鸿兴煤矿29106工作面开采地表沉降量观测研究_李鹏.pdf

煤矿开采过程中伴随着岩层移动和变形，造成了地表一定程度的沉陷。掌握地表移动的规律对于防治地表沉陷具有重要的意义。为了保护地表上的建筑物、水体和铁路等设施的安全，必须要合理地设计保护煤柱，这就需要用到地表移动的一些参数。为了研究和掌握山西古县西山鸿兴煤业有限公司 29106 回采工作面开采引起的地表移动变形基本规律，获取该矿区内铁路、公路、水体以及工业民用建筑物保护煤柱留设参数，指导各种受护对象的保护煤柱设计，于 2018 年 12 月至 2021 年 6 月，在 29106 工作面上方地表设计建立剖面线形式的开采沉陷观测站，通过监测其变形破坏，研究鸿兴煤矿采煤引起的地表沉降数值。1概况山西古县西山鸿兴煤业有限公司井田位于古县北平镇上、下宝丰村一带，井田呈一不规则多边形，南北宽 3.58 km，东西长 3.915 km，面积为6.543 4 km2。井田南距古县县城约 65 km，西南距洪洞发煤站约 97 km，内有土石路与县级公路相通，至北平镇可与 323 省道相接，交通运输条件便利。鸿兴煤业 29106 回采工作面地面位于该矿区西南部，工作面总体为一单斜构造，煤层倾角为 2鸿兴煤矿 29106 工作面开采地表沉降量观测研究李 鹏（六盘水市应急管理局，贵州 六盘水553000）摘要：在煤矿开采形成采空区后，地表会发生移动，为了对地表沉陷区进行治理，必须要掌握地表沉陷的规律。本文以鸿兴煤矿为研究对象，通过在 29106 工作面建立走线观测站和倾向观测站，获得了地表沉陷数值。分析研究表明，在走线方向上和倾向方向上的地表下沉曲线存在一定的差异，走向下沉最大值为 2 112 mm，倾向下沉最大值为 1 222 mm；地表岩层移动具有明显的时间效应，持续了 810 d。研究成果为地表沉陷区治理提供了基础数据。关键词：煤矿开采；地表沉降；岩层运动中图分类号：TD173文献标识码：B文章编号：2095-5979（2023）05-0058-04Observation and research on surface subsidenceof No.29106 Face in Hongxing MineLi Peng(Liupanshui Emergency Management Bureau,Liupanshui 553000,China)Abstract：After the formation ofgoafin coal mining,the surface will move.In order to control the surface subsidence area,we must grasp the law of surface subsidence.This paper took Hongxing Mine as the research object,and obtained thesurface subsidence value by establishing the trend observation station and the inclination observation station in No.29106face.The analysis and research showed that there were some differences in the surface subsidence curve in the direction oftrend and the direction of inclination.The trend maximum subsidence was 2 112 mm,and the inclination maximumsubsidence was 1 222 mm.The surface strata movement had obvious time effect and lasted for 810 days.The researchresults provided basic data for the management ofsurface subsidence area.Key words：coal mining;surface subsidence;strata movement责任编辑：张彤DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.014作者简介：李鹏（1986），男，河南鹤壁人，高级工程师。引用格式：李鹏.鸿兴煤矿 29106 工作面开采地表沉降量观测研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：58-61，65.