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        大采高巨厚礫巖頂板跳躍式開采地表沉降規(guī)律的研究與應用

        2022-09-15 03:13:06王宜清
        中國設備工程 2022年17期
        關鍵詞:礫巖覆巖巖層

        王宜清

        (棗莊礦業(yè)(集團)濟寧七五煤業(yè)有限公司,山東 微山 277606)

        七五煤業(yè)隸屬于山東能源棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司。礦區(qū)位于濟寧市微山縣歡城鎮(zhèn)、夏鎮(zhèn)和棗莊市滕州張汪鎮(zhèn)的交界處,行政區(qū)劃歸濟寧市微山縣歡城鎮(zhèn)、夏鎮(zhèn)和棗莊市滕州張汪鎮(zhèn)管轄。本井田東至滕州東預測區(qū),西部與岱莊煤業(yè)、付村煤礦、三河口煤礦交界,南至微山勘探區(qū),北與歡城煤礦和田陳煤礦毗鄰。

        七五煤業(yè)原為生產(chǎn)建設兵團設計生產(chǎn)能力10萬t/a的礦井,1975年移交山東省勞改局(現(xiàn)山東省監(jiān)獄管理局)后,改設計生產(chǎn)能力21萬t/a,1979年1月正式投產(chǎn)。1984年改擴建為設計生產(chǎn)能力60萬t/a,1992年達產(chǎn)。1992年10月,能源部將原屬棗莊礦務局建設開發(fā)的滕南許樓區(qū)劃為七五煤業(yè)開發(fā)后,再次改擴建為設計生產(chǎn)能力90萬t/a,2002年礦井建設通過驗收。2013年核定礦井年生產(chǎn)能力100萬t。采用立井開拓,分兩個區(qū)生產(chǎn),即-95m水平和-624m水平。井田內(nèi)地形平坦,大路縱橫,村莊稠密。地勢由東北向西南緩慢降低,地面標高由42.44m降至33.32m,地形坡度約千分之一,屬濱湖沖積平原。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和鉆孔揭露資料分析,本井田內(nèi)地層自下至上有奧陶紀馬家溝群、石炭紀月門溝群本溪組、石炭~二疊紀月門溝群太原組、二疊紀月門溝群山西組、二疊紀石盒子群、侏羅紀淄博群三臺組以及第四系。

        1 礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測設計

        1.1 監(jiān)測網(wǎng)(剖面)布設原則

        布設原則是沿采空區(qū)大體走向和傾向布設數(shù)條剖面監(jiān)測線;實際監(jiān)測中,為了便于各監(jiān)測樁(釘)的保存,主要采用沿已有機耕道、鄉(xiāng)間道路、公路進行線狀布設進行監(jiān)測。監(jiān)測線的布設應同時結(jié)合監(jiān)測區(qū)已存在的實際界線或地形地物特征,如地形地貌、地質(zhì)界線、建筑布局以及道路設施等,監(jiān)測線應以這些界線或地物特征作為監(jiān)測線的組成部分或作為其重要補充。依據(jù)煤礦接續(xù)計劃和已采工作面情況,在達到監(jiān)測線精度要求的同時,遵循合理布設監(jiān)測工作,盡量減少監(jiān)測費用的原則。

        1.2 監(jiān)測點的選擇及布設

        根據(jù)采煤工作面展布方向、工作面長度、開采煤層深度、開采時間以及地面建構(gòu)筑物等因素綜合確定。本次設計在硬化路面采用監(jiān)測釘,在非硬化路面上采用預制監(jiān)測樁。在非硬化路面布設監(jiān)測樁時盡量布設在電線桿、井房以及灌溉井旁,減少因農(nóng)業(yè)活動對監(jiān)測樁的影響。監(jiān)測線兩端各設置一處工作基點,各監(jiān)測測點平均按點距50m布設監(jiān)測工作量。

        監(jiān)測區(qū)位于北七采區(qū)內(nèi),該監(jiān)測區(qū)主要是對2018~2021年計劃開采的701、709、711、713和717工作面以及近期已采工作面進行監(jiān)測,本次設計在該監(jiān)測區(qū)內(nèi)布設監(jiān)測線5條QW04~08,測線總長度共約8.5km,工作基點9個。擬布設監(jiān)測點164個,其中監(jiān)測樁數(shù)量為20個,監(jiān)測樁埋設間距約300m,其余144個監(jiān)測點為監(jiān)測釘或水泥釘,測點間距50m。

        1.3 監(jiān)測方案

        1.3.1 坐標系統(tǒng)與高程基準

        平面系統(tǒng)采用1980西安坐標系,高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。

        1.3.2 監(jiān)測要求

        地表形變監(jiān)測方法:地表移動觀測的基本內(nèi)容是:在采動過程中,定期地、重復地測定觀測線上各測點在不同時期內(nèi)空間位置變化。地表移動測量工作包括:連續(xù)測量、全面測量及日常測量的地表變形的測定和編錄。

        1.4 監(jiān)測工程實施

        本次監(jiān)測點采用預制水泥墩方式進行埋設,并在埋設時進行影像記錄和點位記錄。采空塌陷監(jiān)測點觀測樁結(jié)構(gòu)及埋設圖。

        根據(jù)監(jiān)測區(qū)實際情況,采空塌陷采用電子水準儀+銦鋼尺進行垂直形變監(jiān)測,采用全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量(RTK)技術和導線測量技術對采空塌陷進行水平位移監(jiān)測。觀測監(jiān)測區(qū)整體的采空塌陷情況,可以在較大的空間區(qū)域內(nèi)建立變形體間的關聯(lián)性。

