王 博，楊昆侖

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710054;2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院，陜西 西安 710000)

0 引言

多年來，礦區(qū)煤炭開采區(qū)地表移動(dòng)變形引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害一直不同程度地存在著[1-2]，并且伴隨著煤炭開采能力和技術(shù)的不斷提升，這一現(xiàn)象在今后仍會(huì)加劇和持續(xù)。此次工作面地表開采沉陷觀測(cè)項(xiàng)目，是為了對(duì)下峪口煤礦即將開采的23208工作面的地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取在開采推進(jìn)過程中，地表沉降的具體情況包括時(shí)間及空間信息。同時(shí)，通過對(duì)這2個(gè)工作面的地表開采沉降監(jiān)測(cè)，在完成工作面概率積分法預(yù)測(cè)模型時(shí)，各參數(shù)的計(jì)算可為煤礦其他工作面的開采提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 地面變形觀測(cè)線設(shè)計(jì)

由于下峪口煤礦近10年未進(jìn)行過地面開采沉陷相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。此次地面變形觀測(cè)線的設(shè)計(jì)參數(shù)，選用同礦區(qū)地質(zhì)、采礦條件相似的礦井已求得的角值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)收集到的已有參數(shù)，結(jié)合《煤礦測(cè)量規(guī)程》及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》有關(guān)規(guī)定[3-5]，具體取值如下：基巖移動(dòng)角β=γ=δ=70°～75°=74.8°；沖積層移動(dòng)角φ=45°；煤層傾角α=4°；最大下沉角θ=90°-0.6α=87.6°；移動(dòng)角修正值(走向Δδ，傾向上山Δγ，傾向下山Δβ)Δδ=Δγ=Δβ=20°。此次地面變形觀測(cè)線設(shè)置成直線，并與煤層走向垂直或平行。

地面變形觀測(cè)線一般可設(shè)走向觀測(cè)線和傾斜觀測(cè)線各一條，設(shè)在移動(dòng)盆地的主斷面位置。也可以在地裂縫、地面塌陷的重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域，增加觀測(cè)線，設(shè)置成網(wǎng)狀觀測(cè)線。當(dāng)工作面走向長(zhǎng)度大于0.9H0時(shí)，可以只設(shè)半條走向觀測(cè)線。此次23208工作面，長(zhǎng)度為1 260 m，平均開采深度H0約為460 m，工作面走向長(zhǎng)度1 260 m>0.9H0=414 m，工作面布設(shè)半條走向觀測(cè)線。

此次地面變形觀測(cè)中利用剖面線狀觀測(cè)線的設(shè)計(jì)方法。走向觀測(cè)線應(yīng)設(shè)在移動(dòng)盆地的走向主斷面上，具體的確定方法為：在傾斜主斷面上，從采空區(qū)中心用最大下沉角θ劃線與地表相交于O點(diǎn)，通過O點(diǎn)作平行煤層走向的垂直斷面，此斷面所在的位置就是走向觀測(cè)線的位置。

具體的操作為，從采區(qū)中心O的正上方，向下山方向移動(dòng)d=H0ctgθ的距離，23208工作面向下山方向移動(dòng)距離為19.3 m。通過該點(diǎn)沿礦體走向做剖面線，即得到走向觀測(cè)線平面位置，如圖1所示。

圖1 走向觀測(cè)線定位示意圖

在預(yù)計(jì)的工作面停采線位置上，如圖2所示。做與水平面的夾角(δ-Δδ)與基巖和松散層交接面相交，再?gòu)慕稽c(diǎn)以φ角劃線與地表相交，得B1點(diǎn)。同理，在開切眼一側(cè)按上述做法在地表求得B2點(diǎn)，B1B2即為走向觀測(cè)線長(zhǎng)度。

圖2 走向觀測(cè)線分布圖

走向觀測(cè)線的長(zhǎng)度B1B2按式(1)計(jì)算。

B1B2=2hctgφ+2(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+D

(1)

式中：h—平均厚松散層厚度；φ—沖積層移動(dòng)角；H0—平均采深；δ，Δδ—走向移動(dòng)角及其修正值；D—工作面可采走向長(zhǎng)度。23208工作面h為15 m，H0為460 m，可得走向長(zhǎng)度為1 260 m。

根據(jù)工作面的具體情況，將式中的數(shù)值帶入，可以求得23208工作面B1B2=1 922 m；工作面布置半條走向觀測(cè)線，則工作面走向觀測(cè)線長(zhǎng)度為961 m。

自采區(qū)的上、下邊界分別以(γ-Δγ)和(β-Δβ)劃線與基巖和松散層交接相交，再?gòu)慕稽c(diǎn)以φ角劃線交于地表A1、A2點(diǎn)，如圖3所示，A1A2即為傾斜觀測(cè)線長(zhǎng)度。

圖3 傾斜觀測(cè)線分布圖

傾斜觀測(cè)線的長(zhǎng)度的按式(2)計(jì)算。

A1A2=2hctgφ+(H1-h)ctg(β-Δβ)+(H2-h)ctg(γ-Δγ)+Lcosα

(2)

