侯樹宏，柳昭琰，李家龍，張仲杰，劉江斌，何維勝

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750004；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.鄂托克前旗長城五號礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

由于我國煤炭賦存現(xiàn)狀呈現(xiàn)“西部多、中部富、東部區(qū)域枯竭”的現(xiàn)象，今后很長一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在國內(nèi)的供應(yīng)主要依靠西部地區(qū)。我國西部地區(qū)煤炭資源儲量豐富，地質(zhì)條件簡單且開采條件優(yōu)越，適合高強(qiáng)度開采。但同時(shí)西部地區(qū)多為荒漠化地帶，生態(tài)脆弱，高強(qiáng)度的開采勢必會造成比較劇烈的地表移動和變形。因此，獲得礦區(qū)的地表與巖層移動規(guī)律，對煤礦開采過程中的保安煤柱留設(shè)、地表移動變形預(yù)計(jì)和安全綠色開采工作具有重要意義。

國內(nèi)外針對開采誘發(fā)的地表沉陷問題進(jìn)行過大量的研究，其中，我國中東部礦區(qū)開展研究較早，研究較為充分，特別是綜放開采條件下地表沉陷呈現(xiàn)的主要變形集中、下沉過程劇烈等特征研究較為充分[1-4]。 同時(shí)，對深部開采和有特殊地質(zhì)構(gòu)造情況下的地表沉陷規(guī)律也進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬研究[5-7]。

隨著煤炭開發(fā)重心的西移，西部礦區(qū)也開展了大量的地表移動變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理工作，焦付斌[8]通過對高河煤礦E1302工作面的分析與研究，揭示了厚煤層綜放開采條件下地表移動變形的規(guī)律和特點(diǎn)，研究表明，煤層綜放開采導(dǎo)致覆巖破壞加劇，地層產(chǎn)生快速連續(xù)沉陷，地表下沉盆地陡峭，且?guī)r層與地表的移動變形過程顯著加快，動態(tài)變形劇烈且集中；郭文兵等[9]在哈拉溝礦22407工作面上方布置地表移動觀測站，發(fā)現(xiàn)在淺埋厚煤層高強(qiáng)度開采條件下，地表下沉比較劇烈，移動變形比較集中，能夠快速形成下沉盆地，地表移動在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；孔素麗[10]以內(nèi)蒙古某礦區(qū)為研究對象，發(fā)現(xiàn)在綜采開采條件下，快速開采使得地表移動劇烈且地表移動時(shí)間縮短；孫來華[11]等分析了沙土層厚煤層綜放開采地表移動變形規(guī)律，得到地表變形較平緩的結(jié)論。上述工作的開展對指導(dǎo)區(qū)域煤層開采及地面建(構(gòu))筑物保護(hù)提供了可靠的技術(shù)支持。寧東礦區(qū)是我國重要的煤炭基地，其上覆巖層結(jié)構(gòu)以弱膠結(jié)軟巖為主，地表以半荒漠風(fēng)沙區(qū)覆蓋為典型特征，其開采沉陷具有一定的特殊性。本文以羊場灣煤礦地表移動觀測站實(shí)測資料進(jìn)行分析研究，揭示了該地質(zhì)采礦條件下地表移動與變形規(guī)律的特點(diǎn)。

1 地表移動觀測

1.1 監(jiān)測區(qū)域概況

130201工作面位于羊場灣一分區(qū)井田東部(十三采區(qū))上方，該工作面地表為沙丘覆蓋，地形低緩平坦，起伏不大，無建筑物位于工作面范圍內(nèi)，是羊場灣煤礦十三采區(qū)北翼的首采工作面。130201工作面地面海拔標(biāo)高+1 388.6～+1 409.1 m，平均標(biāo)高 1 399 m 左右；平均開采厚度為 5.6 m，煤層傾角為 2°～13°，平均傾角 7.5°，工作面傾向?qū)挾葹?305 m，走向長度為 1 180 m。觀測站處工作面上邊界標(biāo)高約為 915.4 m，下邊界標(biāo)高為 858.9 m ,平均標(biāo)高為 887.1 m。觀測站處工作面上邊界采深約為 484 m，下邊界采深為 540 m ,平均采深為 512 m。采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

