鄧偉男

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

我國(guó)從二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始建立地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站[1-2]，并在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展地表移動(dòng)實(shí)測(cè)規(guī)律的研究工作，積累了豐富的各礦區(qū)巖移資料[3-9]。隨著采煤技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)雜或特殊地質(zhì)采礦條件下的沉陷變形研究需求越來(lái)越多，但技術(shù)支持與生產(chǎn)相脫節(jié)，大型礦井缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的情況較為常見(jiàn)。另外，在我國(guó)積極發(fā)展綠色礦山、要求經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的大趨勢(shì)下，對(duì)礦區(qū)采煤沉陷的監(jiān)測(cè)工作也顯得十分必要[10-12]。

本文基于沙吉海煤礦首采工作面B1003W01，通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)松軟砂巖下綜采放頂煤開(kāi)采的地表移動(dòng)變形規(guī)律和參數(shù)進(jìn)行研究，為該礦和近似條件礦區(qū)的生產(chǎn)與地表保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沙吉海煤礦位于新疆塔城地區(qū)和布克賽爾蒙古自治縣和什托洛蓋鎮(zhèn)東北約70 km的沙吉海礦區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)86°27′54″～86°43′46″，北緯46°34′23″～46°41′27″。礦井東西走向長(zhǎng)7.94 km，南北寬3.2～3.7 km，面積27.4 km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.0 Mt/a，服務(wù)年限70.4 a。礦井采用兩斜井一立井的綜合開(kāi)拓方式(主、副井為反斜井)、綜采放頂煤的采煤工藝、全部垮落法管理頂板。

根據(jù)沙吉海煤礦井田內(nèi)鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其首采的B10煤層覆巖結(jié)構(gòu)以砂巖類(lèi)巖層為主、砂泥巖交互沉積，砂巖含量達(dá)65%以上，覆巖自然狀態(tài)下的平均單軸抗壓強(qiáng)度為19.10 MPa。由此可確定B10煤層覆巖屬軟弱類(lèi)型[13]。

B1003W01工作面為沙吉海煤礦首采工作面，順槽長(zhǎng)2 300 m，工作面斜長(zhǎng)213 m，平均采深300 m，平均采厚6.65 m，煤層傾角11°～15°，平均13°。地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，無(wú)斷層揭露，地表為戈壁荒原，由混雜堆積的砂、礫石和少量黃土構(gòu)成。

2 觀(guān)測(cè)站設(shè)計(jì)與觀(guān)測(cè)

2.1 觀(guān)測(cè)站布置

采礦引起的地表沉陷是許多地質(zhì)采礦因素綜合影響的結(jié)果，認(rèn)識(shí)這一復(fù)雜過(guò)程的最好方法是建立地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。單個(gè)工作面的地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站一般由走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)和傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)組成，由于沙吉海煤礦B1003W01工作面走向長(zhǎng)度(2 300 m)遠(yuǎn)大于該地質(zhì)采礦條件下達(dá)到充分開(kāi)采所需要的最小尺寸(按采深估算約400 m)，開(kāi)采后走向上沉陷曲線(xiàn)應(yīng)呈對(duì)稱(chēng)分布；同時(shí)，在地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站設(shè)計(jì)前工作面已經(jīng)開(kāi)始回采，開(kāi)切眼側(cè)地表不宜布設(shè)觀(guān)測(cè)站。因此，本次地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站選擇布置在停采線(xiàn)一側(cè)，采用半條走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)及完整的一條傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)的布設(shè)形式。

地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站位置設(shè)計(jì)時(shí)，考慮走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)布設(shè)于地表移動(dòng)盆地的走向主斷面上，傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)必須通過(guò)充分采動(dòng)區(qū)且在觀(guān)測(cè)開(kāi)始前不應(yīng)受到工作面推進(jìn)的影響；長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)，考慮觀(guān)測(cè)線(xiàn)的控制范圍必須能夠反映地表移動(dòng)盆地特征的原則，觀(guān)測(cè)線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)移動(dòng)盆地邊界一定距離，以便確定移動(dòng)盆地的邊緣。

結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)采礦條件，根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》中相關(guān)要求，沙吉海煤礦B1003W01工作面走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)A線(xiàn)布置于工作面中心向下山方向偏移42 m，長(zhǎng)度600 m，設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)31個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距20 m；傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)B線(xiàn)到停采線(xiàn)的距離為300 m，長(zhǎng)度800 m，設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)41個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距20 m。