式中：h—平均厚松散層厚度；φ—沖積層移動(dòng)角；H1、H2—分別為采區(qū)下邊界和上邊界的開采深度；β、Δβ—下山移動(dòng)角及其修正值；γ、Δγ—上山移動(dòng)角及其修正值；L—工作面的傾斜長(zhǎng)度；α—煤層傾角。

根據(jù)上面的公式，將2個(gè)工作面的參數(shù)分別代入，其中，23208工作面長(zhǎng)度為1 260 m。所以，傾斜觀測(cè)線長(zhǎng)度為：875 m。

地面變形觀測(cè)線上的觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)有一定的密度，可根據(jù)開采深度和設(shè)站目的來定[6-9]。地面變形觀測(cè)線上測(cè)點(diǎn)數(shù)目和密度，主要取決于引起變形的地下開采深度和設(shè)站目的，和礦區(qū)地形地質(zhì)條件、水文條件、開采情況密切相關(guān)。觀測(cè)線上測(cè)點(diǎn)密度應(yīng)滿足表1。

表1 開采深度和點(diǎn)間距對(duì)應(yīng)表

坡度大于20°的山地，開采深度大于300 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)密度可放寬至30～50 m。

鑒于此次工作面開采深度為460 m，所以點(diǎn)間距離選擇25 m。

23208工作面共布設(shè)2條觀測(cè)線，其中傾斜觀測(cè)線1條，一條走向觀測(cè)線。23208工作面的走向觀測(cè)線長(zhǎng)度為961 m，所以走向觀測(cè)線設(shè)計(jì)埋石數(shù)量為39個(gè)；傾斜觀測(cè)線布置了1條，長(zhǎng)度875 m，設(shè)計(jì)埋石數(shù)量為35個(gè)。

2 地表巖移觀測(cè)方法

2.1 觀測(cè)要求

觀測(cè)區(qū)域位于丘陵區(qū)，且起伏較小，故地面變形觀測(cè)線的平面觀測(cè)采用RTK測(cè)量的方法，高程采用全站儀電磁波測(cè)距高程測(cè)量。埋石工作結(jié)束，經(jīng)過10～15 d標(biāo)石沉降穩(wěn)定之后，方能進(jìn)行觀測(cè)。

為了減小誤差，提高觀測(cè)精度，采用固定的觀測(cè)方式和觀測(cè)流程，對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，平面觀測(cè)采用RTK，高程觀測(cè)采用三角高程附合導(dǎo)線測(cè)量，每次都用相同的方式進(jìn)行測(cè)量。RTK測(cè)量時(shí)每次都盡量采用相同的基站點(diǎn)、相同的儀器；三角高程測(cè)量每次都盡量采用相同的起始點(diǎn)和閉合點(diǎn)。并且對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)盡量固定采用相同的儀器和人員。

為了保證所獲得觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性和可比性，以及氣象元素的大體一致，每條觀測(cè)線上各觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)應(yīng)盡可能在一日內(nèi)完成，特別是在移動(dòng)活躍階段。

在地面變形觀測(cè)線的觀測(cè)過程中，不僅要及時(shí)地記錄和描述地表出現(xiàn)的裂縫位置、寬度的變化，變形的形態(tài)和時(shí)間，并及時(shí)上圖，還要記載每次觀測(cè)時(shí)工作面開采的相應(yīng)位置、實(shí)際采出厚度、工作面推進(jìn)速度、地質(zhì)、水文等有關(guān)情況。

在觀測(cè)過程中，應(yīng)每6個(gè)月測(cè)量一次觀測(cè)站控制點(diǎn)的變化，如發(fā)現(xiàn)控制點(diǎn)發(fā)生位移，應(yīng)把控制點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)與其他觀測(cè)點(diǎn)一起進(jìn)行觀測(cè)，而另行布置控制點(diǎn)。

2.2 初始觀測(cè)

在進(jìn)行觀測(cè)站控制點(diǎn)連接測(cè)量后，標(biāo)石沉降穩(wěn)定，地表開始變形之前，應(yīng)對(duì)觀測(cè)線上的全部觀測(cè)點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行2次全面觀測(cè)。

獨(dú)立進(jìn)行的2次全面觀測(cè)，2次測(cè)得的同一點(diǎn)高程差不大于10 mm、同一邊的長(zhǎng)度差不大于4 mm時(shí)，取平均值作為觀測(cè)線上各觀測(cè)點(diǎn)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，按各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)展繪到觀測(cè)站設(shè)計(jì)平面圖上。

最初的全面觀測(cè)獲得的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)是地面平面位移和高程沉降的比較基礎(chǔ)。

2.3 全面觀測(cè)

全面觀測(cè)的內(nèi)容，包括測(cè)定觀測(cè)線上各觀測(cè)點(diǎn)的平面位置和高程。

最初的全面觀測(cè)后，在采動(dòng)影響前進(jìn)行日常巡視觀測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)下沉量達(dá)到10 mm時(shí)，即認(rèn)為地表已經(jīng)開始變形，進(jìn)入地表移動(dòng)初始期。

