营盘壕煤矿首采面地表移动特征实测研究_张广学.pdf

营盘壕煤矿首采面地表移动特征实测研究 张广学 1 房振 1 韩杰 1 胡绍豪 2 郭广礼 2 宫亚强 21 （1. 鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司， 内蒙古 乌审旗 017300； 2. 中国矿业大学环境与测绘学院， 江苏 徐州 221116） 摘要为掌握营盘壕煤矿首采工作面高强度开采条件下的地表移动变形特征， 根据该矿2201工作面大采 深、 巨厚弱胶结覆岩以及地表由风积沙所覆盖的特征， 在该工作面地表建立了地表移动观测站。通过历时15个月 共11次地表移动观测， 获取了工作面地表移动变形的实测资料。根据对实测数据的处理分析， 得到了首采面地表 移动变形角量参数和概率积分法预计参数， 并进一步分析了该地质采矿条件下地表下沉速度的变化特征。研究表 明 ①在营盘壕煤矿的地质采矿条件下， 首采面推进过程中地表点移动变形值始终较小， 且地表下沉过程中未出现 过活跃期； ②当首采工作面推进至1 634 m时， 非充分开采的地表下沉率仅为0.171， 主要影响角正切为1.13， 开采 影响传播角为89.5， 拐点偏移系数为0.08； ③该工作面的倾向非充分开采及其上方的巨厚弱胶结砂岩层的控制作 用是地表移动变形值与下沉率较小的主要原因。研究结果对于巨厚弱胶结覆岩深部开采条件下的地表移动变形 控制与建 （构） 筑物保护具有一定的参考价值。 关键词开采沉陷地表移动特征巨厚弱胶结覆岩角量参数下沉速度参数反演 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-081-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910013 Measurement Study of the Surface Movement Characteristics of the First Mining Working Face in Yingpanhao Coal Mine Zhang Guangxue1Fang Zhen1Han Jie1Hu Shaohao2Guo Guangli2Gong Yaqiang22 （1. Ordos Yingpanhao Coal Co.， Ltd.， Uxin Banner 017300， China； 2. School of Environment Science and Spatial Inatics， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China） AbstractIn order to grasp the characteristics of surface movement and deation under the condition of high-intensi- ty mining in first working face of Yingpanhao Coal Mine， based on the characteristics of large mining depth，huge thickness and weak cemented overburden of 2201 working face and the surface covered by aeolian sand，a surface movement observa- tion station was established on the working face surface.Through 11 times of surface movement observation in 15 months， the measured data of surface movement and deation were obtained.Based on the processing and analysis of the measured da- ta，the angular parameters of surface movement and deation and the predicted parameters of probability integral for the first mining face were obtained， and the relationship between the variation characteristics of surface subsidence veloci- ty and overburden under this geological mining condition was analyzed.The study results show that①the displacement and de- ation value of surface points during the first mining face advancing was always small， and the surface subsidence process didn’ t appear active period under the geological mining conditions of Yingpanhao Coal Mine； ②when the first mining face was advanced to 1 634 m， the subsidence rate of surface without full mining is only 0.171， the tangent of main influencing an- gle is 1.13， the propagation angle of mining influence is 89.5， and the migration coefficient of inflection point is 0.08； ③insuf- ficient exploitation of the working face and the controlling