沁水矿区综放开采地表动态沉陷实测规律研究_牛海军.pdf

沁水矿区综放开采地表动态沉陷实测规律研究牛 海 军（晋能控股煤业集团 翼城晟泰青洼煤业有限公司，山西 翼城 043500）摘要：沁水县是山西省重要的煤炭生产区域之一，地处丘陵山区，综放开采容易造成严重的地表沉陷。为了掌握该区域综放开采地表沉陷动态规律，以晟泰青洼煤业有限公司 2103 综放工作面为研究区域，建立走向和倾向观测线各 1 条。采集 18 期地表移动数据，通过分析获得了该研究区域地表下沉值、下沉速度、超前影响角、最大下沉速度滞后角、最大下沉速度预计系数等地表沉陷动态参数。最后总结了山区煤矿综放开采的地表沉陷特征与防治建议。研究成果可为该区域的矿区生态治理与三下安全开采提供技术支持。关键词：山区开采沉陷；地表移动规律；地表动态移动参数；最大下沉速度预计系数中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0040-05Study on measurement law of surface dynamic subsidence in fully mechanizedcaving mining in Qinshui Mining areaNIU Haijun（Yicheng Shengtai Qingwa Coal Industry Co.LTD,Jineng Holding Coal Group,Yicheng043500,China）Abstract：Qinshui County is one of the important coal production areas in Shanxi Province.It is located in hilly and mountainous areas,andfully mechanized caving mining can easily cause serious surface subsidence.In order to master the dynamic law of surface subsidence in fullymechanized caving mining in this area,taking the 2103 fully mechanized caving face of Shengtai Qingwa Coal Industry Co.,LTD as the studyarea,a strike line and a tendency observation line were established.The data of 18 periods of surface movement were collected,and thedynamic parameters of surface subsidence in the study area,such as surface subsidence value,subsidence velocity,leading influence Angle,maximum subsidence velocity lag Angle,and maximum subsidence velocity prediction coefficient,were obtained through analysis.Finally,thesurface subsidence characteristics and prevention suggestions of fully mechanized caving mining in mountain coal mines are summarized.Theresearch results can provide technical support for the ecological governance and safe mining of the mining area.Keywords:mountain mining subsidence；law of surface movement；surface dynamic movement parameters；predicted coefficient ofmaximum subsidence velocity0引言我国有 30%左右的矿井位于山区，山区煤矿开采造成的地表移动具有规律特殊，采动损害维护困难等特点。长期以来，山区地表移动规律受到了大量学者的研究。主要分为山区地表移动规律、山区开采沉陷监测、山区地表移动模拟分析、山区开采沉陷预计等方面，取得了较好的研究效果。康新亮 1 等对多种地质采矿因素复合影响下开采沉陷规律进行了分析，冯军2分析了 4 个晋城矿区地表移动观测站实测数据,获得了地表下沉、水平移动曲线特征规律,求取了、，等岩移参数及该矿区q、b、tan，s等预计参数。