煤矿开采工作面地表岩移观测站设计及地表移动分析

来源：职称驿站所属分类：矿业论文
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　　【摘要】对煤矿地下开采导致的地面沉陷进行观测站设计并进行地表移动观测与分析，对于保障煤矿安全生产、预测地表沉陷范围、降低开采成本具有重要意义。本文以建新煤矿4210工作面为研究对象，进行了地表移动站设计，采用实地观测法对该工作面进行地表移动观测，以获取本地区特有条件下，因地下煤层开采后，引起的地表移动、变形及破坏规律，并计算获得各种移动角、边界角、最大下沉角、充分采动角等数据，为矿区规划、环境评价、矿井设计、以及安全合理的留设保安煤柱提供理论依据。

　　【关键词】地下开采;地表移动;观测站

　　中图分类号： TD325.4 文献标识码： A文章编号： 2095-2457(2019)22-0188-002

　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.087

煤矿安全

　　《煤矿安全》(月刊)创刊于1970年，至今已有30多年的历史，它最初为不定期刊物，1973年被批准为部办全国性专业技术刊物，1974年1月改为国内公开发行，为双月刊，1980年改为月刊，是全国煤炭行业主要科技期刊之一。

　　煤炭资源的开发与利用，对经济发展和生态环境有着显著的影响，开采塌陷造成地面构筑物、道路损毁，良田无法耕种，生態环境遭到严重破坏[1]。为有效减小和的防治地下开采所带来的不良影响，必须掌握地表移动和变形规律。本文以建新煤矿4210工作面为研究对象，通过对该工作面进行地表移动观测，按照现行相关规程要求建立地表移动观测站。在此，基于观测计划获得实测数据，通过实地观测、分析数据和研究规律，获得矿区特有开采条件下的基本岩层移动参数，为合理布设工作面和选定开采顺序、保护地面和井下设施，安全、高效生产，提供有效保障[2-4]。

　　1 矿区概况

　　建新煤矿(建南井田)行政区划地处延安市黄陵县腰坪境内，隶属黄陵县店头镇。自然地理分布地处黄陵县建庄林区，属陕北黄土高原南部的低中山丘陵，区内山峦起伏、沟壑纵横、地形复杂，属侵蚀构造地形，并呈堆积的山间河谷地貌特征。植被以灌木、松树等为主，覆盖密度大，为典型的低山林区，水系较发育。西以山神庙梁为界，东至新村川，北以原建庄中部无煤带为界，南至齐家湾。井田地理坐标为东经108°48′15″～108°55′15″，北纬35°20′30″～35°24′00″，范围由四十个拐点构成，东西长约10.5km，南北宽约6.4km，面积约49km2。建新煤矿风井附近有布设的D级GPS点，点位保存完好，成果可靠，可作为本项目连接测量工作的起算数据。

　　2 观测站设计

　　为更准确研究开采过程以及开采后的地表移动变形，按规程要求在地表建立了观测站，本观测站考虑到工作地点位于山区，观测站点埋设比较困难，地形陡峭，工作难度大，布设方案拟定为：布设一条走向观测线B和一条倾向观测线A[5-7]。倾向观测线A受临近采空区影响，布设53个工作测点，长度约1600m，尽可能布置成直线，贯穿整个42盘区西至沟口位置;受地形影响，走向观测线B布设20个工作测点，布置在沉陷盆地内，长度500m。4210工作面地表移动观测站观测线布设如图1所示。

　　图1 4210工作面地表移动观测站观测线布设图

　　地表移动观测工作可分为：观测站的连接测量、全面观测、单独进行水准测量、地表破坏的测定和编录。地表移动观测的基本内容是在地下开采过程中，定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置变化[8]。

　　3 地表移动分析

　　3.1 参数解算

　　根据实测数据进行地表移动变形参数计算分析，获得了此地质采矿条件下的计算参数见表1。通过充分性判断，确定该地质采矿技术条件下采空区走向和倾向实际长度分别为1925m和210m，平均采深600m，采动程度由D/H表示，即：210/600<1.2～1.4、1925/600>1.2～1.4：倾向非充分采动，走向已充分采动。

　　以下沉10mm确定边界点，至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为边界角，按断面不同，分别为走向边界角δ0、下山边界角β0、上山边界角γ0。走向方向因观测点较少，不能判断边界位置，走向边界角δ0不能计算。

　　上山边界角γ0以KA01作为边界点计算，KA01距离采空区边界224.5m，开采深度600m，

　　γ0=atn(600/224.5)=69.5° (1)