地 测 与 水 害 防 治Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 2023582023 年第 5 期6。回风顺槽、运输顺槽各存在 2 处褶曲，褶曲倾角均小于 5，对工作面回采影响不大。断层较少，除 F40、F42 断层，其余规模一般不大。发育有陷落柱。根据回采工作面坑透、物探成果资料显示，该工作面同层存在 3 处物探高阻异常区、4处物探低阻异常区，经钻探验证均为正常煤层，暂未发现隐伏陷落柱情况。临近轨道巷、运输、回风顺槽等顶板为 K2 灰岩，坚硬，存在裂隙较少，推测该面顶板节理不发育（间距在 1 m 以上），按面裂隙率分类属弱裂隙性，但顶板易破碎。井田内未发现岩浆岩。井田构造属于简单类型。29106 工作面采用走向壁综采放顶煤方法，全部垮落法管理顶板。在煤层开采过程中，相邻工作面的采动情况对其影响较大，不可忽略，其往往导致下沉值偏大，或者盆地中心偏移等，也可能使给采动带来一些突发事件和造成采动移动过程参数变化等。29106 工作面东北为矿井 9 号煤集中轨道巷；东南为实体煤区域，未进行过开采；其它区域为矿井保安煤柱。工作面四邻无采空区、小窑破坏区、煤层露头等。9 号煤上覆 3 号煤层为小窑采空区，层间距平均 76.6 m，如图 1 所示。2地表观测站的布置2.1观测站设置地表移动观测站设计所用的开采沉陷参数有走向移动角、倾向下山移动角、倾向上山移动角，移动角修正值、及最大下沉角 等。地表移动观测站设计时所用到的开采沉陷参数，结合晋城矿区各矿地表开采沉陷实际观测资料确定，尤其是 29106 开采时地表的观测资料。地表移动观测站设计的开采沉陷参数取值如下：基岩移动角（走向，倾向上山，倾向下山 ），其中=72，=72，=68；表土层移动角=45；移动角修正值（走向，倾向上 山，倾 向 下 山 ），其 中=20、=17、=20；煤层倾角=4最大下沉角=84.4；走向充分采动角3=19。根据实地考察和分析研究，并参照结合晋城矿区各矿地表开采沉陷实际观测资料，设置 29106 工作面的观测站。各观测线的总长度和点数见表 1，观测站的具体位置如图 2 所示。如图 2 所示，观测站布设为 2 条观测线，每条观测线一端设置 1 组控制点，控制点距离采空区边界的水平距离都大于 0.7 H（H 为开采深度）。2.2实际测点构造及埋设工作测点间距离为 20 m。观测站的控制点和工作测点采用混凝土灌注埋设。测点规格和埋设要求如图 3 所示。在进行灌埋时，首先，在标记的位置挖 1 个深度不小于 0.6 m 的深坑，坑的尺寸取决标记的大小，通常是直径 0.20.3 m的圆；然后，将预制的标准混凝土桩埋入到坑内，并将坑周围用混凝土填图 129106 工作面位置示意Fig.1 The location ofNo.29106 Face表 1 观测线长度和点数Table 1 Observation line length and points观测线Z1Q1合计备注总长度/m1 1245982 040控制点数224监测点数573188测点总数593392在观测站施工时，由于地形的差异使得一些区域布置观测站比较困难，可以对部分观测点的间距进行适当的调整图 229106 工作面地表观测站布设Fig.2 The surface observation station layout ofNo.29106 Face图 3测点设计标志示意Fig.3 The design symbol ofmeasuringpoint19 599 50019 599 75019 600 00019 600 2504 043 7504 043 5004 043 25019 599 50019 599 75019 600 00019 600 2504 043 7504 043 5004 043 250实体煤区域9 号煤集中轨道巷29106 运输顺槽29106 运输顺槽29106工作面注：采用 CGCS2000 国家大地坐标系，1985 年国家高程基准，高斯投影 6带N29106工作面工作面范围沉降观测点2040204070301520李鹏：鸿兴煤矿 29106 工作面开采地表沉降量观测研究59煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷实。在进行测量时，以混凝土桩的中心点作为观测的标志点。根据地形情况测点也可以采用木桩，木桩长 50 cm，直径 5 cm，木桩上钉上小钢钉，小钢钉长 3 cm，直径 2 mm。3观测内容及方法地表移动观测站建立后，要分别进行与观测矿区控制网连测、全面观测等测量工作，由于受地形影响，使用的仪器及测量内容见表 2。