馬曉強(qiáng)，薛志強(qiáng)，楊 釗，殷國(guó)棟，尉博虎

（陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽）

引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，對(duì)能源的需求也日益增大，特別是對(duì)煤炭的消耗越來越大。從而導(dǎo)致了我國(guó)煤炭資源被大量開采，對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了很大的破壞，煤層開采后在地下形成了采空區(qū)，在雨水的侵蝕和各種力的綜合作用下致使礦區(qū)地表發(fā)生沉降[1-2]。因開采導(dǎo)致的地表沉降幾乎在世界礦產(chǎn)資源大國(guó)都普遍存在。地表沉陷會(huì)對(duì)地面建筑造成極大的破壞，會(huì)改變地下水的分布甚至污染地下水[3]。嚴(yán)重危險(xiǎn)礦區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)安全，違背了可持續(xù)發(fā)展原則。所以需要更加深入地研究地表下沉的形成原因、分布規(guī)律和變化規(guī)律，且通過合適的方法監(jiān)測(cè)地表沉降，對(duì)保護(hù)礦區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全以及實(shí)現(xiàn)能源開采的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[4-7]。同時(shí)，地下礦產(chǎn)資源開采利用已經(jīng)成為了目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。因此，對(duì)于礦區(qū)的安全與環(huán)境保護(hù)問題是必須重視和解決的問題。

本文旨在通過多源遙感數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)401102 進(jìn)行巖移觀測(cè)，同時(shí)結(jié)合綠色礦山相關(guān)要求對(duì)井田進(jìn)行多角度全方位監(jiān)測(cè)，對(duì)已開采的401101、401102 工作面進(jìn)行相關(guān)觀測(cè)，研究礦區(qū)開采過程中的地表沉降變化和巖移規(guī)律。

1 工作面概況

1.1 礦井概況

孟村礦隸屬于陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部，行政區(qū)劃隸屬于咸陽市長(zhǎng)武縣。402 工作面為孟村礦井401 盤區(qū)回采的第二個(gè)工作面，該工作面走向長(zhǎng)度2 170 m，可采走向長(zhǎng)度1 789 m，傾向長(zhǎng)度180 m，目前已回采600 m。工作面掘進(jìn)期間在運(yùn)順、回順均揭露了斷層，斷層走向基本一致，落差4～13 m，同時(shí)面內(nèi)還發(fā)育有三維地震勘探的落差為0～4 m 的斷層。4 煤煤層厚度18～23.9 m，煤層頂板距洛河組底板距離140～175 m。研究區(qū)位置如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 地質(zhì)采礦條件

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田中段，地層由老到新依次有：中生界三疊系上統(tǒng)胡家村組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、環(huán)河組，上第三系及第四系紅土、黃土。工作面地表屬于黃隴黃土層塬梁溝壑區(qū)，黃土層厚度96～170 m。

2 工作面地面監(jiān)測(cè)方案

2.1 401101 工作面研究基礎(chǔ)

401101 工作面開采期間，自2018 年1 月至2021年5 月，歷時(shí)41 個(gè)月，共進(jìn)行了18 次全面觀測(cè)。工作面地表布設(shè)一條走向觀測(cè)線、兩條傾向觀測(cè)線、控制點(diǎn)6 個(gè)。傾向觀測(cè)線B 布置測(cè)點(diǎn)45 個(gè)，傾向觀測(cè)線C布置測(cè)點(diǎn)46 個(gè)，走向觀測(cè)線布置測(cè)點(diǎn)113 個(gè)。綜合計(jì)算所有觀測(cè)數(shù)據(jù)可得A 線最大下沉值為487 mm、B線最大下沉值為401 mm、C 線最大下沉值為387 mm。

2.2 401102 工作面監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.2.1 地表變形觀測(cè)站布置

根據(jù)401102 工作面位置和地表地形情況，布設(shè)兩條觀測(cè)線，一條走向觀測(cè)線和一條傾向觀測(cè)線。同時(shí)，將401101 工作面傾向觀測(cè)線B 進(jìn)行延伸，覆蓋401102 工作面下沉影響范圍，作為兩工作面公用的傾向下沉觀測(cè)線。并且在溝壑區(qū)域布設(shè)一定數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)溝壑下沉變化情況。觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)情況如圖2所示。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)分布

2.2.2 掘進(jìn)尺度

根據(jù)歷次觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行井下回采尺度標(biāo)記，結(jié)果如表1 所示。

表1 工作面掘進(jìn)尺度

3 地表移動(dòng)變形規(guī)律分析

3.1 下沉分析

401101 工作面現(xiàn)存監(jiān)測(cè)線主要包括傾向觀測(cè)線B、C 和走向觀測(cè)線A。401101 工作面回采結(jié)束后，由于401102 工作面的開采，導(dǎo)致401101 工作面地表出現(xiàn)局部下沉和地裂縫。同時(shí)，觀測(cè)線B 為兩工作面公用的傾向下沉觀測(cè)線。401102 工作面地表布設(shè)走向監(jiān)測(cè)線Z 和傾向觀測(cè)線Q。

