孟村矿首采工作面开采沉陷监测研究.pdf

收稿日期:2022 11 29作者简介:薛志强(1988-),男,陕西延安人,助理工程师,从事矿山测量与无人机遥感应用工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.019孟村矿首采工作面开采沉陷监测研究薛志强1,张艳超2,杨 钊1,殷国栋1(1.陕西彬长孟村矿业有限公司,陕西 咸阳 713600;2.陕西天润科技股份有限公司,陕西 西安 710054)摘 要:为了解决孟村煤矿开采沉陷及岩移参数问题,结合首采工作面进行监测点布设、沉陷监测和数据计算分析。总结了首采工作面地表沉陷规律,计算了地表沉陷岩移参数,包括边界角、移动角、充分采动角等,并获取了概率积分法预计参数。为后续工作面开采、保护煤柱留设和建构筑物保护提供了指导。关键词:开采沉陷;首采工作面;岩移观测中图分类号:TD175 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0068 04 煤炭是传统能源的主体,是重要的能源资源,在未来很长一段时间内,仍是我国的主体能源1-3。煤炭资源开采包括井工开采和露天开采,我国煤炭资源开采绝大部分属于井工开采,工作面在回采过程中必然造成上覆岩层不同程度的破坏,引起地表沉陷变形4-6,使得煤炭资源开发与地表建构筑物和环境保护之间的矛盾日益凸显。彬长矿区属于陕北重要的煤炭生产基地。煤炭资源的大规模开采,引起地表沉陷,从而影响建构筑物安全、造成滑坡和泥石流等自然灾害。因此,在工作面回采过程中对地表沉陷进行动态监测非常有必要。特别是新开采工作面的矿区首采工作面,因无参考数据,地表沉陷特征和损害分析更加重要。本文以孟村矿 401 盘区401101 工作面为研究对象,进行开采沉陷监测,该工作面为盘区的第一个工作面。通过地表沉陷过程监测、数据计算和变形分析获得首采工作面地表移动变形规律与岩移参数,为矿区“三下”开采和保护煤柱留设提供依据。1 工程概况孟村矿属于黄陇黄土层塬梁沟壑区,黄土层厚96170 m,地势西北高东南低,位于黄龙侏罗纪煤田彬长矿区中西部。煤层结构稳定,倾角 48,厚3.7026.3 m,平均厚 16.25 m,为单一可采煤层。矿井采用上、下分层综放开采工艺。401101 工作面可采长 2 090 m,倾向 180 m,回采煤层厚 10.512.0 m,平均 11.25 m,采用后退式走向长壁采煤法,全垮落法顶板管理,综放开采方法,机采高3.5 m,放煤高 7 m,采放比 1 2,回采至距离停采线30 m 处,开始不放顶煤,进入末采。2 监测方案设计地表沉陷监测方法设计主要参考矿井地形地质情况和煤层开采条件,设计和建立地表移动监测站。一般包括监测线位置、长度和监测站数量设计,地表沉陷监测线又分为走向监测线和倾向监测线。2.1 监测线位置监测线位置设置需结合孟村矿地质资料,且必须通过最大下沉角与基岩接触面的交点在地表的投影。经计算,最终确定走向观测线的位置向下山方向移动 37.5 m.本项目中根据工作面地表建筑物分布,为了更好地预防地表建筑物损坏,布设两条倾向观测线,两条观测线相距 250 m,距开切眼距离分别为 645 m、895 m.2.2 监测线长度走向观测线和倾向观测线长度一般应覆盖整体采空区,长度计算方法如图 1 所示。图 1 观测线长度计算示意 当遇到超长工作面,且长度大于开采深度的0.9 倍时,走向观测线可只设半条。为准确获取401101 工作面地表沉陷过程、分析地表移动规律,在走向方向布设完整观测线,长度覆盖沉陷盆地走向主断面;沿倾向布设两条观测线,长度覆盖移动盆地倾向主断面。经计算,走向观测线长 3 450 m,倾实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月向观测线(B 线、C 线)均为 1 562 m.2.3 监测点数目开采沉陷监测点沿观测线按一定密度分布,参考煤矿测量规程和矿区地质地形情况,结合开采深度和监测目的,确定监测点间距。