地表移动观测站建立后即要进行观测，在开采过程中不同的时间内进行不同的观测内容，观测时间和次数可按采动前、移动初始期、移动活跃期和移动衰退期阶段安排，具体见表 3，如工作面推进有变化，应按实际情况进行调整。表 2 地表变形观测站所使用的仪器及测量内容Table 2 The instruments and measurement contents used in surface deformation observation station仪器名称全站仪GPS仪器等级型号GPT3002天宝双频仪器精度测角精度 2 测距精度 2 mm+2 ppm静态平面精度 5 mm+1 ppm 静态高程精度 1 cm+1 ppm测量内容与矿区控制网连测全面测量与矿区控制网连测全面测量观测数据的处理步骤如下。（1）观测成果的检查和计算。每次观测后应及时进行检查。如发现粗差或超限，应及时重测，直至全部观测数据符合要求为止。各点高程计算时先进行平差，然后计算高程，并将所得的各点的高程填入综合计算表中。各点间沿观测线方向的水平距离由实测数据加入各种距离改正后求得。（2）各观测点的三维坐标计算。开采沉陷观测站的所有控制点和监测点，每次外业观测完成后，其点位坐标及高程运用测量平差软件进行计算，检查其计算精度符合技术规范要求。经平差计算得出各监测点的三维坐标（x，y，H）。（3）观测资料整理的主要目的是求得各测点的下沉变形，可由 2 次不同的水准测量或三角高程测量的高程差来计算。（4）地表点移动变形计算。观测数据经过整理改正后，便可计算观测线上各测点和各测点间和沿测线方向的变形。m 次观测时 n 点的下沉可用下式计算：式中：Wn为地表点的下沉值；Hn0和 Hnm分别为地表 n 点在首次和 m 次观测时的高程。4观测结果分析29106 工作面地表下沉规律曲线如图 4 所示。由图 4（a）可以看出，走向观测 Z 线最低点地面标高为 1 204.775 m，最高点地面标高为表 3 地表移动观测站观测时间及观测内容Table 3 The observation time and observation content ofsurface movement observation station观测次序123456观测时间设站后 1015 d（点位稳定后）采动影响前（下沉值小于 10 mm）地表移动初始期（地表下沉值达到10 mm时）地表移动活跃期（每月下沉大于 50 mm时）地表移动衰退期（每月下沉小于 50 mm时）地表移动稳定后观测内容连接测量移动前的全面观测、巡视测量日常观测工作日常观测工作日常观测工作全面观测观测要求按 GPSD级联测控制点（观测站控制点联测）独立观测 2 次，两次观测时间间隔小于 5 d，高程采用水准测量。要求：同一点坐标两次较差小于 30 mm、高程差小于 10 mm观测精度同首次观测精度同首次观测精度同首次观测精度同首次Wn=Hn0-Hnm（1）（a）走向（b）倾向图 4下沉曲线Fig.4 The sinkingcurve-1 800-1 200-6006001 2001 8000.01 4001 20029106 工作面 Z线下沉曲线0100 200 300500 600 700 800 9001 000 1 100至起点距离/m29106 工作面 Q线下沉曲线4008001 2001 600-1 600-1 200-800-4000.0至起点距离/m050 100200 250 300 350 400500 550 6001 4001 200602023 年第 5 期由图 4 观测 Z 线 Z39 号点的下沉速度及下沉曲线图分析可得，从 2019 年 2 月开始回采 20106工作面，从此时开始计入下沉开始阶段，地表移动下沉量主要集中在活跃期，衰退期还未结束。移动初始期（TC）为地表点开始下沉至下沉速度 50 mm/月（1.67 mm/d），TC=14 d；移动活跃期（Th）为地表点下沉速度大于等于 50 mm/月（1.67mm/d），Th=330 d；移动衰退期（TS）为地表点连续 6 个月下沉量小于 50 mm/月（1.67 mm/d）且下沉累计不超过 30 mm 时止的阶段，TS=466 d；移动总延续时间（TZ）为 810 d。Z39 号点最大下沉速度发生在 2019 年 6 月和2019 年 10 月，在此期间该点平均最大下沉速度为12.591 7 mm/d。按 Z39 号点求取的最大下沉速度Vm=89.272 7 mm/，Z39 号点在移动期内的最大下沉值 Wm=2 112 mm，Z39 号点的采深 H=275 m，该工作面总共长 740 m，共计开采 900 d，由此求得下沉速度系数为 1.996。1 386.836 m，最大相对高差 182.061 m，相比观测线长度，其地势起伏相较大。