李鵬

（六盤水市應(yīng)急管理局，貴州 六盤水 553000）

煤礦開采過程中伴隨著巖層移動和變形，造成了地表一定程度的沉陷。掌握地表移動的規(guī)律對于防治地表沉陷具有重要的意義。為了保護地表上的建筑物、水體和鐵路等設(shè)施的安全，必須要合理地設(shè)計保護煤柱，這就需要用到地表移動的一些參數(shù)。為了研究和掌握山西古縣西山鴻興煤業(yè)有限公司29106 回采工作面開采引起的地表移動變形基本規(guī)律，獲取該礦區(qū)內(nèi)鐵路、公路、水體以及工業(yè)民用建筑物保護煤柱留設(shè)參數(shù)，指導各種受護對象的保護煤柱設(shè)計，于2018 年12 月至2021 年6 月，在29106 工作面上方地表設(shè)計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，研究鴻興煤礦采煤引起的地表沉降數(shù)值。

1 概 況

山西古縣西山鴻興煤業(yè)有限公司井田位于古縣北平鎮(zhèn)上、下寶豐村一帶，井田呈一不規(guī)則多邊形，南北寬3.58 km，東西長3.915 km，面積為6.543 4 km2。井田南距古縣縣城約65 km，西南距洪洞發(fā)煤站約97 km，內(nèi)有土石路與縣級公路相通，至北平鎮(zhèn)可與323 省道相接，交通運輸條件便利。

鴻興煤業(yè)29106 回采工作面地面位于該礦區(qū)西南部，工作面總體為一單斜構(gòu)造，煤層傾角為2°～6°。回風順槽、運輸順槽各存在2 處褶曲，褶曲傾角均小于5°，對工作面回采影響不大。斷層較少，除F40、F42 斷層，其余規(guī)模一般不大。發(fā)育有陷落柱。根據(jù)回采工作面坑透、物探成果資料顯示，該工作面同層存在3 處物探高阻異常區(qū)、4處物探低阻異常區(qū)，經(jīng)鉆探驗證均為正常煤層，暫未發(fā)現(xiàn)隱伏陷落柱情況。臨近軌道巷、運輸、回風順槽等頂板為K2 灰?guī)r，堅硬，存在裂隙較少，推測該面頂板節(jié)理不發(fā)育（間距在1 m 以上），按面裂隙率分類屬弱裂隙性，但頂板易破碎。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。井田構(gòu)造屬于簡單類型。

29106 工作面采用走向壁綜采放頂煤方法，全部垮落法管理頂板。在煤層開采過程中，相鄰工作面的采動情況對其影響較大，不可忽略，其往往導致下沉值偏大，或者盆地中心偏移等，也可能使給采動帶來一些突發(fā)事件和造成采動移動過程參數(shù)變化等。29106 工作面東北為礦井9 號煤集中軌道巷；東南為實體煤區(qū)域，未進行過開采；其它區(qū)域為礦井保安煤柱。工作面四鄰無采空區(qū)、小窯破壞區(qū)、煤層露頭等。9 號煤上覆3 號煤層為小窯采空區(qū)，層間距平均76.6 m，如圖1 所示。

圖1 29106 工作面位置示意Fig.1 The location of No.29106 Face

2 地表觀測站的布置

2.1 觀測站設(shè)置

地表移動觀測站設(shè)計所用的開采沉陷參數(shù)有走向移動角δ、傾向下山移動角β、傾向上山移動角γ，移動角修正值△δ、△β、△γ 及最大下沉角θ 等。

地表移動觀測站設(shè)計時所用到的開采沉陷參數(shù)，結(jié)合晉城礦區(qū)各礦地表開采沉陷實際觀測資料確定，尤其是29106 開采時地表的觀測資料。

地表移動觀測站設(shè)計的開采沉陷參數(shù)取值如下：①基巖移動角（走向δ，傾向上山γ，傾向下山β），其中δ=72°，γ=72°，β=68°；②表土層移動角φ=45°；③移動角修正值（走向△δ，傾向上 山△γ， 傾 向 下 山△β）， 其 中△γ=20° 、△β=17°、△δ=20°；④煤層傾角α=4°最大下沉角θ=84.4°；⑤走向充分采動角φ3=19°。

根據(jù)實地考察和分析研究，并參照結(jié)合晉城礦區(qū)各礦地表開采沉陷實際觀測資料，設(shè)置29106 工作面的觀測站。各觀測線的總長度和點數(shù)見表1，觀測站的具體位置如圖2 所示。

表1 觀測線長度和點數(shù)Table 1 Observation line length and points

圖2 29106 工作面地表觀測站布設(shè)Fig.2 The surface observation station layout of No.29106 Face

如圖2 所示，觀測站布設(shè)為2 條觀測線，每條觀測線一端設(shè)置1 組控制點，控制點距離采空區(qū)邊界的水平距離都大于0.7 H（H 為開采深度）。

2.2 實際測點構(gòu)造及埋設(shè)

工作測點間距離為20 m。觀測站的控制點和工作測點采用混凝土灌注埋設(shè)。測點規(guī)格和埋設(shè)要求如圖3 所示。

圖3 測點設(shè)計標志示意Fig.3 The design symbol of measuring point

在進行灌埋時，首先，在標記的位置挖1 個深度不小于0.6 m 的深坑，坑的尺寸取決標記的大小，通常是直徑0.2～0.3 m 的圓；然后，將預制的標準混凝土樁埋入到坑內(nèi)，并將坑周圍用混凝土填實。在進行測量時，以混凝土樁的中心點作為觀測的標志點。根據(jù)地形情況測點也可以采用木樁，木樁長50 cm，直徑5 cm，木樁上釘上小鋼釘，小鋼釘長3 cm，直徑2 mm。