首采工作面开采平均深度为 715 m,且地表地形复杂,具有一定坡度,确定以 30 m 间隔为监测点间距,共 204 个。2.4 监测线布设为有效保护地表建构筑物安全,结合实地情况,本项目将倾向观测线布设在村庄附近,贯穿村庄,实现对村庄的有效预警和保护,保证居民人身安全和减少财产损失,观测站实际埋设位置如图 2 所示。图 2 观测站实际埋设图3 数据采集及计算3.1 数据采集在工作面回采过程中,进行地表沉陷周期全面观测,采用 RTK 控制测量的方法测定监测点三维坐标,在地表沉陷的活跃阶段,应在关键区域加密观测。同时,全面观测应在 12 d 内完成,确保同期观测数据不受煤层开采的影响,保证数据的可靠性。项目组 2018 年 5 月2021 年 5 月进行 18 次全面观测,获取多组日常观测数据。3.2 移动和变形计算工作面地表开采沉陷监测数据计算内容主要包括下沉量计算、水平移动计算、相邻监测点倾斜量计算、监测点下沉速度计算等。在本项目中重点计算分析监测点的下沉量和水平移动量。1)下沉量。地面监测点下沉量监测时开采沉陷监测的重要内容,能够反应不同时期地表的下沉情况。参考公式(1)计算监测点下沉量,n 点在m 次观测时的下沉量为:n=H0m-Hmn(1)式中:n为 n 点的下沉值;H0m,Hmn为 n 点首次和m 次观测时的高程,mm.地表下沉影响范围随着工作面不断回采逐渐增大。当工作面回采完成后,上覆岩层经历一段时间自然垮塌,地表逐渐达到稳定,走向观测线监测点A51 下沉量最大,达到 487 mm.由图 3 可知,倾向方向地表下沉盆地中心向下山方向偏移。地表沉陷稳定后,倾向观测线最大下沉量,分别发生在 B20 和 C17 观测点,下沉量分别达到 401 mm、387 mm.图 3 倾向观测线下沉折线图 2)水平移动。水平移动监测是地表开采沉陷监测的重要内容,通过监测点的水平移动量反应地表水平移动变化情况,监测点计算参考公式(2),n 号点的水平移动量为:Un=(Xmn-X0n)cos+(Ymn-Y0n)sin1 000(2)式中:Un为 n 点的水平移动,mm;Xmn、Ymn为 m 次观测时 n 点的坐标;X0n、Y0n为首次观测时 n 点的坐标;为待求水平移动方向的方位角,.在地表稳定情况下时,走向观测线的最大水平移动发生在 A27 点附近,其值为 176.4 mm.倾向观测线上山侧的最大水平移动值分别在 B31 和 C27附近,其值分别是-128 mm、-132 mm;下山侧的最大水平移动值分别在 B11 和 C14 附近,其值分别是164 mm、177 mm.观测线各监测点的倾斜、曲率、水平变形、下陷速度最大变形值如表 1 所示。表 1 地表沉陷变形最大值参数A 线B 线C 线最大下沉值/mm487401387最大倾斜值/(mmm-1)3.53.6/-3.22.5/-3.0最大曲率/(10-3m-1)0.230.150.13最大水平移动/mm176.4-128/164-132/177最大拉伸水平变形/(mmm-1)3.01.31.6最大受压水平变形/(mmm-1)-3.5-3.4-2.3最大下沉速度/(mmd-1)3.32.82.84 结果分析4.1 采动过程地表沉陷沉陷特征1)下沉速度与沉陷过程。工作面回采过程中地表监测点的沉陷变形,经历了初始阶段、活跃阶段和衰退阶段,相应的监测点的下沉速度也经历了由小到大,达到最大值后逐渐减小至零。以走向观测线 A35 监测点为例进行计算,下沉量、下沉速度96第 9 期 薛志强,等:孟村矿首采工作面开采沉陷监测研究 与回采过程如图 4 所示。监测点在前期回采过程中,监测点下沉量和下沉速度均较小,地表沉陷处于初始阶段;随着回采通过监测点水平投影位置,下沉速度逐渐迅速增加,下沉量急剧增大,地表沉陷呈现活跃状态;在采空区上覆岩层经历一段时间塌陷后,下沉速度逐渐减小,下沉量增长缓慢,直至稳定,地表沉陷处于衰退阶段,地表沉陷趋于稳定。图 4 A35 下沉速度与下沉量关系图 在下沉的开始和衰退阶段,A35 号观测点每天的下沉速度0.5 mm,根据观测结果可以得出,其最大下沉速度为 1.7 mm/d.A35 号点在下沉活跃期下沉量为164 mm,占下沉总量的 64%,进一步显示地表下沉量在下沉活跃期最多。