随着工作面的推进，地表下沉逐渐增大，到第 8 次观测地表最大下沉在Z39 处达到 2 112 mm，在第 8 次观测范围内出现了基本稳定平底，说明走向方向达到充分采动，整体曲线规律性较好。由图 4（b）分析及观测数据计算可知，倾向观测 Q 线最低点地面标高为 1 229.481 m，最高点地面标高为 1 357.417 m，最大相对高差 127.936 m，相比观测线长度，其地势起伏相较小。大部分在采空区范围内沉陷值最大，到第五次观测地表最大下沉在 Q17 处达到 1 222 mm，整体曲线规律性较好。选择 29106 观测站观测资料较为完整且有代表性的位于观测 Z 线 Z39 号测点作为下沉速度计算点，计算结果见表 4。按表 4 计算结果制作该点的下沉速度和下沉过程曲线，如图 5 所示。表 4 29106 观测站 Z 线 Z39 号测点下沉速度计算Table 4 Calculation ofsinkingvelocityofZ39 measuringpoint on Zline ofNo.29106 observation station12345678图 5观测 Z线 Z39 号点的下沉速度及下沉曲线Fig.5 The sinkingvelocityand sinkingcurveofobservation Zline Z39 point2018.122019.042019.062019.102020.062020.092021.042021.062019.022019.052019.082020.022020.072021.012021.0501065072 0182 0752 0502 0782 112120601202409021060106.00401.001511.0057.0025.0028.0034.000.88336.683312.59170.23750.27780.13330.5667-156.489 2-67.596 90109.842 4419.582 1533.493 3序号日期下沉值w/mm天数间隔/d下沉值间隔差下沉速度LW/mmV/（mm d-1）/m151296305001 0001 5002 0002 500下沉速度/（mm d-1）下沉速度曲线6004803602401201/m-120-240-360-480-600下沉值/mm开始阶段 14 d移动过程总时间 810d衰退阶段 466 d活跃阶段330 d1.67 mm/d（下转第 65 页）李鹏：鸿兴煤矿 29106 工作面开采地表沉降量观测研究下沉曲线至工作面距离612023 年第 5 期（1）根据深部开采厚隔水底板的突水量变化和底板破坏特征，将作用于底板的应力扰动模式细化为远场基本顶失稳的动载荷和近场支承压力的静载荷扰动模式两类，前者底板突水量随支护载荷和推进速度的变化呈现出明显的突变增加，后者无明显的矿山压力显现。（2）深部开采厚隔水层底板破坏模式为采动裂隙与底板深部隐伏构造和贯穿断层直接沟通奥灰含水层破坏模式，前者最大突水量在较长时间内达到低值，而后者在较短时间内达到较高的最大值。（3）提出了以“地面水平分支孔底板注浆加固+切顶卸压”为主的深部开采底板突水防控技术，现场开采实践防控效果较好。参考文献：1 施龙青，韩进.底板突水机理及预测预报M.北京：中国矿业大学出版社，2004.2 李浩，白海波，武建军，等.循环荷载下完整底板导水通道演化过程研究 J.岩土力学，2017，38（S1）：447-454.3 尹尚先，王屹，尹慧超，等.深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术J.煤炭学报，2020，45（5）：1 855-1 864.4 尹立明，郭惟嘉，路畅.深井底板突水模式及其突变特征分析J.采矿与安全工程学报，2017，34（3）：459-463.5 鲁海峰，孟祥帅，张元，等.采场底板层状结构关键层隔水性能力学分析 J.中国矿业大学学报，2020，49（6）：1 057-1 066.5结语通过建立的 29106 工作面的走向和倾向观测站，获得了回采期间的岩层移动规律。观测结果表明，地表的下沉值较大，且岩层运动时间较长，这对于地表建筑物十分不利。为此，在开采过程中，必需要做好地面采动区设施的保护工作。参考文献：1 张海君，吴奕枢，王飞，等.准格尔煤田龙王沟煤矿特厚煤层综放开采地表沉陷规律 J.西安科技大学学报，2022，42（5）：874-883.2 张晓岩，路鑫.S1306 工作面开采沉陷“天-地”协同监测方案研究J.煤，2022，31（9）：55-57，73.3 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页）曹秀森：转龙湾煤矿煤层冲刷带的解释方法研究65