凌源3总结了正、反坡，凹、凸坡 4 种典型地貌模型,获得了不同地貌类型的开采沉陷和变形分布曲线。胡琪、吴立新4,5等则对不同地形条件下的开采规律进行了对比分析，取得较好效果。侯新春、陈祖玺6,7则研究了山区开采沉陷的 GPS 监测方法和数据处理方法，为规律分析奠定了数据基础。杜强，龚云6,7等则采用数值模拟的方法，研究了普通山区和黄土山区的开采沉陷规律，通过FLAC3D数值模拟分析，获得了单一斜坡、凸形和凹形组合斜坡条件下地表侧向滑移引起的水平移动和下沉分布特征。赵博10将用于急倾斜煤层预计的皮尔森型函数与山区地形相结合，开发了一种山区沉陷预计程序。周棒11、分析了山区地表沉陷预计结果的影响因素，分析了主要影响角正切对沉陷的影响效果。汤伏全12分解了山坡条件下的单元体积变形，通过叠加思想研究了黄土山区开采沉陷预计问题。韩奎峰13搜集分析了山西 14 个具有代表性的地表移动观测站数据，求出了统一的预计参数。王雪英14分析了多种地质采矿因素对山区开采沉陷的影响，利用 BP 神经网络建立开采沉陷预计模型。梁明15分析了山区地表移动观测站数据，利用影响函数叠加法确定出预计参数，达到较好的实验效果。从现有研究成果来看，针对沁水矿区的研究内容不多，对山区综放开采地质采矿条件下的开采沉2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷40DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.017陷规律研究也不充分。目前大多数研究均为采动结束后地表移动稳态分析，对开采沉陷动态过程中的具体参数求取不充分，规律研究不够。为了弥补上述问题，开展沁水矿区综放开采地表沉陷动态实测规律研究，为沁水矿区三下采煤生产提供技术支持。1研究区域概况1.1观测线布设井田位于沁水煤田西南边缘、中条山隆起的东北部，区内地形复杂，沟谷多为“V”型谷。井田内总体地势为中部高，北部及东南部低。最高点位于井田中部山梁处，海拔标高+1 326.7 m，最低点位于井田西北角 32 号钻孔附近的河谷内，海拔标高+1 080m，最大相对高差 246.7 m。地貌属侵蚀山地，为中山区。观测站布置位于 2103 工作面停采线附近，2103工作面走向长 455 m，倾向长 140 m，走向为充分采动，倾向为非充分采动。工作面煤层倾角 5，采厚4 m，平均采深 300 m，2105 工作面在 2103 工作面采动结束后开采，不影响观测数据。图 1地表移动观测区域及布线方式由图可知，地表布设倾向观测线 Q 与走向观测线Z，结合地表移动观测站布设要求，设置测点情况为：表 1观测线上的控制点和工作测点个数1.2地表移动观测地表移动观测分为连接测量、全面观测、日常观测等步骤。本观测站各个测点于 2018 年 12 月完成测点放样，并埋设观测桩，2019 年 1 月开展控制及连接测量。联测时，采用观测站中的 RZ2、RZ3、RQ2与矿井办公楼（BGL）、宿舍楼（SSL）、调度楼（DDL）顶的 3 个控制点联测，6 台 GNSS 接收机同步观测。获得了各个控制点的三维坐标。由于，测区地形起伏较大，全面观测和日常观测均采用 RTK 开展，每次采集 10 次坐标，取固定解平均值。在采动过程中开展 18 次测量，取得了丰富的动态地表移动观测值，为规律分析奠定了坚实数据基础。2数据分析与处理2.1计算下沉值和下沉速度下沉值是指开采后地表观测点高程变化量，用mm 表达。下沉速度指高程变化的快慢，用 mm/d 表达。下沉速度也可以理解为，在某一观测时期内，观测点平均每天下沉量。下沉值和下沉速度，计算公式如下：1）第 m 次观测 n 号点的下沉值。Wn=Hn0-Hmn（1）式中，Wn为地表第 n 号点的下沉（单位：mm）；Hn0、Hnm为为采前和第 m 次观测时 n 号点的高程。2）地表点的下沉速度。观测点的下沉速度计算公式如下：vn=wm+1-wmt=Hm+1-Hmt（2）式中:wm+1为 n 号点第 m+1 次观测下沉量，（mm）；wm为 n 号点第 m 次观测下沉量（mm）；t为 m 到 m+1次观测的时间间隔。Hm+1、Hm为 n 号点第 m+1、m 次观测高程（mm）。从 18 期观测值中取出具有代表性的 6 期，在下沉值前加负号，绘制为下沉曲线，见图 2；下沉速度曲线，见图 3。（a）Z 线下沉曲线图（b）Q 线下沉曲线图图 2下沉曲线图2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷编号控制点（个）工作测点（个）合计（个）Q32629Z32225合计6485441（a）Z 线下沉速度曲线图（b）Q 线下沉速度曲线图图 3 下沉速度曲线图从图中可知，2019 年 9 月2019 年 10 月为观测线下沉较为活跃的时期，地表最大下沉速度大于40 mm/d,该时期采矿活动在观测线正下方开展,作为研究的重点时期。