effect of the thick and weak cemented sandstone layers above the working face are the main reasons for the low displacement and deation value and subsidence rate of the surface.The above study results have certain reference value for the control of surface movement and deation and the protection of buildings under the condition of deep mining of thick and weak cemented overburden. KeywordsMining subsidence， Surface movement characteristics， Thick weak cemented overburden， Angular parame- ter， Subsidence velocity， Parameter inversion 收稿日期2019-08-25 作者简介张广学 （1970） ， 男， 高级工程师， 硕士。通讯作者郭广礼 （1965） ， 男， 教授， 博士， 博士研究导师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 81 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 地下煤炭资源被采出后， 开采区域周围岩体应 力重新分布， 使得岩层和地表产生移动变形， 进而会 影响到地表建 （构） 筑物、 道路、 管线等设施的安全使 用 ［1-5］。地处鄂尔多斯毛乌素沙地的营盘壕煤矿地表 生态环境脆弱， 且地表浅埋多条输气管线，“采煤 采气” 矛盾突显， 因此研究该地质采矿条件下的地表 移动特征具有重要意义。 近年来， 大量学者针对我国西部地区高强度综 采、 大采深和巨厚覆岩的地表沉陷特征， 基于多个煤 矿的地表移动观测站实测资料研究了地表移动变形 规律 ［6-8］。贾新果［9］针对平顶山矿区某矿大采深非充 分开采的特征， 根据地表移动实测资料， 分析了该地 质采矿条件下的地表移动变形规律； 刘义新等 ［10］针 对淮南矿区巨厚松散层大采深的特征， 研究了该地 区采煤地表移动规律； 徐乃忠等 ［11］基于鄂尔多斯某 煤矿试验区的地表移动观测站实测资料， 对高强度 综采条件下地表移动变形的动态特征进行了分析； 郭庆彪等 ［12］利用RTK技术测量了位于毛乌素沙地的 某矿区采动地表移动变形数据， 计算了该地质采矿 条件下的地表移动变形角量参数， 并分析了地表裂 缝发育等特征。 本研究针对营盘壕煤矿2201工作面大采深、 高 强度综采和巨厚弱胶结覆岩的特征， 通过在首采工 作面地表布设移动观测站获取实测资料， 分析计算 该矿首采面地表移动变形角量参数和概率积分法预 计参数， 讨论下沉率大小与覆岩特征的关系， 为该矿 22采区及相似地质采矿条件下的工作面布置与地表 输气管线保护提供有益参考。 1工作面地质采矿条件 营盘壕煤矿位于东胜煤田巴彦柴达木矿区东北 部， 地质勘探资料显示该区域地层以泥质胶结的砂 岩层为主， 其中白垩系、 侏罗系均含有巨厚弱胶结砂 岩层， 是控制该区域岩层移动的关键层。2201工作 面为营盘壕煤矿22采区的首采工作面， 位于工业场 地以北， 地面平均标高为1 250 m， 地形比较平坦， 地 表被第四系风积半固定沙丘和固定沙丘所覆盖。工 作面走向长2 500 m， 倾向长300 m， 煤层倾角1， 煤层 厚度5.31～7.33 m， 平均厚度6.41 m， 属于可采的较稳 定煤层， 平均采深732 m。煤层顶板岩性多为砂质泥 岩及粉砂岩， 局部为中、 细粒砂岩及泥岩， 底板岩性 多为砂质泥岩， 局部为粉砂岩、 泥岩、 细粒砂岩。采 用长壁后退式综采一次采全高开采工艺， 顶板管理 采用全部垮落法。 2观测站布置与观测 结合营盘壕煤矿22采区的地质采矿条件和 煤 矿测量规程 等相关规范， 在2201工作面地表布设 了走向和倾向观测线各一条， 如图 1 所示。其中， C01和C02点为控制点， 走向观测线东端与开切眼的 水平距离约700 m， 沿走向主断面自东向西布设长 度约1 800 m， 共60个测点， 平均点间距30 m， 测点编 号为C1～C60； 倾向观测线距开切眼约700 m， 自北向南 长约780 m， 共27个测点， 平均点间距30 m， 测点编号 为B24～B50。 控制点采用D级GPS技术测量其平面坐标， 并采 用三等水准测量联测其高程。全面观测时平面测量 首先采用已布设的D级GPS控制点作为起算点施测 一级导线， 然后在一级导线的基础上采用极坐标测 量方法施测其余各点的平面坐标， 高程采用三等水 准方法进行测量。工作面测点高程的日常观测采用 四等水准测量方法， 观测时间为2017年9月至2018 年11月， 根据工作面推进距离变化调整观测时间间 隔， 对2201工作面地表的走向和倾向观测线分别进 行了11次高程观测， 历时15个月。观测期间， 观测 82 ChaoXing 2019年第10期张广学等 营盘壕煤矿首采面地表移动特征实测研究 线上部分测点遭到破坏， 测点缺失比较严重， 走向线 缺失了20个测点， 倾向线缺失了2个测点， 但最终数 据仍能反映2201工作面采动地表移动变形的基本特 征。 3地表移动与变形特征分析 3. 1地表下沉形态 根据2201工作面推进期间的地表移动观测成 果， 对观测数据进行检查并剔除了存在明显粗差的 数据， 在此基础上， 分别绘制了走向观测线和倾向观 测线的实测下沉曲线， 如图2、 图3所示。观测站地表 最大移动变形值见表1。在倾向线观测过程中， 由于 邻近的2101工作面于2017年12月下旬开始回采， 导 致观测后期倾向观测线数据质量差异较大， 因此倾 向主断面实测下沉曲线绘制时仅采用2017年12月 19日之前的倾向观测数据。 由图2、 图3可知 在2201工作面回采过程中， 地表沉降总体上是连续渐变的。