測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)采用機(jī)械打鉆、混凝土加筋澆筑的方式，測(cè)點(diǎn)底面在當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辆€(xiàn)以下0.57 m，埋設(shè)深度2.4 m。B1003W01工作面地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站實(shí)際布設(shè)如圖1所示。

2.2 實(shí)測(cè)工作簡(jiǎn)介

B1003W01工作面開(kāi)采時(shí)間為2014年7月～2017年5月，地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)時(shí)間為2015年9月13日～2018年5月1日。共進(jìn)行連接測(cè)量2次，平面、高程全面觀(guān)測(cè)6次，日常高程觀(guān)測(cè)3次。

3 觀(guān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 觀(guān)測(cè)結(jié)果

選取若干次觀(guān)測(cè)成果進(jìn)行下沉、水平移動(dòng)曲線(xiàn)繪制，走向結(jié)果如圖2、圖3所示，傾向結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖2 走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)(A線(xiàn))下沉曲線(xiàn)

圖3 走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)(A線(xiàn))水平移動(dòng)曲線(xiàn)

B1003W01工作面開(kāi)采后，地表最大下沉1 945 mm，最大下沉點(diǎn)出現(xiàn)在走向線(xiàn)A3、傾向線(xiàn)B21處。圖4 傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)(B線(xiàn))下沉曲線(xiàn)

圖5 傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)(B線(xiàn))水平移動(dòng)曲線(xiàn)

由于煤層傾角較大，傾向上最大下沉點(diǎn)明顯偏向工作面下山方向。由于觀(guān)測(cè)工作面傾向長(zhǎng)度213 m，單工作面開(kāi)采時(shí)，傾向上未能達(dá)到充分采動(dòng)。根據(jù)工作面的平均采厚6.65 m，計(jì)算實(shí)測(cè)的下沉率為0.29。

指向開(kāi)切眼方向的水平移動(dòng)極值出現(xiàn)在A12測(cè)點(diǎn)處，在停采線(xiàn)上方明顯偏向采空區(qū)一側(cè)。因?yàn)樽呦蛴^(guān)測(cè)線(xiàn)布置在停采線(xiàn)一側(cè)，本觀(guān)測(cè)站不能反應(yīng)指向推進(jìn)方向的水平移動(dòng)極值。

傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)上，指向下山方向的水平移動(dòng)最大值出現(xiàn)在B15測(cè)點(diǎn)處，指向上山方向的水平移動(dòng)最大值出現(xiàn)在B24測(cè)點(diǎn)，極值大致位于工作面開(kāi)采邊界處。在數(shù)值上，指向上山方向的水平移動(dòng)明顯大于指向下山方向的水平移動(dòng)值。

3.2 極值

根據(jù)最后一次觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)(2018年5月1日)，B1003W01工作面開(kāi)采后地表移動(dòng)變形極值如表1所示。

3.3 角量參數(shù)

B1003W01工作面在走向方向達(dá)到了充分采動(dòng)，由A線(xiàn)實(shí)測(cè)下沉值綜合分析可知：地表下沉10 mm的點(diǎn)位于A22～A23測(cè)點(diǎn)之間，距離B1003W01工作面停采線(xiàn)154 m。根據(jù)B1003W01工作面平均采深300 m，求得走向綜合邊界角δ0=62.3°。

下山方向的邊界點(diǎn)位于B40～B41測(cè)點(diǎn)之間，距離B1003W01工作面下山邊界327 m，根據(jù)B1003W01工作面下山邊界采深320 m、觀(guān)測(cè)線(xiàn)位置平均傾角13°，求得下山綜合邊界角β0=43.8°；上山方向的邊界點(diǎn)位于B3～B4測(cè)點(diǎn)之間，距離B1003W01工作面上山邊界198 m，根據(jù)B1003W01工作面上山邊界采深280 m、觀(guān)測(cè)線(xiàn)位置平均傾角13°，求得上山綜合邊界角γ0=54.1°。

傾斜、曲率和水平變形可由下沉和水平移動(dòng)求得，在傾斜、曲率和水平變形曲線(xiàn)上求得走向綜合移動(dòng)角δ=86.5°，下山綜合移動(dòng)角β=75°，上山綜合移動(dòng)角γ=84.7°。

根據(jù)走向下沉曲線(xiàn)形態(tài)綜合分析，B1003W01工作面走向地表移動(dòng)盆地平底邊緣點(diǎn)位于A4測(cè)點(diǎn)處，距離B1003W01工作面停采線(xiàn)223 m。根據(jù)B1003W01工作面平均采深300 m，求得走向充分采動(dòng)角ψ3=52.8°。