2.2地表移动动态规律从井下开采到引起地表下沉，有明显的时间过程和空间过程，随着工作面推进，一般该点需要经历启动、剧烈下沉在到缓慢停止的步骤。地表任意点 A的移动轨迹见图 4。地表点 A 的移动可以分为如下阶段：如图 4 所示，将井下工作面推进程度分为、5 个步骤，A 点的位置分别为,。步骤，工作面从远处推向 A，工作面靠近A 的过程中引起 A 点下沉，工作面从推进到过程中，A 点下沉速度逐渐加剧，移动方向指向工面推进的反方向，到达位置。图 4 地表点位移轨迹动态分解示意图步骤，工作面推进到 A 点正下方。从步骤到步骤，A 点的下沉速度继续加剧，到步骤时，A 移动方向转为垂直向下，下沉速度达到最大下沉值，到达位置。工作面从步骤推进到步骤过程中，下沉速度逐渐回落，移动方向转为与推进方向同向，到达位置。工作面从步骤推向步骤过程中，工作面远离观测点，测点下沉逐渐停止，最终停在偏停采线一侧，到达位置。A 点下沉时伴随着水平方向位移，其移动轨迹为 C 字型，在相同地质采矿条件下，工作面推进越快，轨迹越平直，反之越弯曲。观测线上最大下沉点为 Z01，将其实测的动态下沉数据进行详细分析，可以获得该点随着时间推移变化的动态曲线图，见图 5。在最大下沉点动态变化曲线图中，有 3 种变化值，分别为下沉速度值（坐标轴位于左侧上部）。下沉值（坐标轴位于左侧下部）和工作面距离测点的水平距离值（坐标轴位于右），横轴为观测时间。通过该图可直接获得超前影响距，最大下沉速度滞后距，地表移动持续时间等动态过程。超前影响距为测点下沉 10 mm 时，工作面距该点的水平距离，从图上可知，该值为 125.908 m。最大下沉速度滞后距为最大下沉速度发生时，工作面距测点的水平距离，该值为 147.5 m。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷图 5最大下沉点 Z01 动态变化曲线图42根据图 5 数据和采矿过程分析得到，直到 2019年 6 月 20 日，Z01 发生 10 mm 下沉，标志该点进入启动期，19 d 以后，该点下沉速度达到 1.67 mm/d，随后下沉速度不断攀升，直到达到最大下沉速度41.19 mm/d 后，开始回落，直到 2019 年 12 月 17 日，下沉速度回落至 1.67 mm/d 以下，地表移动进入衰退期。通过统计，地表移动启动期为 19 d，活跃期为161 d，衰退期为 181 d。2.3地表移动动态角量参数2.3.1超前影响角如图 4，当工作面未推进至 A 点正下方时，A 点便已开始下沉。开采引起推进方向前方地表下沉的现象为超前影响现象。在断面图上，将工作面位置与前方下沉 10 mm 的测点连线，该连线与水平线所夹锐角即为超前影响角。井下推进速度越快，越大。采空区面积从非充分采动程度向充分采动程度扩大过程中，值减小。采空区面积达到充分采动后，逐渐稳定。采动结束后，演化为边界角。从观测数据中获得开采位置的超前影响观测点，在断面图上做出超前影响角，见图 6。该角度随着推进速度的增加而增加，取图中各个角度的平均值 69.5作为该工作面开采的超前影响角。图 6超前影响角2.3.2 最大下沉速度滞后角如图 4，最大下沉速度发生时，工作面已经推过了 A 点正下方一段距离，最大下沉速度时刻滞后于工作面推进位置的现象为最大下沉速度滞后现象，该距离为最大下沉速度滞后距。当 Z01 最大下沉速度 41.19 mm/d 发生时，工作面距离测点的水平距离为 147.5 m。在该时刻，于断面图上，将 Z01 与工作面所在位置连线。该连线与水平线所夹锐角即为最大下沉速度滞后角。该值与覆岩硬度系数、工作面推进速度、开采深度与开采厚度比值成反比。本工作面开采最大下沉速度滞后角为 59，分析结果见图 7：图 7最大下沉速度滞后角2.4最大下沉速度预计参数分析由三下开采规范，最大下沉速度预计计算公式如下：V0=KWcmCH（3）式中：K为为待求参数；Wcm为单煤层开采最大下沉值；C为工作面推进速度；H为平均开采深度。由地表移动观测值及地质采矿资料，本研究区域最大下沉值为 1 771 mm，工作面推进平均速度为2 m/d，平均开采深度为 300 m，最大下沉速度为41.19 mm/d，求得系数K为 3.5。一般非山区，非充放开采条件下，K值为 1.52.5 之间，可见本研究区域该值偏大。分析其主要原因为，山区和综放开采2 种地质采矿条件叠加，加剧了地表移动。2.5山区综放开采地表沉陷特征与防治综放开采属于采动强度较大的生产活动，从实测数据分析，在地表移动活跃期，沉降迅速，其主要特征如下：1）由于采用大采高综放开采，形成的采空区高度较高，造成顶板岩层充分垮落，引起地表下沉速度较快。