2)超前影响角。超前影响角指工作面前方地表开始沉陷变形的点与此时工作面位置的连线,与水平线在矿柱一侧的夹角。主要用来描述工作面回采过程中地表下沉的影响区域,对未开采区域地表下沉情况进行预先判断。首采工作面超前影响角根据观测数据计算为 81.2.3)最大下沉速度滞后角。最大下沉速度滞后角主要预测采空区最危险区域、下沉速度最大区域。通常以最大下沉速度滞后距离及最大下沉速度滞后角来表示。通过观测数据综合计算和分析,首采工作面最大下沉速度滞后角为 70.2.4.2 地表稳定后角值确定在开采沉陷监测数据计算分析中,可通过边界角、移动角、最大下沉角和充分采动角等角量参数,对工作面煤层开采导致地表出现的下沉盆地进行描述。1)边界角。边界角主要用来确定开采沉陷引起的地表沉陷边界,进而确定开采沉陷影响范围。但由于测量误差和季节变化,下沉值为 0 mm 的监测点难以确定,因此以下沉 10 mm 的监测点作为下沉盆地边界的判定依据。边界角一般采用沉陷边界点和采空区边界点的连线在采空区外侧水平线的夹角表示,上山、下山和走向的边界角依次用 0、0、0表示。经计算,首采工作面走向边界角为 75.8,上山综合边界角为 55.5,下山综合边界角为 52.4.2)移动角的确定。移动角是指在充分采动或接近充分采动的情况下,采空区边界和主断面上临界变形值所在点的连线与水平线在采空区外侧的夹角。临 界 变 形 值 采 用 地 表 倾 斜 临 界 变 形 值(3 mm/m)、曲率临界变形值(0.210-3/m)、水平变形的临界变形值(2 mm/m)进行判定,当变形值超过临界变形值时,可确定该监测点为移动变形边界。经计算,首采工作面的走向综合移动角 85.2,上下山方向综合移动角分别为 64.8和 82.4.3)最大下沉角和充分采动角。最大下沉角指在移动盆地的倾斜主断面上,采空区的中心点与地表最大下沉点的连线与水平线之间在矿层下山方向的夹角,可确定最大下沉点所在位置。经计算得最大下沉角为 84.4.充分采动角可以确定充分采动范围,指在充分采动下,地表移动盆地主断面上的移动盆地平底边缘在地面水平线上投影点与同侧的采空区边界的连线和煤层在采空区一侧的夹角。经计算,首采工作面充分采动角为 48.7.4.3 概率积分法预计参数确定概率积分法是我国目前常用的开采沉陷预计方法7-9,在概率积分法预计采动地表移动变形时,需要确定下沉系数、主要影响角正切值、水平移动系数、拐点偏移距和开采影响传播角 5 个预计参数。1)下沉系数是在充分采动条件下,由地表出现的最大下沉值与平均开采厚度之比来确定。通过综合计算,对比分析,最终确定首采工作面下沉系数处于 0.0350.048.2)主要影响角正切值反映覆岩岩性和采深关系的一个参数,与覆岩岩性有关,覆岩岩性越软,值越大;反之越小。经计算,主要影响角正切值为5.5.3)开采影响传播角揭示了倾斜主断面上最大下沉点处的下沉与水平移动之间的关系,首采工作面开采传播影响角为 83.4)拐点偏移距是在充分采动条件下,在沉陷监测曲线上确定拐点位置,一般采用倾斜最大值出现的点作为拐点。经计算,拐点偏移距为 174 m.5)水平移动系数是反映最大水平移动值与最大下沉值关系的系数,在充分采动条件下,首采工作面水平移动系数为 0.46.5 结 语通过对孟村矿首采工作面进行开采沉陷监测,并进行计算和综合分析,获取了地表移动变形最大值、超前影响角、最大下沉速度滞后角、边界角、移动07 第 32 卷角等角量参数。并且获取了概率积分法开采沉陷预计参数。为孟村矿后续工作面的开采、保护煤柱留设和地表建构筑物保护奠定了基础。但是,由于首采工作面是 401 盘区的首个工作面,周边不存在已有采空区,地表沉陷机理具有一定的特殊性。因此,应对后续工作面继续进行沉陷监测,进一步研究孟村矿开采沉陷机理。参考文献:1中经煤炭产业景气指数研究课题组,岳福斌.20212022 年中国煤炭产业经济形势研究报告J.