進(jìn)入地表移動(dòng)初始期后，進(jìn)行日常巡視觀測(cè)，當(dāng)?shù)乇砝塾?jì)下沉達(dá)到50～100 mm時(shí)，進(jìn)行采動(dòng)后的第一次全面觀測(cè)。隨后，當(dāng)日常巡視觀測(cè)發(fā)現(xiàn)每月下沉值大于50 mm時(shí)，進(jìn)入地表移動(dòng)活躍期。

在地表移動(dòng)活躍期按照開采進(jìn)度進(jìn)行不少于4次全面觀測(cè)。在全面觀測(cè)和巡視觀測(cè)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)每月下沉值小于50 mm時(shí)，進(jìn)入地表移動(dòng)的衰退期。

衰退期的巡視觀測(cè)直到6個(gè)月內(nèi)的下沉值不超過30 mm時(shí)為止，此時(shí)地表移動(dòng)穩(wěn)定，進(jìn)行最后一次全面觀測(cè)，獲得地表變形穩(wěn)定后觀測(cè)點(diǎn)的平面和高程最終數(shù)據(jù)。

在地表移動(dòng)的發(fā)生階段，一般可根據(jù)開采深度、回采工作面推進(jìn)速度和頂板巖性等具體條件，每隔1～3個(gè)月進(jìn)行一次全面觀測(cè)。

2.4 日常巡視觀測(cè)

日常巡視觀測(cè)時(shí)，可視情況在預(yù)計(jì)可能沉降劇烈的地區(qū)，只進(jìn)行周期性高程觀測(cè)。

為判定地表是否已開始移動(dòng)，在回采工作面推進(jìn)到一定距離(相當(dāng)于0.2～0.5平均開采深度)后，在預(yù)計(jì)可能首先移動(dòng)的地區(qū)，選擇幾個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，測(cè)量其高程變化，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)下沉量大于10 mm時(shí)，即認(rèn)為地表已經(jīng)開始移動(dòng)。

在地表移動(dòng)初始期、活躍期和衰退期，日常巡視觀測(cè)的復(fù)測(cè)時(shí)間間隔，視地表下沉的速度而定，一般是每隔15～30 d觀測(cè)一次。在地表移動(dòng)活躍期，還應(yīng)在下沉較大的區(qū)段，增加觀測(cè)次數(shù)，5～10 d觀測(cè)一次。

以上的設(shè)計(jì)觀測(cè)過程從采動(dòng)影響前開始，經(jīng)過地表移動(dòng)初始期、地表移動(dòng)活躍期、地表移動(dòng)衰退期，直到地表移動(dòng)穩(wěn)定后是一個(gè)理想的過程，在開采地面變形觀測(cè)的實(shí)際工作中，可能不是從采動(dòng)影響前就開始工作，要謹(jǐn)慎推斷和細(xì)心分析、善于總結(jié)。

3 工作面沉降分析方法

根據(jù)工作面所有觀測(cè)數(shù)據(jù)和已有的地形、地質(zhì)、開采工藝等數(shù)據(jù)，對(duì)工作面的沉降情況做以下分析。

地表移動(dòng)盆地的位置、大小、范圍—根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，對(duì)盆地的位置、大小、范圍等進(jìn)行計(jì)算，得到地表移動(dòng)盆地的大體情況。

最大下沉值的分布位置及大小—根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算主斷面上最大下沉值的點(diǎn)位及工作面的開采沉陷最大下沉值。

地表移動(dòng)盆地在主斷面上的移動(dòng)和變形的分布與特征—通過觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到地表移動(dòng)盆地在主斷面上的下沉、水平移動(dòng)等情況，得到地表移動(dòng)盆地在主斷面上的變形規(guī)律。

工作面開采沉陷移動(dòng)盆地的發(fā)展過程及相應(yīng)的主要參數(shù)—根據(jù)歷次觀測(cè)數(shù)據(jù)和工作面的開采進(jìn)度，總結(jié)地表移動(dòng)各個(gè)階段(初始階段、活躍階段、衰退階段)的持續(xù)時(shí)間以及地表移動(dòng)持續(xù)的總時(shí)間，計(jì)算工作面開采沉陷發(fā)生的起動(dòng)距、超前距、滯后距等。

4 結(jié)語(yǔ)

此次在下峪口煤礦23208工作面進(jìn)行地表巖移觀測(cè)站的設(shè)計(jì)和觀測(cè)，對(duì)觀測(cè)成果進(jìn)行綜合分析，最終得出地表巖移規(guī)律，為今后進(jìn)行“三下”采煤和留設(shè)保護(hù)煤柱及征遷賠償工作提供科學(xué)依據(jù)。以研究結(jié)果作為指導(dǎo)，將“三下”(建筑物下、水體下、鐵路下)壓煤開采出來，將會(huì)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾有一定的幫助，而且對(duì)于挖掘礦井生產(chǎn)潛力、保證礦井的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義，具備廣闊的應(yīng)用前景。