2）山区地形起伏较大，在基岩层快速下沉时，表土层和基岩层接触面容易形成滑动面，导致地表滑移，在土体滑动过程中，由于拉伸应力与挤压应力分布不均匀，从而引起地表裂缝。经过调研，在观测线附近分布了数十条地表裂缝。山区综放开采，地表沉陷防治措施建议如下：1）如果采空区上方分布有建（构）筑物，应及时监测，维护或留设保护煤柱，确保三下采煤生产顺利2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷43（上接第 39 页）4）进一步优化了超前卸压钻孔布置，将超前卸压钻孔由 5 个增加至 7 个，孔深 30 m，保证超前卸压保护带不低于 15 m，同时将两侧钻孔角度由外撇15调整为 30，降低了外撇钻孔对巷道支护强度的影响。5）巷道距离贯通剩余 40 m 处，因超前钢管搭设不及时，受顶板来压影响，出现下沉现象，最大下沉达到 150 mm，进行了挑顶找平处理。需深刻汲取本次贯通顶板下沉经验教训，贯通巷道必须及时搭设超前钢管，避免直接顶煤层留不住情况出现。参考文献：1 齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术M.中国矿业大学出版社，2008（3）：23-25.2 潘俊锋，毛德兵，等.冲击地压启动理论与成套技术中国矿业大学出版社.2016.3 夏永学，潘俊锋，王元杰，等.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究J 煤炭学报，2011，36（2）：239-244.第一作者简介：肖自义（1967-），男，山东郓城人，1990 年毕业于黑龙江矿业学院，采矿工程专业，本科，教授级高工，研究方向：冲击地压。（收稿日期：2022-11-8）进行。2）在埋藏较浅的煤层上方开采，地表裂缝容易与井下工作面导通，为了防止煤层气、瓦斯等气体出露地表，或地表水导入井下，当发生地表裂缝后需及时回填。3总结与展望为了给沁水矿区“三下”采煤，环境保护等提供技术支持，采用野外实测的研究方法，对综放开采条件下，地表动态沉陷规律进行了详细探讨，主要研究工作总结如下：1）建立了 2103 综放工作面岩移观测站，采集了多期沉陷区地表移动数据，绘制了下沉曲线，下沉速度曲线等观测成果。2）求取了该研究区域，动态地表移动参数，超前影响角为 69.5，最大下沉速度滞后角为 59，地表移动启动期为 19 d，活跃期为 161 d，衰退期为181 d，最大下沉速度预计系数K为 3.5。3）总结了山区综放开采地表沉陷特征与防治措施，研究成果可为类似矿井的三下采煤生产提供技术支持。参考文献：1 康新亮，蔡音飞.多种地质采矿因素复合影响下开采沉陷规律分析J.矿业安全与环保，2021，48（4）：75-80.2 冯军.山区采动地表沉陷规律及应用研究D.中国矿业大学，2016.3 凌源.黄土山区多工作面开采沉陷规律研究D.西安科技大学，2016.4 胡琪.不同地形条件地下开采引地表移动与变形的对比分析D.太原理工大学，2014.5 吴立新，黄绍东，胡世彬，王卫东.山区厚硬覆岩条件下采动损害特征J.水文地质工程地质，1994（3）：35-38.6 侯新春.GPS-RTK 在山区开采沉陷中的应用研究J.山西焦煤科技，2011，35（9）：25-27+30.7 陈祖玺.山区开采沉陷监测及数据处理方法研究D.西安科技大学，2013.8 杜强，徐孟强，汪春桃，赵为民.山区煤矿开采数值模型建立方法研究J.矿山测量，2017，45（6）：19-22，26.9 龚云，汤伏全.西部黄土山区开采沉陷变形数值模拟研究J.西安科技大学学报，2012，32（4）：490-494.10 赵博，梁乃森，吴初，等.基于 Matlab 的山区急倾斜煤层开采沉陷预计系统J.金属矿山，2020（3）：159-167.11 周棒，康建荣，胡晋山，等.主要影响角正切对山区地表移动预计结果的影响分析J.采矿技术，2019，19（2）：50-53.12 汤伏全，贺国伟.黄土山区地形对开采沉陷预计的影响研究J.煤炭工程，2015，47（10）：77-79.13 韩奎峰，康建荣，王正帅，等.山区采动滑移模型的统一预测参数研究 J.采矿与安全工程学报，2013，30（1）：107-111.14 王雪英.基于 BP 神经网络的山区开采沉陷预计D.太原理工大学，2010.15 梁明，王成绪.厚黄土覆盖山区开采沉陷预计J.煤田地质与勘探，2001（2）：44-47.作者简介：牛海军（1978-），男，山西省晋城市阳城县人，本科，工程师，现就职于晋能控股煤业集团翼城晟泰青洼煤业有限公司，从事地测防治水工作。（收稿日期：2022-9-15）2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷44