多工作面开采过程中地表沉陷变形监测.pdf

科学技术创新 2023.22多工作面开采过程中地表沉陷变形监测马晓强，薛志强，杨钊，殷国栋，尉博虎（陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳）引言近年来，随着我国经济持续发展，对能源的需求也日益增大，特别是对煤炭的消耗越来越大。从而导致了我国煤炭资源被大量开采，对矿区的生态环境造成了很大的破坏，煤层开采后在地下形成了采空区，在雨水的侵蚀和各种力的综合作用下致使矿区地表发生沉降1-2。因开采导致的地表沉降几乎在世界矿产资源大国都普遍存在。地表沉陷会对地面建筑造成极大的破坏，会改变地下水的分布甚至污染地下水3。严重危险矿区居民生命财产安全，违背了可持续发展原则。所以需要更加深入地研究地表下沉的形成原因、分布规律和变化规律，且通过合适的方法监测地表沉降，对保护矿区居民的生命财产安全以及实现能源开采的可持续发展具有十分重要的意义4-7。同时，地下矿产资源开采利用已经成为了目前社会经济发展的重要支撑。因此，对于矿区的安全与环境保护问题是必须重视和解决的问题。本文旨在通过多源遥感数据和相关数据分析技术，对 401102 进行岩移观测，同时结合绿色矿山相关要求对井田进行多角度全方位监测，对已开采的401101、401102 工作面进行相关观测，研究矿区开采过程中的地表沉降变化和岩移规律。1工作面概况1.1矿井概况孟村矿隶属于陕西彬长矿业集团有限公司，位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部，行政区划隶属于咸阳市长武县。402 工作面为孟村矿井 401 盘区回采的第二个工作面，该工作面走向长度 2 170 m，可采走向长度 1 789 m，倾向长度 180 m，目前已回采 600 m。工作面掘进期间在运顺、回顺均揭露了断层，断层走向基本一致，落差 413 m，同时面内还发育有三维地震勘探的落差为 04 m 的断层。4 煤煤层厚度 1823.9 m，煤层顶板距洛河组底板距离140175 m。研究区位置如图 1 所示。图 1研究区位置1.2地质采矿条件彬长矿区位于黄陇侏罗纪煤田中段，地层由老到新依次有：中生界三叠系上统胡家村组，侏罗系下统富县组，中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜作者简介：马晓强（1987-），男，本科，工程师，主要从事矿井防治水、地质及资源储量管理工作。摘要：传统矿区地表沉陷监测大多针对一个工作面的开采过程，缺乏工作面开采时对临近已开采工作面地表的移动变形监测。通过在临近工作面设置地表监测站，采用 GNSS 控制测量和连续运行监测测量方式，获取当前工作面开采过程中和临近采空区地表的移动变形数据，研究矿区多工作面开采过程中造成的地表沉降变化和岩移规律，为矿区开采过程中地表建构筑物保护和移民搬迁提供安全保障。以孟村矿 401102 和 401101工作面为例，结合 401101 工作面沉陷监测结果，对 401102 工作面开采过程中地表变化进行观测，研究岩移观测站的布设、观测方法、岩层变形规律等，获取该工作面地表和采空区的移动下沉量，总结矿区地表及岩层的移动变形规律。关键词：开采沉陷；岩移观测；多工作面；地表变形中图分类号院TD327文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0128-05128-2023.22 科学技术创新君组、洛河组、环河组，上第三系及第四系红土、黄土。工作面地表属于黄陇黄土层塬梁沟壑区，黄土层厚度96170 m。2工作面地面监测方案2.1401101 工作面研究基础401101 工作面开采期间，自 2018 年 1 月至 2021年 5 月，历时 41 个月，共进行了 18 次全面观测。工作面地表布设一条走向观测线、两条倾向观测线、控制点 6 个。倾向观测线 B 布置测点 45 个，倾向观测线 C布置测点 46 个，走向观测线布置测点 113 个。综合计算所有观测数据可得 A 线最大下沉值为 487 mm、B线最大下沉值为 401 mm、C 线最大下沉值为 387mm。2.2401102 工作面监测设计2.2.1地表变形观测站布置根据 401102 工作面位置和地表地形情况，布设两条观测线，一条走向观测线和一条倾向观测线。同时，将 401101 工作面倾向观测线 B 进行延伸，覆盖401102 工作面下沉影响范围，作为两工作面公用的倾向下沉观测线。并且在沟壑区域布设一定数据监测点，监测沟壑下沉变化情况。观测点的布设情况如图 2所示。图 2观测点分布2.2.2掘进尺度根据历次观测时间进行井下回采尺度标记，结果如表 1 所示。3地表移动变形规律分析3.1下沉分析401101 工作面现存监测线主要包括倾向观测线B、C 和走向观测线 A。401101 工作面回采结束后，由于 401102 工作面的开采，导致 401101 工作面地表出现局部下沉和地裂缝。同时，观测线 B 为两工作面公用的倾向下沉观测线。401102 工作面地表布设走向监测线 Z 和倾向观测线 Q。3.1.1观测线 B 下沉分析倾向观测线 B 位于村庄道路沿线，且处于裂缝分布区域，因此造成中心区域急剧下沉。最大下沉量达到 3 098 mm，较上期未产生明显变化，下沉量超过200 mm，下沉区域位于 B08 至 B30 观测点之间。401101 工作面开采后全面观测时，下沉量较为平稳，2022 年 7 月份开始出现较大下沉，较于上期，约下沉1 470 mm，401102 工作面开采后，工作面持续下沉 1观测时间 观测内容 回采尺度(m)2022.7.16 101 监测点观测 2022.9.2 监测桩埋设 1 065.25 2022.9.24 全面观测 1 144.85 2022.11.14 全面观测 1 320.4 2022.12.31 全面观测 1 485 2023.2.3 全面观测 1 623 2023.3.14 全面观测 停采 2023.4.10 全面观测 2023.5.13 全面观测 表 1工作面掘进尺度图 3倾向观测线 B 下沉折线图 4倾向观测线 C 下沉折线129-科学技术创新 2023.22图 8d10 下沉及移动曲线348 mm，位于 B20 监测点。观测后期，观测线 B 下沉逐渐趋于稳定，出现整体下沉偏移情况，见图 3。3.1.2观测线 C 下沉分析倾向观测线 C 与倾向观测线 B 平行，相距约 272m。结合 101 观测历史观测数据，进行倾向观测线 C 下沉计算。结果显示：101 工作面开采时下沉现象较为平缓。102 工作面开采后，中心区域急剧下沉，最大下沉量达到 2 307 mm，较上期未发生变化，下沉量大于200 mm 区域位于 C08 至 C30 观测点之间。相较于观测线 B，C 线整体下移情况更加明显，见图 4。3.1.3观测线 Z 下沉分析沿 401102 工作面走向布设走向观测线，观测线位置如图 2 所示。以初次观测时间 2022 年 9 月观测数据为初始数据进行计算，最大下沉量为 1 681 mm，较上期未发生明显变化，下沉量大于 200 mm 区域为Z011-Z041。在后续一段时间内，401102 工作面地表将会继续微量下沉。观测后期，各监测点下沉速度基本稳定，且处于较小值，工作面下沉基本达到稳定状态，见图 5。图 5走向观测线 Z 阶段下沉折线3.1.4观测线 Q 下沉分析倾向观测线 Q 最大下沉量为 1 802 mm，较上期 1 736mm 增大了 66 mm，下沉区域主要集中在 q008 至 q012 区域内。观测后期，已逐步达到稳定状态。3.1.5沟壑区域下沉分析针对沟壑边缘进行重点监测，在未采动区域布设 3 条沟壑监测线 JC1、JC2、JC3。根据观测数据计算结果，发现JC1 监测线最大下沉量为 1 304 mm，与上期数据相比未出现明显下沉。监测线 JC2 与上期数据相比未明显下沉。监测线 JC3 未出现下沉，处于地表轻微扰动。这表明地表已达到基本稳定状态，见图 6-7。3.2监测点下沉分析根据工作面开采进度选取关键监测点数据进行图 7监测线 JC1 下沉折线图 6沟壑监测线位置130-2023.22 科学技术创新图 12d05 下沉及移动曲线（工作面南侧）综合分析，选取 d10、d11、d12、d14 和 d05 进行数据分析，分为走向和倾向两个方向进行分析。3.2.1走向方向下沉分析由图 8-10 可知，d10 监测点自 2022 年 3 月初开始下沉，2022 年 7 月度过下沉活跃期，已完成快速下沉阶段，下沉速度逐渐减小，进入下沉稳定阶段，但仍会存在微量下沉，最大下沉量2 377 mm。d11 监测点自 2022年 5 月初出现微量下沉，当前下沉量 1 885 mm。截至目前，该监测点已达到下沉稳定阶段。d12监测点出现明显下沉，当前下沉量为 1 339 mm。3.2.2倾向方向下沉分析倾向方向选取 401102 工作面北侧的 d14 监测点和南侧的d05 监测点进行分析，监测点下沉曲线如图 11-12 所示。d14 和d05 所在倾向位置在 2022 年 5月份出现轻微下沉，开始地表变形，d14 监测点当前下沉量为786 mm，d05 当前下沉量为 1234 mm。观测后期，下沉已逐渐趋于稳定。4结论本文以孟村矿区为研究对象，通过在 401102 工作面建立观测站，进行了完整的观测，得到了相对较好的成果资料，获取了当前地质采矿条件下的地表移动变形规律。地表移动变形规律较为明显,总体符合一般沉陷规律。观测线 B、C、Z、Q 在观测后期均已达到稳定状态。下沉为开采引起的土地和水资源破坏及矿区生态恢复等工作提供了图 9d11 下沉及移动曲线图 10d12 下沉及移动曲线图 11d14 下沉及移动曲线（工作面北侧）131-科学技术创新 2023.22Deformation Monitoring of SurfaceSubsidence During Multi Face MiningMa Xiaoqiang,Xue Zhiqiang,Yang Zhao,Yin Guodong,Wei Bohu（Shaanxi Binchang Mengcun Mining Co.,Ltd.,Xianyang,China）Abstract:The traditional surface subsidence monitoring in mining areas is mostly aimed at the miningprocess of a working face,and there is no Deformation monitoring monitoring of the ground movement nearthe mining face when the working face is mining.By setting up a surface monitoring station near the workingface,using GNSS control measurement and continuous operation monitoring measurement methods,we obtaindata on the movement and deformation of the surface during the current mining process of the working faceand the adjacent goaf.We study the surface settlement and rock movement patterns caused by the miningprocess of multiple working faces in the mining area,and provide safety guarantees for the protection ofsurface buildings and relocation during the mining process of the mining area.Taking the 401102 and401101 working faces of Mengcun Mine as examples,combined with the subsidence monitoring results of the401101 working face,the surface changes during the mining process of the 401102 working face wereobserved.The layout,observation methods,and rock deformation laws of the rock movement observationstation were studied,and the movement and subsidence of the surface and goaf of the working face wereobtained.The movement and deformation laws of the mining area surface and rock layers were summarized.Key words:mining settlement;rock displacement observation;multiple working faces;surface deformation科学依据，对指导煤矿安全生产有重要的实际意义。参考文献1王小凤,赵迎春.大采高采煤工作面地表岩移规律研究J.能源与环保,2020,42(8):199-203.2郑宝仁,杨帆.五盘区首采工作面地表岩移规律方法研究J.测绘与空间地理信息,2019,42(11):209-212.3方茜.大采宽大采深综放工作面地表移动变形规律分析J.煤,2020,29(3):82-84.4谷拴成,孙魏,李金华，等.采空区地表移动变形规律研究J.煤炭技术,2019,38(5):9-11.5胡晓燕,陈建华.忻州窑矿 8308 工作面岩移变化测量规律研究J.西部探矿工程,2021,33(1):103-107.6杨小明.蛤蟆沟煤矿 30104 工作面地表岩移及变形规律分析J.能源与节能,2021,187(4):45-47.7彭志伟.赵庄井田五盘区地表岩移规律研究J.化工管理,2019,531(24):76-77.132-