厚冲积层下薄煤层开采的地表移动观测研究

2005/10/25 14:13:49

摘要　本文主要介绍了兖矿集团公司杨村煤矿开采16_上、17层煤时地表移动观测站的建立和观测，分析研究了该具体地质采矿条件下地表移动变形的一般规律和特点，求得了适用于概率积分法进行预计的各种参数。
关键词　厚冲积层　薄煤层开采　地表移动变形　观测研究

　　兖矿集团公司杨村煤矿位于兖州煤田西北部，井田内地势平坦，自东北向西南缓慢倾斜，泗水河流经矿井东部。该井田煤系地层为上石炭系（C3）太原群，主要采16_上和17层煤，局部可采15_上和18_上煤，煤层上覆主要为第四系表土层，厚度为107.44～196.70m，平均厚度168.89m。为掌握该具体地质采矿条件下的地表移动变形规律，解决“三下”采煤等问题，杨村煤矿开展了地表移动变形观测研究，自1991年起，在开采16_上和17层煤的工作面上方地表，首次成功地设置了地表移动观测站，获得大量的实测数据资料。通过分析研究，初步掌握了该地质采矿条件下的地表移动变形规律和特点。

1　区域地质采矿技术条件
　　杨村煤矿开展地表移动变形观测研究的区域位于该矿16_上煤层的3603、3605、3607工作面和17层煤的3701、3703、3705工作面上方地表。其中，3603、3605、3607工作面西南边界的3601工作面已开采，上方以三元村断层为边界，下至－273副巷，工作面倾斜长平均480m，走向长560m，地面标高45m，开采上限标高－205m，下限标高－257m，以倾斜长壁垮落法自下山向上山方向依序开采，一次采全高，实测回采厚度1.25m，月推进尺58m，煤层赋存较稳定，倾角平均6°，地层结构简单，除上部受三元村断层影响外，只有3607北副巷断层落差较大，其余受断层影响较小，大部分断层落差在1m左右，煤层直接顶为深灰色石灰岩，平均厚度5.41m，质地坚硬，底板为灰白色铝质粘土层，平均厚度0.97m，松散破碎，遇水膨胀；3701、3703、3705工作面位于上述工作面正下方，两煤层间距6～10m，面内小断层发育，断层煤柱留设较多，相对地给开采带来较大困难，开采上限标高－215m，下限标高－265m，平均采厚1m，采用走向长壁垮落法沿煤层走向自北向南依次序开采，一次采全高。

2　观测站的设计和观测
　　地表移动变形观测站由四条观测线组成。在煤层倾斜和走向主断面上各设置了一条半盆地观测线，在非主断面上又设置了两条位于乡村路上与煤层走向斜交约30°的辅助观测线。
　　观测站共设置工作测点105个，间距20m，控制点8个，其中走向线全长1040m，位于3607工作面一侧、工作面倾斜方向中心偏下山方向117.4m；倾斜线全长798m，位于煤层下山方向一侧、3605工作面走向正中央；第一辅助线长340m，第二辅助线长240m。所有测点均用混凝土预制，且按规程及设计要求在开采前完成埋设工作。
　　观测站的连接测量于1991年11月（采动影响前）进行。平面连接采用5″级闭合导线的方式进行，测角中误差3″，坐标相对中误差1／24000；高程连接采用闭合水准路线、三等水准测量要求施测，独立进行两次，闭合差分别为12.6mm和0.8mm。
　　采前全面观测，用钢尺独立两次丈量了各测点间的距离，支距采用T2经纬仪配合特制的支距尺进行，并用测距仪观测边长，与钢尺丈量结果对比，平差得出各测点间的准确距离；高程以三等水准测量要求施测。
　　采后观测始于地表开始移动（地表下沉达10mm）后。边长丈量采用往返测，互差小于2mm，并辅助激光测距仪检验；高程以四等水准测量要求观测，每次高程闭合差均小于10mm。16_上煤层开采影响中，共进行12次全面观测、89次水准观测；17层煤开采影响中，共进行6次全面观测、20余次加密水准观测。
　　所有测量的内外业各项指标均符合规程中的要求。

3　地表移动变形的一般规律
3.1　16_上煤层开采的地表移动变形分析
　　自3603工作面回采后，地表于1992年2月开始下沉，并逐渐增大下沉量，形成下沉盆地，稳定后的测点最大下沉值为1250mm。整个沉降过程中，各测点的下沉变化比较均匀，没有突变现象，地表未出现塌陷坑，也未观测到裂缝。盆地中央出现了部分平底现象，说明地表已达到充分采动。
　　16_上煤层的3603、3605、3607工作面开采引起的地表移动变形历时11个月14天，其中，初始期占6％，活跃期占87％，衰退期占7％。通过对观测资料的综合整理和分析，获得地表移动变形的各种参数如表1、表2、表3所示。

表1　地表移动变形最大值

项目名称	下沉值	倾斜值	曲率值	水平移动值	水平变形值	支距量
符号	W_max	i_max	K_max	U_max	ε_max	U^′_max
最大值	1250	7.8	0.34	533	11.81	0.3
单位	mm	mm/m	mm/10^－3	mm	mm/m	m

表2　移动变形参数

项目名称	启动距	地表最大下沉速度	地表最大下沉速度滞后距	边界角		移动角		充分采动角
项目名称	启动距	地表最大下沉速度	地表最大下沉速度滞后距	走向	下山	走向	下山	走向	下山
数　值	63m	20.2mm/d	38m	58°10′	50°36′	70°58′	65°26′	46°00′	54°37′
备　注	0.21H₀		0.14H₀