随着回采距离增 加， 地表移动盆地范围不断向前扩展， 走向观测线最 大下沉点的位置不断前移， 而倾向观测线最大下沉 点位置一直稳定在B37点附近。当地下回采长度超过 1 000 m后， 走向线观测点C11～C35下沉量变化很小， 说 明地表移动盆地走向主断面右侧逐渐稳定。 由表1分析可知 两条观测线上点位的最大倾斜 和曲率变形值均远小于地表危险移动边界临界变形 值指标。初步分析原因可知， 2201工作面埋藏较深， 其倾向宽深比仅为0.41， 地表远未达到充分采动， 且 上覆巨厚弱胶结砂岩层对地表沉陷起到了控制作 用， 使得移动盆地呈现出均匀移动与变形的特征。 3. 2地表移动盆地角量参数 在采动地表移动变形规律研究中， 常采用边界 角、 移动角等角量参数来反映开采沉陷的影响范围和 程度 ［13］， 但该类角量参数大多是在地表充分采动或接 近充分采动的条件下求得的。为便于研究2201工作 面倾向非充分开采条件下的地表移动变形规律， 通过 对实测数据进行插值拟合， 并参照了充分开采条件下 的角量参数求取方法， 计算了工作面推进1 634 m时 地表移动盆地的相关角量参数。移动盆地角量参数 求取如图4所示， 求取结果见表2。 在求取走向边界角时， 结合了全部15期的实测 数据中地表下沉达到10 mm的最外边缘点。在求取 超前影响角时， 对走向线2018年5月下旬和7月下旬 83 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 的观测结果进行了下沉值拟合， 得到了平均超前影 响距为613 m。超前影响距偏大与巨厚覆岩特性有 关， 裂隙垮落带发育高度较小， 地表呈现出整体移动 的特点， 因此地下采动对前方的影响范围较大。 3. 3地表沉陷动态特征 地表下沉速度最大的点也是地表移动最剧烈的 点 ［14-15］， 掌握地表最大下沉速度的变化规律对于采动 地表保护具有重要意义。截至2018年7月下旬， 走 向线观测结果中最大下沉点C46的下沉速度曲线如图 5所示。 由图5可知 该地质采矿条件下的地表最大下 沉点的下沉速度总体较小， 最大下沉速度仅为1.24 mm/d， 未达到下沉活跃阶段的最小下沉速度 （1.67 mm/d） 。从观测的第 121 d 到第 231 d， 下沉速度从 0.55 mm/d升至1.07 mm/d后， 又陡降至0.43 mm/d， 后 又恢复到1.24 mm/d的下沉速度。分析其原因是回采 过程中工作面上覆的巨厚弱胶结岩层可能在此期间 发生了断裂， 致使下沉速突然增大， 其后岩层移动趋 于稳定， 下沉速度减小， 而随着回采过程的继续， 短 暂的应力平衡状态再次被打破， 致使岩层移动重新 活跃起来， 因此下沉速度出现了再次增大现象。 3. 4概率积分法预计参数 遗传算法是一种有效反演概率积分参数的方 法， 该方法反演结果的精度高、 反演参数的误差较 小， 且对观测数据中存在的随机误差、 粗差和观测点 缺失等问题具有较强的抗干扰能力 ［16-17］。本研究根 据2201工作面回采至1 634 m时的走向线观测站实 测数据， 基于遗传算法对地表走向观测线的下沉实 测数据进行了拟合， 结果如图6所示， 并反演了概率 积分法计算参数。考虑到2201工作面的宽深比仅为 0.41， 属于极不充分开采， 且上覆岩层为中硬覆岩， 参 照 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤 开采指南 ［18］给出的条带开采地表移动变形参数求 取方法， 相关参数取值见表3。 结合图6和表3可知 采用遗传算法反演概率积 分法计算参数的中误差为9.6 mm， 相对中误差 （中误 差与最大下沉值之比） 仅为2.9， 下沉量拟合误差总 体在可以接受的范围内。当2201工作面推进1 634 m时， 地表移动盆地的主要影响角正切和拐点偏移距 均符合 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采指南 给出的参考值范围， 但下沉率仅为参 考范围下限的47， 说明该区域整体移动变形较小。 其主要原因是 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采指南 中的地表移动变形参数确定 方法主要是以我国东部地区大量的煤矿地表实测资 料为基础， 对于地处西部鄂尔多斯高原的营盘壕煤 矿， 其地质地貌具有一定的特殊性， 表土层较为松散 且具有一定的流动性， 工作面上覆岩层含有数百米 厚的弱胶结砂岩， 对开采引起的岩层移动变形起到 了一定的控制作用。因此在大采深、 倾向极不充分 开采条件下， 营盘壕煤矿的地表下沉率会远低于 建 筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指 南 给出的参考值范围。随着此后2201工作面南北 侧邻近工作面相继开采， 倾向等效采宽会有所增加， 充分采动程度也将提高， 地表下沉率势必会进一步 增大。 4结论 （1） 在巨厚弱胶结覆岩深部开采条件下， 营盘壕 84 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 煤矿首采工作面地表沉陷盆地呈现出均匀移动与变 形的特征， 各项变形指标较小。根据对实测数据的 插值拟合， 并参照了充分开采条件下的角量参数求 取方法， 得到了走向线边界角为62， 走向移动角为 74， 超前影响角为50。 （2） 根据该矿2201工作面回采至1 634 m时的地 表下沉实测数据， 通过遗传算法反演得到了非充分 开采地表移动变形计算参数， 即下沉率为0.171， 主要 影响角正切为1.13， 开采影响传播角为89.5， 拐点偏 移系数为0.08， 参数反演的相对中误差为2.9。 （3） 营盘壕煤矿首采工作面的非充分开采与上 覆巨厚弱胶结砂岩层的控制作用是地表下沉率远小 于正常值的主要原因。随着此后首采面邻近工作面 相继开采， 充分采动程度的提高， 将会导致地表下沉 率进一步增大。 参 考 文 献 何国清， 杨伦， 凌赓娣， 等.矿山开采沉陷学 ［M］ .徐州 中国矿 业大学出版社， 1991. 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