、677、6530、6540采空區(qū)。該工作面長362 m，寬135 m，兩極煤厚2.0～4.0 m，平均煤厚3.0 m，容重1.42 t/m3，可采面積48772 m2，地質(zhì)儲量0.208 Mt，可采儲量0.197 Mt。

工廣煤柱工作面煤層傾角5°～14°，平均8°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，以碎塊狀為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，質(zhì)較純。該工作面煤厚變異系數(shù)為15%，煤層可采性指數(shù)為0.95。工作面上方地表主要有高壓線路、礦運煤鐵路、工廣建筑及鄉(xiāng)村小路，該工作面回采對上述構(gòu)建物影響較大。

2 觀測站的設(shè)置

工廣煤柱布設(shè)一條走向觀測線，詳細位置見圖1。走向觀測線長度按下式計算：

式中：H0為平均開采深度，取260 m；h為松散層厚度，取140 m；δ為走向移動角，取61°；Δδ為走向移動角修正值，取20°；α為煤層傾角，取11°；Φ為 松散層

移動角，取40°；l為工作面走向長，取140 m。

將上述數(shù)值代入公式得：S走向=750 m。

根據(jù)本次地表移動觀測站的實際情況，在工廣范圍內(nèi)布置觀測線，以便觀測工廣范圍內(nèi)地表及建筑物下沉及變形情況。此次沿工廣布置半條走向觀測線，從辦公樓近井點處沿路至物保部材料大棚附近，長度為392 m，控制點2個，編號順序為近井點、A1，工作測點共計16個，間距20 m，編號順序為：1，2……16。

圖1 觀測線布置

3 觀測站的觀測

3.1 控制點觀測

觀測站觀測基準點與工廣區(qū)域內(nèi)建筑物變形監(jiān)測網(wǎng)采用同一套基準點，即平面采用四等GPS測量，高程采用二等水準測量。

3.2 連接測量

控制點與基準點間的平面連接測量采用城市一級光電測距導(dǎo)線施測，高程連接測量采用往返測支水準線路的方式，按三等水準測量要求施測。

3.3 全面觀測

全面觀測是確定測點空間位置的觀測工作，即測定測點移動的全向量。全面觀測在工作面采動之前進行了兩次，如果兩次觀測結(jié)果誤差：同一點的高程不大于10 mm，支距不大于30 mm，取兩次的平均值作為觀測站各測點的原始位置；地表移動進入活躍期進行了三次全面觀測；在地表移動變形穩(wěn)定后進行最后一次全面觀測。

3.4 高程及點位觀測

工作測點的高程用水準測量，采動前的水準測量按三等水準測量的要求觀測，移動期間和采動后的水準測量均按四等水準測量的要求觀測。加密水準測量應(yīng)根據(jù)地表下沉速度和工作面推進速度而定。在地表移動變形的初始期和衰退期一般每隔10～15 d進行一次水準測量，在地表移動變形活躍期每隔2～3天進行一次水準觀測，本次觀測共進行了水準測量42次。

在地表下沉之前對控制點、工作測點進行全面測量，計算各測點的坐標。將全站儀安置在一端控制點上，依次將棱鏡安置在各觀測點上，照準一次讀數(shù)四次，互差不超過2 mm，取平均值；相鄰兩點改正后水平邊長的兩次限差為3 mm。運用工作測點每次測量的坐標與起始坐標計算工作測點的移動方向及位移量。

3.5 觀測成果及整理

每次水準測量和導(dǎo)線測量工作結(jié)束后應(yīng)檢查外業(yè)手簿，計算所有觀測點的高程和坐標。2016年6月24日進行第一次觀測，到2017年2月27日共進行了42次水準觀測，6次全面觀測。根據(jù)觀測值計算下沉值、傾斜、曲率、測點沿測線的縱向和橫向水平移動及縱向水平變形，利用概率積分法求得工廣煤柱開采地表移動參數(shù)如表1所示。

表1 百善煤礦工廣煤柱工作面實測數(shù)據(jù)反演概率積分參數(shù)

百善煤礦根據(jù)此前675工作面巖移觀測站實測數(shù)據(jù)，求得我礦開采地表移動參數(shù)如表2所示。

表2 百善煤礦675工作面實測數(shù)據(jù)反演概率積分參數(shù)

通過兩次數(shù)據(jù)對比可以看出，工廣煤柱工作面呈現(xiàn)出地表移動下沉量較小，松散層移動角增大，主要影響角正切變小等特點。最大超前影響距實測為81 m（與預(yù)測相近），塌陷影響邊界為工作面外156 m（與預(yù)測221 m相差大）。工廣煤柱工作面回采過程中，走向主斷面最大下沉點15號測點下沉了2645 mm（與預(yù)測3557 mm相差大）。百善煤礦松散層較厚，煤層頂板巖性較弱，屬于軟質(zhì)巖，因而拐點偏距較小，近似為0，這反映出工廣煤柱地表下沉存在自身的運行規(guī)律。

4 地表移動變形規(guī)律及特點

4.1 地表移動下沉速度與采深、采高的關(guān)系

地表移動變形、下沉的速度與采高成正比，與采深成反比。工廣煤柱工作面平均采深超過260 m，平均采高2.8 m，采深與采高比大。再加上工廣煤柱風(fēng)巷外測為615、6540和6541采空區(qū)，此前地表已經(jīng)下沉，故本次地表下沉速度減緩，持續(xù)時間較長，最大下沉速度為40.6 mm/d。

4.2 工作面地表移動下沉影響因素

百善煤礦工廣煤柱屬于厚松散層，松散層在采深中所占的比例較大，表土層對移動角、邊界角的影響較大；當(dāng)采深非常大時，由于采動不充分性增加，移動角、邊界角增大。移動角、邊界角與松散層厚度之間存在著較強的對數(shù)關(guān)系：松散層厚度占采深的比例越大，采動越充分，移動角、邊界角越小，表現(xiàn)為反映地表移動主要影響范圍的概率積分參數(shù)主要影響角正切tgβ較小。開采深度與采高比較大，工廣煤柱南側(cè)為采空區(qū)，復(fù)采導(dǎo)致巖層與地表的破壞程度加劇，地表出現(xiàn)了不均勻下沉并在工作面機風(fēng)巷外側(cè)形成了落差較大的臺階。

5 地表移動期分析

對于地表移動期，我國《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定，地表的移動過程可分為初始期、活躍期和衰退期三個時期。從地表最大下沉點累計下沉10 mm時算起到地表下沉速度達50 mm/月止，這段時間稱初始期；把下沉速度超過50 mm/月的時間稱為活躍期；從活躍期后到連續(xù)6個月觀測下沉小于30 mm的這段時間稱為衰退期。

2016年6月30日進行水準觀測時，最大下沉點14下沉了12 mm，2016年7月28日，最大下沉點14累計下沉了61 mm，故初始期為31天；活躍期從2016年7月30日開始，經(jīng)過觀測數(shù)據(jù)的整理和計算，一直持續(xù)到2017年2月15日，共計201天；2017年2月底百善礦關(guān)井閉坑，人員分流，故本次觀測停止，衰退期無法觀測。

6 結(jié)語

通過對觀測線的布設(shè)、觀測及計算，取得了適合本礦工廣煤柱地表移動參數(shù)及規(guī)律，同時以本次觀測成果為依據(jù)，可及時預(yù)警采空區(qū)塌陷強度和地表破壞程度，因地制宜地采取工程措施，防患于未然；同時也為工廣保護煤柱的合理留設(shè)提供了技術(shù)依據(jù)。