表3　概率积分法预计参数

符号	tgβ	tgβ_下	η	b	S₂	S₃	θ
数值	1.83	1.80	1.0	0.4	0.18H₀	0．03H_下	90°－0．69α

备注：tgβ：走向方向主要影响角正切值；tgβ_下：倾向下山方向主要影响角正切值；η：下沉系数；b：水平移动系数；S₂：走向右边界拐点平移距；S₃：倾斜下边界拐点平移距；θ：影响传播角；H₀：走向测线所在位置的平均采深（m）；H_下：开采下边界采深（m）；α：煤层倾角。

　　为了解测点的移动变化，全面分析12次全面观测结果，选取66号测点在倾斜测线方向上所作的剖面内的移动轨迹（见图1）。该点的下沉速度与下沉曲线关系图（图2），反映了该测点在整个移动过程中的下沉、下沉速度及其与地下回采工作面相对位置关系的变化情况。

1401.gif (1690 bytes)

图1　地表点移动轨迹图

1402.gif (4269 bytes)

图2　地表点下沉速度与下沉曲线关系图

　　从图2中可以看到：66号测点的下沉量主要发生在移动活跃阶段内，占总下沉量的86.5％；下沉速度由小变大再由大变小有规律地变化，受单面开采影响的移动持续时间为8～10个月；当工作面推过该点38m后，该点的下沉速度才达到最大。
3.2　16_上、17层煤开采的地表移动变形分析
　　设立的观测站自1991年11月开始进行连接测量，到1996年7月移动稳定，共经历了16_上煤层的3603、3605、3607工作面和17层煤的3701、3703、3705工作面的开采影响。根据采前采后全面观测结果的综合对比分析，可较全面地了解16_上、17煤开采后地表产生的综合影响情况。
　　16_上、17煤开采后对地表产生的最大移动变形值见表4。对观测资料的综合整理分析，考虑到测站与各回采工作面的相对位置关系，利用位移反分析理论和参数识别方法，求取的该地质采矿条件下的概率积分法预计参数列于表5中。

表4　地表移动变形最大值

项目名称	下沉值	倾斜值	曲率值	水平移动值	水平变形值	支距量
符号	W_max	i_max	K_max	U_max	ε_max	U^′_max
最大值	2047	8.8	0.79	451	9.94	0.2
单位	mm	mm/m	mm/10^－3	mm	mm/m	m

表5　概率积分法预计参数

符号	tgβ	tgβ_下	η	b	S₂	S₃	θ
数值	1.9	1.85	0.94	0.4	10	0.03H_下	86°

　　根据观测情况，结合实际井下开采的影响分析，剔除了16_上煤层的3个工作面和17层煤的3701工作面的开采影响后，对17层煤的3703、3705工作面的开采影响进行了分析研究，初步获得了16_上煤层开采影响后独立开采17层煤时所产生的地表移动变形最大值（表6）和3703、3705工作面开采引起的地表移动变形参数（表7）。

表6　地表移动变形最大值

项目名称	下沉值	倾斜值	曲率值	水平移动值	水平变形值	支距量
符号	W_max	i_max	K_max	U_max	ε_max	U^′_max
最大值	777	8	0.48	328	7.22	244
单位	mm	mm/m	mm/10^－3	mm	mm/m	mm

表7　移动变形参数

项目名称	地表最大下沉速度	地表最大下沉速度滞后距	边界角	移动角	充分采动角
项目名称	地表最大下沉速度	地表最大下沉速度滞后距	走向	走向	走向
数　值	7.5mm/d	51m	59°29′	73°06′	47°07′
备注		0.18H₀

4　地表移动变形的特点
　　根据井下回采工作面的地质采矿技术条件和实测地表移动变形，对比分析邻近矿区的地表移动变形规律，初步得到厚冲积层下薄煤层开采的地表移动变形特点。
　　a　地表下沉系数大
　　无论是16_上还是17煤开采的影响，地表下沉系数均比邻近矿区大，其主要原因在于煤系地层比较松软，井下开采后，地表易于下沉。
　　b　地表未观测到裂缝
　　井下开采后，地表一直未出现裂缝，而相邻矿井在开采厚煤层时，地表均出现裂缝，且一般呈台阶状下沉，地表盆地边缘形成多级台阶现象。其主要区别在于开采强度和开采方法的不同。
　　c　下沉速度小
　　同等条件下，薄煤层开采引起的地表下沉速度明显比厚煤层开采时的下沉速度小，说明地表下沉速度不仅与开采方法、工作面推进速度有关，还与开采强度密切相关。

5　结　论
　　本文通过对杨村煤矿16_上、17层煤工作面开采的地表移动变形观测资料的分析研究，总结了该地质采矿条件下地表移动变形的一般规律和特点，求得了适用于概率积分法进行预计的各种参数，为矿井安全生产及类似条件矿区的“三下”采煤等工作提供了可靠的技术数据。

作者简介：成枢，男，副教授，研究室主任。先后作为主要完成人员或项目负责人参与完成了科研项目40余项，拥有国内先进或国际先进的科研成果10余项，曾获山东省科技进步二等奖两项、三等奖一项，发表学术论文40余篇，出版专著1部，合作出版著作2部，1998年获煤炭青年科技奖。

作者单位：成　枢　徐泮林　（山东矿业学院）
　　　　　祁洪晓　（兖矿集团公司）

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