1.2 地表觀測站概況

130201工作面設(shè)計(jì)形狀規(guī)整，受外界影響因素較小，地形較為平坦，觀測站設(shè)計(jì)較為容易。在130201工作面上合理地布置兩條觀測線，即一條傾向觀測線和一條走向觀測線，位置均在停采線的一側(cè)。經(jīng)計(jì)算可得，傾向觀測線布置在距離停采線400 m處，觀測線長度1 260 m。觀測線兩端各設(shè)2個控制點(diǎn)，傾向觀測線有4個控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)與控制點(diǎn)間距以及控制點(diǎn)與工作點(diǎn)間距為80 m。走向觀測線沿著平行于130201工作面走向方向布設(shè),且偏向下山方向,長度895 m。在靠近盆地邊界的走向觀測線一端設(shè)3個控制點(diǎn)，控制點(diǎn)與控制點(diǎn)間距、控制點(diǎn)與工作點(diǎn)間距均為80 m。根據(jù)平均開采深度512 m選擇工作點(diǎn)間距30 m，傾向方向共布設(shè)工作測點(diǎn) 43個，測點(diǎn)編號自下山往上山方向遞增；走向方向布設(shè)31個工作測點(diǎn)。觀測線布置如圖1所示。

圖1 130201工作面觀測線布置

1.3 地表移動變形觀測成果

地表巖移觀測站于2012年12月2日開始觀測，至2014年6月30日觀測結(jié)束，歷時(shí)19個月，共進(jìn)行了3次全面觀測和19次日常觀測。水準(zhǔn)測量采用蘇州一光生產(chǎn)的DSZ1電子水準(zhǔn)儀，每公里往返測量標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.7 mm，導(dǎo)線測量采用徠卡TZ05全站儀，測角精度達(dá)2″。初次全面觀測利用RTK校正控制點(diǎn)后，測量各觀測點(diǎn)的平面位置并利用電子水準(zhǔn)儀按四等附合和閉合水準(zhǔn)線路獨(dú)立觀測兩次高程，平差后取二者的平均值為初始觀測值。

末期全面觀測高程測量采用三等閉合水準(zhǔn)線路，并對礦區(qū)近井點(diǎn)和觀測站控制點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)系測量。水準(zhǔn)測量在采動過程中按四等水準(zhǔn)測量的精度，采用附合水準(zhǔn)線路進(jìn)行。獲得的地表走向線和傾向線下沉情況如圖2～圖3所示。

圖2 走向線下沉曲線

圖3 傾向線下沉曲線

由圖2和圖3可知，隨著開采程度的增加，地表下沉呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，到2014年6月30日，130201工作面傾向最大下沉達(dá)到3 033.57 mm，走向方向最大下沉值達(dá)到2 722.25 mm，不存在明顯的突變現(xiàn)象，符合開采沉陷的一般規(guī)律。

2 移動變形規(guī)律分析

2.1 地表移動變形形態(tài)

根據(jù)觀測站的實(shí)測資料，以最后一期下沉數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求取各測點(diǎn)的移動變形情況，如圖4和圖5所示。觀測站測點(diǎn)的最大移動變形值如表1所示。

圖4 走向移動變形曲線圖

圖5 傾向移動變形曲線圖

表1 地表最大變形值

從走向和傾向方向的移動變形曲線來看：最大下沉出現(xiàn)在工作面中部，最大傾斜出現(xiàn)在工作面邊界上方，最大曲率出現(xiàn)在工作面邊界上方左右一定范圍之內(nèi)，最大水平移動出現(xiàn)在工作面邊界處，最大水平變形出現(xiàn)在工作面邊界上方左右一定范圍之內(nèi)。這些規(guī)律與一般常規(guī)的巖層和地表移動變形規(guī)律相似，說明本次觀測站的設(shè)計(jì)與觀測工作效果非常好，觀測工作取得很好的成果。

從走向方向水平移動曲線可以看出：停采線處的水平移動值最大，工作面開采中間區(qū)域的水平移動值不為0，且大于開采邊界上方的水平移動值，并且移動方向相反，存在較大的水平變形殘余。

從傾向方向水平移動曲線可以看出：工作面上、下邊界處以內(nèi)的水平移動值最大，并且向上山方向的最大移動值要大于向下山方向的最大移動值，這是符合一般規(guī)律的。但向上山方向的最大移動值要遠(yuǎn)大于向下山方向的最大移動值，這個特點(diǎn)類似于急傾斜煤層開采條件下的規(guī)律。