　　下山边界位置受其他工作面采空区影响不能准确判断。

　　地表移动盆地主断面上临界变形值(倾斜、水平变形、曲率)中最外边一个点至采空区边界连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角，按断面不同，分为走向移动角δ、下山移动角β和上山移动角γ。走向方向因观测点较少，不能判断最外围位置，走向移动角δ不能计算。

　　在第9、10、11期观测数据中，仅观测点A16曲率值达到临界值，所以上山方向以A16点位置计算上山移动角γ，A16点距离4210工作面边界的水平距离为78.5m，开采深度为600m，松散层厚度20m(未达到1/10采深，忽略计算)，

　　γ=atn(600/78.5)=82.5° (2)

　　下山移动角受其他采空区影响不能准确判断。

　　工作面推进工程中，工作面前方的地表受到采动影响下沉，这种现象称为超前影响，以地表下沉10mm判断，下沉点与当时工作面的连线和水平线在矿柱一侧的夹角称为超前影响角ω;开始下沉的点到工作面的水平距离称为超前影响距l。

　　走向线第2、3期观测数据显示，当工作面推进到790m时，地表B111地表下沉5mm，B112下沉9mm，超前影响距离为171m;当工作面推进到890m时，地表B109下沉11mm，B108下沉8mm，超前影响距离为170m，判断超前影响距离l=170m。平均开采深度600m，超前影响角

　　ω=arccot(l/H0)=74.2° (3)

　　在倾斜主断面上，由采空区的中点和地表移动盆地最大下沉点在地表水平上投影点的连线与水平线之间在煤层下山方向一侧的夹角。

　　根据第11期观测数据，倾向观测线A23、A24达到最大下沉值，拟合下沉曲线后，取A23点为最大下沉位置，距离工作面下边界为35.3m，距离上边界为249.7m，距离工作面中心位置142.5m，偏离下山方向，开采深度600m。

　　最大下沉角θ=atn(600/142.5)=76.6° (4)

　　綜上，根据地表移动观测资料计算，获得了一些本地质、地形、采矿条件下的岩层和地表移动参数，这些参数是在实测数据基础上，经过整理、分析、计算得到的，较为客观的反映了开采的实际情况。表1为地表移动参数的统计结果。

　　3.2 地表移动变形特点

　　在整个地表移动过程中，地表任一点的下沉速度是有规律地变化的，开始时很慢，逐渐增大，达到最大值，然后逐渐变小，直至最后移动停止。在一般情况下，点的下沉速度的变化在时间上和空间上是连续的、渐变的。图2为走向线变形曲线图，图3为倾向线变形曲线图。

　　结果表明：走向线方向最大下沉点位于B120，下沉值为1007mm;同时倾斜值趋近于0，符合沉降最大下沉点附近倾斜趋近于0，负曲率的规律;同时水平变形曲线和曲率曲线相似，符合一般般规律。倾向线方向最大下沉出现在A33点附近，达到2222mm，位于工作面下山方向边界上方，不符合一般规律，但下沉曲线和倾斜曲线一致，即最大倾斜出现在工作面边界上方，最大下沉点附近倾斜趋近于0，最大下沉点附近曲率为负曲率;同时曲率曲线和水平变形曲线走向基本一致，说明倾向观测线观测工作效果较好。

　　4 结论

　　根据对实测资料进行综合分析，本次开采为走向方向充分采动，倾向方向非充分采动条件下的规律。

　　(1)最大下沉点偏向下山方向明显，位于4210和4208工作面边界上方。

　　(2)下沉曲线、倾斜曲线、曲率曲线基本一致，其中曲率曲线凹凸不明显。

　　(3)采深较大，沉降速度比较平缓，水平移动不明显，活跃期不明显，下沉周期较长，现有观测数据不能完全分析。

　　(4)最大下沉角偏小，下沉偏移4208工作面过多，需要更多数据支撑。

　　【参考文献】

　　[1]杨旭伟.寺家庄煤业15116工作面开采地表沉陷规律研究[J].煤炭与化工，2019，42(06)：54-56+60.

　　[2]曲相屹，李学良.长壁开采工作面地表岩移参数求取方法分析[J].水力采煤与管道运输，2019(02)：39-41.

　　[3]陈盼，谷拴成，张幼振.浅埋煤层垂向重复采动下地表移动规律实测研究[J].煤炭科学技术，2016，44(11)：173-177.

　　[4]郭佐宁.张家峁煤矿15201综采工作面地表移动规律研究[D].西安科技大学，2015.

　　[5]张欣儒.地表移动变形动态参数解算及规律分析[D].安徽理工大学，2014.