中国煤炭,2022,48(2):5-14.2 卞正富,于昊辰,雷少刚,等.黄河流域煤炭资源开发战略研判与生态修复策略思考J.煤炭学报,2021,46(5):1 378-1 391.3 王 冠,刘静.煤炭经济发展的绿色向度与绿色道路J.人民论坛,2020(29):70-71.4 F.G.BELL,T.R.STACEY,D.D.GENSKE.Mining Sub-sidence and its Effect on the Environment:Some Differing Examples J.Environmental Geology,2000,40(1):135-152.5 闫照存.黄土沟壑区多工作面开采地表形变破坏分析与评价D.西安:西安科技大学,2021.6 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):9-11.7 滕永佳,阎跃观,郭伟,等.不规则工作面开采地表沉陷线积分预计方法J.矿业科学学报,2022,7(1):82-88.8 汤伏全,姚顽强,夏玉成.薄基岩下浅埋煤层开采地表沉陷预测方法J.煤炭科学技术,2007(6):66,103-105.9 戴华阳.基于倾角变化的开采沉陷模型及其 GIS 可视化应用研究J.岩石力学与工程学报,2002,21(1):148.本期编辑:王伟瑾(上接第 54 页)防爆等多重技术于一体,实现了高度机械化和自动化。平均月进尺达 300 m,通过采用一次安装、一次拆除的“U”型方式进行作业,最小转弯半径 80 m,有效减少盾构机的拆安次数、拆安工期和盾构机前期准备工程量,大幅提高了矿井单进水平。施工较传统掘进模式具有巷道成型规整、设备故障率低、掘进速度快和安全性能高等多个优点,具有推广意义。6 结 语1)研究分析盾构机盘形滚刀破岩过程,盾构机在岩石地层中滚刀破岩主要经历挤压阶段、起裂阶段、破碎阶段,通过滚刀在破岩过程中相互作用,刀具之间的岩石经过张拉破裂和剪切破裂而完全破碎。2)采用 Phase2D数值模拟软件分析掘进过程中围岩损伤特征,在此基础上设计合理支护方案,模拟分析结果表明:锚杆索支护使巷道围岩塑性区减小面积达 39%;高应力分布区域减小;位移峰值显著降低,支护后位移值范围控制在 0.18 m 内,剪切-拉伸破坏区域减小。3)现场工程实践表明:通过盾构机快速掘进,平均月进尺达 300 m,施工较传统综掘机掘进模式具有巷道成型规整、设备故障率低、掘进速度快和安全性能高等多个优点,具有推广意义。参考文献:1 徐学野.浅谈我国煤矿地下开采技术的现状与发展策略J.科技资讯,2019,17(17):45-46.2 白岳松,胡耀青,毕 猛,等.高瓦斯矿井大直径长钻孔掩护巷道快速掘进技术J.煤炭工程,2023,55(4):40-44.3李刚.煤矿巷道快速掘进工艺及设备配套现状与应用J.煤炭技术,2022,41(4):32-34.4 余永强,余雳伟,范利丹,等.定向断裂控制爆破技术在巷道掘进中应用研究J.爆破,2022,39(1):61-67,94.5 郝亚飞,薛 里,张小勇,等.现场混装乳化炸药在巷道掘进爆破中的试验研究J.金属矿山,2022(7):58-63.6 岳 川,张凯,区穗辉.城市信息模型在盾构法隧道工程中的应用J.城市轨道交通研究,2021,24(7):225-229.7 何 杰,崔千里,付书俊,等.立井煤矿深埋长距离岩巷全断面硬岩掘进机施工技术研究J.煤炭工程,2022,54(7):38-43.8 李 刚,李 冰,张 萌,等.盾构法在煤矿掘进施工中的应用J.煤矿安全,2020,51(8):184-187,192.9 马忠跃.岩巷盾构掘进技术在阳煤集团的应用J.煤,2019,28(2):17-18,35.10 韩伟锋.隧道掘进机滚刀破岩机理实验台传动系统设计J.建筑机械化,2022,43(2):38-42.11 寇宝庆,桑俊宝,赵鄢鹏,等.复杂地层中小断面盾构机刀盘刀具的优化设计J.油气储运,2017,36(5):579-584.本期编辑:王伟瑾17第 9 期 薛志强,等:孟村矿首采工作面开采沉陷监测研究