高剛剛

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 金辛達(dá)煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

煤炭的開采會造成其圍巖及地表的移動和變形，解決礦區(qū)開采沉陷問題，是煤礦綠色開采的必要環(huán)節(jié)。各礦區(qū)的圍巖及地表移動規(guī)律具有其地區(qū)特征，生產(chǎn)礦井要解決好建筑物下、鐵路下、水體下安全、合理地開采煤炭和留設(shè)保護(hù)煤柱的問題，必須開展地表和巖層移動的觀測工作，掌握地表和巖層移動的基本規(guī)律。目前，建立地表移動與變形觀測站進(jìn)行現(xiàn)場觀測，是進(jìn)行此項(xiàng)工作最為有效的方法。為有效地保護(hù)地表建筑物免受破壞，獲取礦區(qū)地表的移動變形規(guī)律，合理地留設(shè)礦區(qū)建筑物保護(hù)煤柱，在金辛達(dá)煤業(yè)201 工作面上方地表設(shè)計(jì)建立剖面線形式的開采沉陷觀測站，通過監(jiān)測其變形破壞，研究金辛達(dá)煤業(yè)采煤引起的地表移動變形和破壞規(guī)律，分析開采對地面建筑物的影響破壞情況，保證煤礦生態(tài)環(huán)境和周邊建筑的安全，實(shí)現(xiàn)煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

1 概 況

1.1 井田概況

金辛達(dá)煤業(yè)位于呂梁山南段東側(cè)，山高溝深，地形復(fù)雜，森林、植被發(fā)育，最高點(diǎn)在井田北西部的山梁，標(biāo)高1 420.5 m，最低點(diǎn)位于西部西溝村河床，標(biāo)高1 182.0 m，相對高差238.50 m，屬中山區(qū)。井田交通便利，地處山西省西部，主采煤層為2 號煤和11 號煤。目前主要采掘區(qū)域?yàn)?01 工作面，回采煤層為2 號煤層。采掘區(qū)域上方存在山谷地形，井田內(nèi)工作面的采動會破壞覆巖的自然特征，存在溝通頂板局部富水區(qū)域和地表水體的危險(xiǎn)，隨著時間的推移在回采工作面形成采空區(qū)后也會造成一定的地表巖移，致使地表不均勻沉降而發(fā)生變形，對地面的設(shè)施和建筑物構(gòu)成巨大的威脅。

1.2 201 工作面基本情況

201 回采工作面位于井田北部，地面相對位置是山脈和溝壑，工作面回采1 886 m 處地面為狼凹村，如圖1 所示。地面標(biāo)高為+1 279—+1 402 m，工作面對應(yīng)地面整體地勢中間高兩邊低。

圖1 201 工作面采掘工程平面示意圖Fig.1 The plane of mining and excavation engineering in No.201 face

根據(jù)201 輔運(yùn)、膠帶順槽、切眼掘進(jìn)期間實(shí)際揭露情況可知，201 工作面煤層總厚0.9～1.2 m，平均厚度1.1 m；煤層傾角0～3°且起伏相對較緩。2 號煤頂板巖性如圖2 所示，煤層頂板的巖性及膠結(jié)情況直接影響到其對應(yīng)地表的移動和沉降。

圖2 201 工作面煤層頂板情況示意Fig.2 No.201 face coal seam roof situation

1.3 工作面地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)狀

201 工作面實(shí)際揭露的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)狀如下。

1.3.1 工作面褶曲地質(zhì)構(gòu)造情況

回采到1 952 m 處遇S1 背斜軸，位于井田西北部，JX101 號孔北東部40 m 處，軸向N55°W～N45°W，兩翼基本對稱，地層傾角7°～11°，井田內(nèi)延伸長度約2.0 km，軸部出露地層為P2s1，影響程度281 m。

1.3.2 工作面斷層地質(zhì)構(gòu)造情況

工作面回采期間揭露201 膠帶順槽9 條斷層，分別為F2-48、F2-47、F2-45、F2-44、、F2-43、F2-42、F2-38、F2-39、F2-28；揭露201 輔運(yùn)順槽12 條斷層，分別為F2-11、F2-54、F2-53、F2-52、F2-49、F2-44、F2-42、F2-41、F2-40、F2-38、F2-37、F2-36；揭露201 切眼3 條斷層，分別為F2-55、F2-56、F2-57，未發(fā)現(xiàn)新增斷層和其它隱伏地質(zhì)構(gòu)造。

1.3.3 工作面陷落柱地質(zhì)構(gòu)造情況

201 輔運(yùn)順槽掘進(jìn)期間揭露1 個陷落柱，其內(nèi)巖石雜亂無序，一般膠結(jié)較致密，巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及煤屑或煤塊等。實(shí)際揭露該陷落柱均干燥無水，且不導(dǎo)水。工作面回采到797.5 m處201 輔運(yùn)順槽揭露該陷落柱X2-02，長軸23 m，短軸15 m，經(jīng)鉆探驗(yàn)證向工作面內(nèi)延伸4 m。

背斜構(gòu)造類似拱橋的形狀，能承受較大的負(fù)荷，背斜構(gòu)造的存在可使地表發(fā)生的移動和沉降幅度減??；斷層和陷落柱破壞了巖層的延續(xù)性，降低了巖石的強(qiáng)度，在地表移動和沉降的過程中容易引起應(yīng)力集中反應(yīng)，致使地表沉陷的幅度變大。

2 回采對地表的影響分析

201 工作面開采標(biāo)高1 043—1 149 m，煤層埋深160～310 m。結(jié)合《礦井水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》 中2 號煤層煤層垮落帶（Hm）、導(dǎo)水裂隙帶（Hli） 最大高度計(jì)算公式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，2 號煤開采后垮落帶高度為3.27～7.67 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為18.37～29.57 m，增加地表基巖風(fēng)化帶50 m，預(yù)計(jì)開采2 號煤層影響最大高度87.27 m，預(yù)計(jì)開采時對地表無明顯影響。但由于其它地質(zhì)因素分析，201 工作面開采后可能會造成地表一定的移動和下沉變形，主要表現(xiàn)為引起地表出現(xiàn)裂縫及下沉，應(yīng)加強(qiáng)地面日常觀測和維護(hù)持續(xù)跟進(jìn)。

3 201 工作面地表巖移規(guī)律觀測

地表及巖層的移動規(guī)律在礦井設(shè)計(jì)、礦產(chǎn)資源合理開采及環(huán)境綜合治理方面起著十分重要的作用，因此，為了獲得2 號煤層地質(zhì)采礦條件下開采時地表與巖層移動變形規(guī)律，為今后指導(dǎo)生產(chǎn)和采煤沉陷治理工作提供依據(jù)，設(shè)置地表移動觀測站并對201 工作面開展地表巖移觀測研究。

3.1 觀測站的設(shè)置

根據(jù)礦井地面和井下的實(shí)際情況，將觀測站設(shè)置成規(guī)則觀測線。根據(jù)巖移規(guī)律，水平煤層開采地表形成的下沉盆地具有對稱的特點(diǎn)，當(dāng)工作面走向長度大于0.9 倍平均開采深度可只設(shè)半條走向觀測線，201 工作面平均煤厚1.1 m，回采率為95%，走向長度270 m，大于0.9 倍開采深度216 m，因此只布設(shè)半條走向觀測線。

觀測線邊界點(diǎn)A 和B 確定。如圖3 所示，從采空區(qū)上山或下山邊界作與水平線成52°的直線，至沖積層下邊界，再以45°畫直線，至地表相交得A 點(diǎn)和B 點(diǎn)；由采空區(qū)上山或下山邊界起，向上（地表方向） 作垂直線交于地表C 點(diǎn)和D 點(diǎn)。AC 邊即L1=189.7 m，BD 邊即L3=189.7 m。L1、L3 即為所求觀測線離開開采邊界的距離（邊界點(diǎn)的位置）。

圖3 觀測線長度計(jì)算示意Fig.3 The diagram of observation line length calculation

依據(jù)上述方法，結(jié)合201 工作面設(shè)計(jì)長度，確定201 工作面布置測線長度為649.4 m。

如圖4、圖5 所示，此次共布設(shè)觀測線2 條（走向方向、傾向方向），共布設(shè)觀測點(diǎn)68 個，其中走向線、傾向線各布置34 個。兩觀測線大致互相垂直，測點(diǎn)從移動盆地中央開始向兩邊的移動邊界布置，根據(jù)地表形態(tài)不同，點(diǎn)間距20～50 m。

圖4 201 工作面地表與巖層移動觀測站設(shè)計(jì)平面示意Fig.4 The plane of surface and rock movement observation station design in No.201 face

圖5 201 工作面觀測線剖面示意Fig.5 The observation line profile of No.201 face

3.2 觀測方法及內(nèi)容

觀測站建立完畢后進(jìn)行觀測，觀測方式為測點(diǎn)高程。在觀測站地區(qū)被采動之前，為確定觀測站與開采工作面之間的相互位置關(guān)系，在觀測站的某一個控制點(diǎn)與礦區(qū)控制網(wǎng)之間進(jìn)行測量，確定這個控制點(diǎn)的平面位置和高程，再根據(jù)它來測定其余的控制點(diǎn)和工作測點(diǎn)的平面位置。

3.2.1 觀測所用儀器及類型

地表移動觀測站建立后，分別進(jìn)行與觀測礦區(qū)控制網(wǎng)連測、全面觀測等測量工作，使用的儀器及測量內(nèi)容見表1。

表1 地表變形觀測站所使用的儀器及測量內(nèi)容Table 1 Instruments and measurement contents used in surface deformation observation station

3.2.2 觀測工作

首先，根據(jù)礦區(qū)地面控制網(wǎng)，按近井點(diǎn)的要求測量控制點(diǎn)、水準(zhǔn)基點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，然后進(jìn)行全面觀測。

全面觀測是觀測站觀測工作的核心，在工作面回采前、回采過程中及回采工作結(jié)束后地表移動已穩(wěn)定等各種不同階段，均需進(jìn)行全面觀測。

（1） 初始全面觀測。

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定，初始全面觀測應(yīng)在測點(diǎn)受采動影響之前進(jìn)行，一般在測點(diǎn)埋設(shè)好以后半個月左右，初始全面觀測應(yīng)進(jìn)行兩次，兩次觀測的時間間隔不應(yīng)超過7 d，每次觀測應(yīng)按下列要求進(jìn)行。

①各控制點(diǎn)和工作測點(diǎn)的高程測量組成網(wǎng)狀，按三等水準(zhǔn)測量的要求進(jìn)行，考慮到山區(qū)地形復(fù)雜，可采用三角高程測量，往返觀測取均值，單向觀測時加入大氣折光改正。最終平差后求得各點(diǎn)的高程。

②在測站點(diǎn)上安置全站儀，按一級導(dǎo)線要求對鄰近工作測點(diǎn)進(jìn)行觀測，每個工作測點(diǎn)在2 個不同的測站位置進(jìn)行觀測，取其平均值作為觀測結(jié)果。

兩次測量同一個點(diǎn)的高程相差不大于10 mm，取其平均值作為原始數(shù)據(jù)；由兩次測量的坐標(biāo)所計(jì)算的測邊邊長相差不大于4 mm，計(jì)算兩次坐標(biāo)的平均值作為原始數(shù)據(jù)。

（2） 回采過程中的全面觀測。

回采過程中進(jìn)行數(shù)次全面觀測，控制在1～2個月一次，每次觀測要求如下。

①各測點(diǎn)的高程測量采用單程閉合路線或往返測支水準(zhǔn)路線，按四等水準(zhǔn)測量的要求進(jìn)行，所有測點(diǎn)的高程測量在1 d 內(nèi)完成。