3 觀測內(nèi)容及方法

地表移動觀測站建立后，要分別進行與觀測礦區(qū)控制網(wǎng)連測、全面觀測等測量工作，由于受地形影響，使用的儀器及測量內(nèi)容見表2。

表2 地表變形觀測站所使用的儀器及測量內(nèi)容Table 2 The instruments and measurement contents used in surface deformation observation station

地表移動觀測站建立后即要進行觀測，在開采過程中不同的時間內(nèi)進行不同的觀測內(nèi)容，觀測時間和次數(shù)可按采動前、移動初始期、移動活躍期和移動衰退期階段安排，具體見表3，如工作面推進有變化，應(yīng)按實際情況進行調(diào)整。

表3 地表移動觀測站觀測時間及觀測內(nèi)容Table 3 The observation time and observation content of surface movement observation station

觀測數(shù)據(jù)的處理步驟如下。

（1） 觀測成果的檢查和計算。每次觀測后應(yīng)及時進行檢查。如發(fā)現(xiàn)粗差或超限，應(yīng)及時重測，直至全部觀測數(shù)據(jù)符合要求為止。各點高程計算時先進行平差，然后計算高程，并將所得的各點的高程填入綜合計算表中。各點間沿觀測線方向的水平距離由實測數(shù)據(jù)加入各種距離改正后求得。

（2） 各觀測點的三維坐標計算。開采沉陷觀測站的所有控制點和監(jiān)測點，每次外業(yè)觀測完成后，其點位坐標及高程運用測量平差軟件進行計算，檢查其計算精度符合技術(shù)規(guī)范要求。經(jīng)平差計算得出各監(jiān)測點的三維坐標（x，y，H）。

（3） 觀測資料整理的主要目的是求得各測點的下沉變形，可由2 次不同的水準測量或三角高程測量的高程差來計算。

（4） 地表點移動變形計算。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過整理改正后，便可計算觀測線上各測點和各測點間和沿測線方向的變形。

m次觀測時n 點的下沉可用下式計算：

式中：Wn為地表點的下沉值；Hn0和Hnm分別為地表n 點在首次和m 次觀測時的高程。

4 觀測結(jié)果分析

29106 工作面地表下沉規(guī)律曲線如圖4 所示。

圖4 下沉曲線Fig.4 The sinking curve

由圖4（a） 可以看出，走向觀測Z 線最低點地面標高為1 204.775 m，最高點地面標高為1 386.836 m，最大相對高差182.061 m，相比觀測線長度，其地勢起伏相較大。隨著工作面的推進，地表下沉逐漸增大，到第8 次觀測地表最大下沉在Z39 處達到2 112 mm，在第8 次觀測范圍內(nèi)出現(xiàn)了基本穩(wěn)定平底，說明走向方向達到充分采動，整體曲線規(guī)律性較好。

由圖4（b） 分析及觀測數(shù)據(jù)計算可知，傾向觀測Q 線最低點地面標高為1 229.481 m，最高點地面標高為1 357.417 m，最大相對高差127.936 m，相比觀測線長度，其地勢起伏相較小。大部分在采空區(qū)范圍內(nèi)沉陷值最大，到第五次觀測地表最大下沉在Q17 處達到1 222 mm，整體曲線規(guī)律性較好。

選擇29106 觀測站觀測資料較為完整且有代表性的位于觀測Z 線Z39 號測點作為下沉速度計算點，計算結(jié)果見表4。按表4 計算結(jié)果制作該點的下沉速度和下沉過程曲線，如圖5 所示。

表4 29106 觀測站Z 線Z39 號測點下沉速度計算Table 4 Calculation of sinking velocity of Z39 measuring point on Z line of No.29106 observation station

圖5 觀測Z 線Z39 號點的下沉速度及下沉曲線Fig.5 The sinking velocity and sinking curve of observation Z line Z39 point

由圖4 觀測Z 線Z39 號點的下沉速度及下沉曲線圖分析可得，從2019 年2 月開始回采20106工作面，從此時開始計入下沉開始階段，地表移動下沉量主要集中在活躍期，衰退期還未結(jié)束。

移動初始期（TC） 為地表點開始下沉至下沉速度50 mm/月（1.67 mm/d），TC=14 d；移動活躍期（Th） 為地表點下沉速度大于等于50 mm/月（1.67 mm/d），Th=330 d；移動衰退期（TS） 為地表點連續(xù)6 個月下沉量小于50 mm/月（1.67 mm/d） 且下沉累計不超過30 mm 時止的階段，TS=466 d；移動總延續(xù)時間（TZ） 為810 d。

Z39 號點最大下沉速度發(fā)生在2019 年6 月和2019 年10 月，在此期間該點平均最大下沉速度為12.591 7 mm/d。按Z39 號點求取的最大下沉速度Vm=89.272 7 mm/，Z39 號點在移動期內(nèi)的最大下沉值Wm=2 112 mm，Z39 號點的采深H=275 m，該工作面總共長740 m，共計開采900 d，由此求得下沉速度系數(shù)為1.996。

5 結(jié) 語

通過建立的29106 工作面的走向和傾向觀測站，獲得了回采期間的巖層移動規(guī)律。觀測結(jié)果表明，地表的下沉值較大，且?guī)r層運動時間較長，這對于地表建筑物十分不利。為此，在開采過程中，必需要做好地面采動區(qū)設(shè)施的保護工作。