2.2 地表移動角值參數(shù)

根據(jù)地表移動變形實(shí)測曲線，采用圖解法求取相關(guān)角值參數(shù)，如表2所示。其中，由于觀測站處的地表松散層厚度約為12 m，且為沙土層，松散層移動角在實(shí)際中難以觀測。鑒于其厚度只有12 m，對各個參數(shù)的計(jì)算和分析影響不大，本次計(jì)算采用的松散層移動角為45°。

表2 走向、上山及下山方向的邊界角、移動角、充分采動角、最大下沉角

2.3 地表移動持續(xù)時(shí)間

根據(jù)實(shí)測資料，繪制了地表動態(tài)下沉、下沉速度變化曲線圖，如圖6所示。由圖可知，地表測點(diǎn)的下沉過程是連續(xù)漸變的，地表下沉速度快，下沉量主要發(fā)生在移動活躍期內(nèi)，地表最大下沉速度值為82.28 mm/d。工作面地表動態(tài)變形劇烈且集中在2013年5月28日～2013年7月8日，下沉量占總下沉量的75%，說明在開采過程中出現(xiàn)了集中下沉現(xiàn)象。

圖6 下沉速度曲線

根據(jù)下沉速度曲線，取測點(diǎn)開始下沉值為10 mm時(shí)的位置至當(dāng)時(shí)工作面回采位置的連線，該連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角，即超前影響角為ω=43.2°。

經(jīng)綜合分析確定，130201工作面開采后，地表移動延續(xù)時(shí)間為548 d，以下沉速度1.7 mm/d為界， 2012年12月2日～2013年5月2日為開始階段，總計(jì)142 d，2013年5月2日～2013年8月11日為活躍階段，總計(jì)110 d，2013年8月11日～2014年6月30日為衰退階段，總計(jì)296 d，活躍階段占地表移動延續(xù)時(shí)間的20%，下沉量占總下沉量的91.6%，在開采過程中出現(xiàn)集中下沉現(xiàn)象，地表下沉速度較大，動態(tài)變形劇烈且集中。

3 概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)反演

根據(jù)實(shí)測資料，利用開采沉陷預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)[12]，采用模矢法求取該礦區(qū)的地表移動參數(shù)，如表3所示，同時(shí)繪制了130201工作面的下沉及水平移動的實(shí)測曲線和預(yù)計(jì)曲線，如圖7～圖8所示。

表3 基于模矢法求取的概率積分預(yù)計(jì)參數(shù)

圖7 下沉求參擬合效果

圖8 水平移動擬合效果

其中，下沉實(shí)測值與擬合值差值的平方和[VV]=2.13e+06，中誤差為46.3 mm，為最大下沉值的1.5%，說明求參擬合效果較好，求參結(jié)果可靠。

從求參結(jié)果可以看出，主要影響傳播角正切值較大，下沉盆地陡峭，變形分布集中。除左拐點(diǎn)偏移距較大外，其余三個方向的拐點(diǎn)偏移距約為0.1H。

4 結(jié) 論

針對寧東礦區(qū)地表半荒漠風(fēng)沙覆蓋，上覆弱膠結(jié)軟巖結(jié)構(gòu)條件下地表開采沉陷規(guī)律不明的情況，采用實(shí)測方法進(jìn)行研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)地表變形分布集中，沉降盆地陡峭。測區(qū)正上方地表沉降值大，測區(qū)邊界附近的曲線較為陡峭，上山方向的水平移動遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下山方向的水平移動。

(2)區(qū)域地表走向邊界角58.1°，下山邊界角45.0°，上山邊界角47.7°；上山移動角73.6°，下山移動角75.9°；最大下沉角82.2°。

(3)地表移動變形速度快，動態(tài)變形劇烈且集中，地表移動持續(xù)時(shí)間較短，沉降主要發(fā)生在活躍期，活躍期占總移動時(shí)間的20%，地表下沉量占總下沉量的91.6%。

(4)求取的概率積分法參數(shù)為下沉系數(shù)0.58，主要影響角正切2.65，水平移動系數(shù)0.28，開采影響傳播角87.0°，除左拐點(diǎn)偏移距較大外，其余三個方向的拐點(diǎn)偏移距約為0.1H。