        采用SDCORS網(wǎng)絡RTK技術采集測區(qū)周邊已有4個控制點。GPS衛(wèi)星接收天線采用三腳架固定,每個控制點觀測兩次,每次觀測15min,2次觀測成果較差合格后取中數(shù)使用,然后采用TGO軟件中點校正功能,求取測區(qū)七參數(shù),校正后點位殘差最大1.1cm,符合規(guī)范要求。利用SDCORS技術,輸入求取的七參數(shù),采集測區(qū)內(nèi)控制點3個,經(jīng)檢核精度符合規(guī)范要求,可以使用。

        采用SDCORS網(wǎng)絡RTK技術,進行數(shù)據(jù)采集,每個觀測點獨立觀測2次,每次觀測數(shù)據(jù)均在30個歷元以上,兩次觀測坐標互差不大于2cm,觀測成果取其2次觀測結(jié)果的平均數(shù)?;鶞庶c和工作基點共布設29個。本項目沉降觀測起算點為PD23,水準等級為三等,其與基準點及工作基點形成閉合水準路線,并在沉降觀測點觀測時檢查基準點及工作基點的穩(wěn)定情況,確保沉降觀測的基準點及工作基點的穩(wěn)定和有效?;鶞庶c及工作基點設置完成,達到穩(wěn)定后與起算水準點進行水準聯(lián)測。

        2 建(構(gòu))筑物變形監(jiān)測

        2.1 監(jiān)測內(nèi)容與方法

        根據(jù)地面變形和地裂縫的發(fā)育和分布,對可能受其影響的建(構(gòu))筑物的變形情況進行巡視。對村莊建筑物墻壁開裂監(jiān)測采用人工巡查、米尺丈量的方法進行。監(jiān)測頻率為1次/月,雨季及發(fā)現(xiàn)變形異常時須加密觀測。

        2.2 監(jiān)測點的選擇與布設

        根據(jù)監(jiān)測設計監(jiān)測點布設情況,在全區(qū)布設地表變形影響監(jiān)測點7處,監(jiān)測點主要分布在井田內(nèi)各村莊、道路等處,監(jiān)測點已建設完成,與設計數(shù)量一致。

        3 工作面地表變形概率積分法預計

        3.1 工作面地表變形概率積分法預計

        通過使用地表概率積分預計軟件MSDFVS對701工作面條帶開采的下沉值、水平變形值、水平移動值、傾斜值、曲率變形值進行了全盆地預計,得到了條帶開采地表移動與變形值分布等值線圖。

        3.2 工作面實測數(shù)據(jù)與預計數(shù)據(jù)對比

        701工作面的實測地表變形數(shù)據(jù)與預計數(shù)據(jù)如表1所示,并計算了二者相對誤差。

        表1 七五煤礦701工作面預計巖移參數(shù)表

        從表2對比分析可知,相對誤差均符合要求,下沉等值線圖符合實際情況。

        表2 預計下沉值與實測下沉值對比

        4 結(jié)語

        許樓新區(qū)315工作面巖移參數(shù)與701工作面巖移參數(shù)如表3所示。

        表3 701、315工作面巖移參數(shù)對比分析表

        (1)通過對比分析,許樓新區(qū)315工作面和701工作面下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)值相差很小。這是由于七五煤業(yè)許樓新區(qū)315工作面和701工作面所處同一采區(qū),所以具有相似的地表下沉規(guī)律。

        (2)地表沉陷是煤層開采后覆巖移動傳播到地表的綜合表現(xiàn)形式,大體上可分為兩類:一類是連續(xù)形變;另一類是非連續(xù)形變。地表形變量的大小和方向與礦層開采條件、覆巖性質(zhì)和開采間隔時間密切相關,根據(jù)覆巖巖性結(jié)構(gòu)組合和力學特征與礦層之間的時空關系,可以把上覆巖層分為4類:堅硬-堅硬型覆巖均為堅硬巖層,強度高,巖性致密且整體性好,礦層開采后覆巖不易垮落;軟弱-軟弱型,即整個上覆巖層皆為軟弱巖層,礦層開采后覆巖移動在較短的時間內(nèi)就能傳播到地表;軟弱-堅硬型(下部巖層為軟弱巖層上部巖層為堅硬巖層);堅硬-軟弱型(下硬上軟)。

        研究表明微山湖礦區(qū)位于大范圍巨厚堅硬礫巖層上方,礫巖厚度從100~300m不等,七五煤礦是微山湖礦區(qū)的重要組成部分,其3煤上方為均厚220m堅硬巨厚礫巖層,煤層開采過后出現(xiàn)一定程度采空區(qū),由于工作面深度較大(700m)因而壓力巨大,煤層開采后的采空區(qū)給巖層壓力釋放提供了空間,因此出現(xiàn)地表沉陷,然而堅硬且大面積連成片狀的巨厚礫巖層承載住了絕大部分壓力,同時由于礫巖層壓力得到釋放,會一定程度向采空區(qū)膨脹,膨脹到一定程度后會穩(wěn)定下來,由于礫巖層的膨脹會導致其密度和承載來自地表壓力的能力變小,因此地表出現(xiàn)一定程度的下沉,但其遠小于其他煤礦采區(qū)下沉量。

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