②因測站點(diǎn)位于地表與巖層移動和變形區(qū)內(nèi)，在進(jìn)行工作測點(diǎn)坐標(biāo)測量前按四等控制測量要求進(jìn)行測站點(diǎn)與控制點(diǎn)間的聯(lián)測，確定測站點(diǎn)的坐標(biāo)，作為計(jì)算其它工作測點(diǎn)坐標(biāo)的起算數(shù)據(jù)。然后在測站點(diǎn)或控制點(diǎn)上安置全站儀，對鄰近的工作測點(diǎn)進(jìn)行觀測，每個工作測點(diǎn)僅需在一個測站位置上進(jìn)行一次觀測。測站點(diǎn)與控制點(diǎn)的聯(lián)測和工作測點(diǎn)的觀測在1 d 內(nèi)完成。

（3） 回采工作結(jié)束，地表移動穩(wěn)定后的全面觀測。

工作面回采結(jié)束、地表移動穩(wěn)定后均應(yīng)進(jìn)行1次全面觀測，要求如下。

①各工作測點(diǎn)的高程測量應(yīng)組成網(wǎng)狀，按三等水準(zhǔn)測量的要求進(jìn)行，經(jīng)平差后求得各點(diǎn)的高程，作為觀測站最后一次觀測結(jié)果。

②在測站點(diǎn)上安置全站儀，按一級導(dǎo)線要求對鄰近工作測點(diǎn)進(jìn)行觀測，每個工作測點(diǎn)要求在2 個不同的測站位置進(jìn)行觀測，取計(jì)算結(jié)果的平均值作為觀測站最后一次觀測結(jié)果。

全面觀測時間：①埋點(diǎn)10～15 d 后進(jìn)行2 次；②當(dāng)?shù)乇硐鲁吝_(dá)到50～100 mm 時應(yīng)開始進(jìn)行采動后的第一次全面觀測（只觀測高程）；③工作面推過其二分之一距離后，應(yīng)進(jìn)行一次全面觀測；④工作面開采結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行一次全面觀測；⑤移動盆地范圍內(nèi)工作測點(diǎn)因采動引起的移動停止后（工作測點(diǎn)在6 個月內(nèi)下沉量不大于30 mm 時），進(jìn)行最后一次全面觀測。

依照以上觀測方法每月進(jìn)行一次下沉量變化的觀測，累計(jì)觀測了19 次，采動前觀測1 次，采動期間觀測8 次，采動后觀測10 次，見表2。

表2 地表觀測站觀測內(nèi)容一覽Table 2 The list of observation contents of surface observation stations

3.3 觀測成果分析

201 工作面巖移觀測最大下沉量見表3。201工作面開始推進(jìn)1 050 m 時地表沿走向、傾向出現(xiàn)移動，工作面開始回采到地表開始下沉的時間為5個月。當(dāng)工作面推進(jìn)至1 450 m 處位于走向觀測點(diǎn)25 號點(diǎn)最大下沉量為431 mm、傾向觀測點(diǎn)15 號點(diǎn)下沉量為432 mm，分析地表開始下沉至地表下沉穩(wěn)定周期為2～3 月。工作面回采期間，連續(xù)穩(wěn)定觀測12 次，地表處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 201 工作面巖移觀測最大下沉量Table 3 The maximum sinking amount of rock movement observation in No.201 face

續(xù)表

經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)分析來看，201 工作面開采未對地表造成大的影響，地表總體保持良好的外貌特征，不影響后續(xù)的使用。地表雖出現(xiàn)個別裂隙，但通過礦井進(jìn)行填整治理后再未出現(xiàn)裂隙增大、加寬、加深情況。分析201 工作面開采對地表無明顯影響，未出現(xiàn)因地表塌陷產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)。

4 結(jié) 語

本文以金辛達(dá)煤礦為研究對象，通過在201 工作面建立觀測站，進(jìn)行了完整的觀測，得到了相對較好的成果資料，獲取了當(dāng)前地質(zhì)采礦條件下的地表移動變形規(guī)律，為開采引起的土地和水資源破壞及礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)等工作提供了科學(xué)依據(jù)，對指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)有重要的實(shí)際意義。