3.1.1 觀測(cè)線B 下沉分析

傾向觀測(cè)線B 位于村莊道路沿線，且處于裂縫分布區(qū)域，因此造成中心區(qū)域急劇下沉。最大下沉量達(dá)到3 098 mm，較上期未產(chǎn)生明顯變化，下沉量超過200 mm，下沉區(qū)域位于B08 至B30 觀測(cè)點(diǎn)之間。401101 工作面開采后全面觀測(cè)時(shí)，下沉量較為平穩(wěn)，2022 年7 月份開始出現(xiàn)較大下沉，較于上期，約下沉1 470 mm，401102 工作面開采后，工作面持續(xù)下沉1 348 mm，位于B20 監(jiān)測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)后期，觀測(cè)線B 下沉逐漸趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)整體下沉偏移情況，見圖3。

圖3 傾向觀測(cè)線B 下沉折線

3.1.2 觀測(cè)線C 下沉分析

傾向觀測(cè)線C 與傾向觀測(cè)線B 平行，相距約272 m。結(jié)合101 觀測(cè)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行傾向觀測(cè)線C 下沉計(jì)算。結(jié)果顯示：101 工作面開采時(shí)下沉現(xiàn)象較為平緩。102 工作面開采后，中心區(qū)域急劇下沉，最大下沉量達(dá)到2 307 mm，較上期未發(fā)生變化，下沉量大于200 mm 區(qū)域位于C08 至C30 觀測(cè)點(diǎn)之間。相較于觀測(cè)線B，C 線整體下移情況更加明顯，見圖4。

圖4 傾向觀測(cè)線C 下沉折線

3.1.3 觀測(cè)線Z 下沉分析

沿401102 工作面走向布設(shè)走向觀測(cè)線，觀測(cè)線位置如圖2 所示。以初次觀測(cè)時(shí)間2022 年9 月觀測(cè)數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最大下沉量為1 681 mm，較上期未發(fā)生明顯變化，下沉量大于200 mm 區(qū)域?yàn)閆011-Z041。在后續(xù)一段時(shí)間內(nèi)，401102 工作面地表將會(huì)繼續(xù)微量下沉。觀測(cè)后期，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉速度基本穩(wěn)定，且處于較小值，工作面下沉基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，見圖5。

圖5 走向觀測(cè)線Z 階段下沉折線

3.1.4 觀測(cè)線Q 下沉分析

傾向觀測(cè)線Q 最大下沉量為1 802 mm，較上期1 736 mm 增大了66 mm，下沉區(qū)域主要集中在q008 至q012 區(qū)域內(nèi)。觀測(cè)后期，已逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.5 溝壑區(qū)域下沉分析

針對(duì)溝壑邊緣進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，在未采動(dòng)區(qū)域布設(shè)3 條溝壑監(jiān)測(cè)線JC1、JC2、JC3。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)JC1 監(jiān)測(cè)線最大下沉量為1 304 mm，與上期數(shù)據(jù)相比未出現(xiàn)明顯下沉。監(jiān)測(cè)線JC2 與上期數(shù)據(jù)相比未明顯下沉。監(jiān)測(cè)線JC3 未出現(xiàn)下沉，處于地表輕微擾動(dòng)。這表明地表已達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)，見圖6-7。

圖6 溝壑監(jiān)測(cè)線位置

圖7 監(jiān)測(cè)線JC1 下沉折線

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉分析

根據(jù)工作面開采進(jìn)度選取關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，選取d10、d11、d12、d14 和d05 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分為走向和傾向兩個(gè)方向進(jìn)行分析。

3.2.1 走向方向下沉分析

由圖8-10 可知，d10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)自2022 年3 月初開始下沉，2022 年7 月度過下沉活躍期，已完成快速下沉階段，下沉速度逐漸減小，進(jìn)入下沉穩(wěn)定階段，但仍會(huì)存在微量下沉，最大下沉量2 377 mm。d11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)自2022年5 月初出現(xiàn)微量下沉，當(dāng)前下沉量1 885 mm。截至目前，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)已達(dá)到下沉穩(wěn)定階段。d12監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)明顯下沉，當(dāng)前下沉量為1 339 mm。

圖8 d10 下沉及移動(dòng)曲線

圖9 d11 下沉及移動(dòng)曲線

圖10 d12 下沉及移動(dòng)曲線

3.2.2 傾向方向下沉分析

傾向方向選取401102 工作面北側(cè)的d14 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和南側(cè)的d05 監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉曲線如圖11-12 所示。d14 和d05 所在傾向位置在2022 年5月份出現(xiàn)輕微下沉，開始地表變形，d14 監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前下沉量為786 mm，d05 當(dāng)前下沉量為1 234 mm。觀測(cè)后期，下沉已逐漸趨于穩(wěn)定。

圖11 d14 下沉及移動(dòng)曲線（工作面北側(cè)）

圖12 d05 下沉及移動(dòng)曲線（工作面南側(cè)）

4 結(jié)論

本文以孟村礦區(qū)為研究對(duì)象，通過在401102 工作面建立觀測(cè)站，進(jìn)行了完整的觀測(cè)，得到了相對(duì)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(dòng)變形規(guī)律。地表移動(dòng)變形規(guī)律較為明顯, 總體符合一般沉陷規(guī)律。觀測(cè)線B、C、Z、Q 在觀測(cè)后期均已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。下沉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(duì)指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)有重要的實(shí)際意義。