由傾向下沉曲線(xiàn)可知，傾向方向?yàn)榉浅浞植蓜?dòng)，地表最大下沉出現(xiàn)在B21測(cè)點(diǎn)處，距離工作面采空區(qū)中點(diǎn)42 m。根據(jù)B1003W01工作面平均采深300 m、觀(guān)測(cè)線(xiàn)位置平均傾角13°，求得最大下沉角θ=81.9°。

3.4 動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形參數(shù)

由于B1003W01工作面的觀(guān)測(cè)線(xiàn)布置在停采線(xiàn)一側(cè)，起動(dòng)距無(wú)法求取。

最大下沉點(diǎn)B21整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中，開(kāi)始階段持續(xù)約71 d；活躍階段持續(xù)約247 d；以6個(gè)月內(nèi)下沉累計(jì)不超過(guò)30 mm(下沉速度小于0.016 7 mm/d)作為地表穩(wěn)定的標(biāo)志，衰退階段持續(xù)約159 d。B1003W01工作面最大下沉點(diǎn)累計(jì)移動(dòng)時(shí)間約477 d，其中，活躍階段占整個(gè)移動(dòng)時(shí)間的52%。

3.5 結(jié)果分析

工作面傾向方向地表下沉曲線(xiàn)向下山方向偏移明顯，指向上山方向的水平移動(dòng)明顯大于指向下山方向的水平移動(dòng)。

由于上覆巖層軟弱，地表變形較為集中，工作面邊界以外區(qū)域變形值偏小。傾斜方向上采動(dòng)影響范圍比走向大(邊界角小)，其中，下山邊界角最小，為43.8°，總體而言移動(dòng)角比邊界角大得多，最小的下山移動(dòng)角為75°，遠(yuǎn)大于下山邊界角。

地表最大下沉點(diǎn)移動(dòng)活躍階段占整個(gè)移動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

4 地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)

由于B1003W01工作面為非充分開(kāi)采，無(wú)法直接利用地表最大下沉值及最大水平移動(dòng)值等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求取概率積分法地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)，因此，采用計(jì)算機(jī)擬合的方法進(jìn)行求取。

用地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站最后一次觀(guān)測(cè)的下沉及水平移動(dòng)數(shù)據(jù)擬合求取B1003W01工作面綜放開(kāi)采條件下概率積分法地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.8，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.23，主要影響角正切tanβ=2.0，下山邊界拐點(diǎn)偏移距S1=0.23H1(H1為下山邊界采深，m)，上山邊界拐點(diǎn)偏移距S2=0.28H2(H2為上山邊界采深，m)，走向拐點(diǎn)偏移距S3=0.32H0(H0為平均采深，m)，開(kāi)采影響傳播角θ0=90-0.62α(α為煤層傾角)。走向下沉擬合曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)下沉擬合曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)沙吉海煤礦B1003W01首采工作面建立地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站，并進(jìn)行觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、總結(jié)，得到當(dāng)?shù)氐牡乇硪苿?dòng)變形參數(shù)，分析了在松軟砂巖條件下的開(kāi)采沉陷規(guī)律。

(1)在B1003W01工作面條件下，觀(guān)測(cè)得到的最大下沉為1 945 mm，未達(dá)到充分采動(dòng)；最大水平移動(dòng)為784 mm。

(2)觀(guān)測(cè)得到的地表移動(dòng)角量參數(shù)為：走向綜合邊界角62.3°，下山綜合邊界角43.8°，上山綜合邊界角54.1°，走向綜合移動(dòng)角86.5°，下山綜合移動(dòng)角75°，上山綜合移動(dòng)角84.7°，走向充分采動(dòng)角52.8°，最大下沉角81.9°。地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間為477 d，其中，活躍期占52%。

(3)傾斜方向地表下沉曲線(xiàn)向下山方向偏移明顯，指向上山方向的水平移動(dòng)明顯大于指向下山方向的水平移動(dòng)；由于上覆巖層軟弱，地表變形較為集中，工作面邊界以外區(qū)域變形值偏小，且總體而言移動(dòng)角比邊界角大得多；地表移動(dòng)活躍階段占整個(gè)移動(dòng)時(shí)間的比例大。

(4)通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合的方法求取了B1003W01工作面的概率積分法地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)，其中，下沉系數(shù)0.8，水平移動(dòng)系數(shù)0.23，主要影響角正切2.0，下山邊界拐點(diǎn)偏移距0.23H1，上山邊界拐點(diǎn)偏移距0.28H2，走向拐點(diǎn)偏移距0.32H0，開(kāi)采影響傳播角90-0.62α。