巨厚岩浆岩下开采岩移预计参数取值研究_姜希印.pdf

巨厚岩浆岩下开采岩移预计参数取值研究 姜希印 1 田迎斌 21 （1. 兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿， 山东 济宁 272072； 2. 中煤科工集团唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012） 摘要在对煤矿采区地表建 （构） 筑物进行开采沉陷预测时， 应采用一套尽可能符合该采区地质条件的岩移 预计参数， 不至于过高或过低估计地表沉陷程度及建 （构） 筑物的损坏等级， 从而为开采规划方案制定和地表建 （构） 筑物保护提供可靠依据。利用济宁二号煤矿十一采区辽沟河堤沉降观测站的长期观测资料， 根据最小二乘原 理， 应用曲线拟合方法， 初步获得了大采深、 厚冲积层和巨厚岩浆岩条件下的概率积分法开采沉陷岩移预计参数， 即 下沉系数q0.65， 水平移动系数b0.45， 主要影响角正切tanβ1.4， 开采影响传播角θ90-0.6α（α为煤层 倾角） ， 拐点偏移距s0.05H （H为采深） ， 重复采动系数为1.1。所给出的岩移预计参数对于类似地质条件下地表开 采沉陷预计有一定的参考价值。 关键词开采沉陷概率积分法曲线拟合岩浆岩地表移动观测沉陷预计参数 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-101-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910016 Determination Study of the Prediction Parameters of Rock Movement in Mining Under Super-thick Magmatic Rock Jiang Xiyin1Tian Yingbin22 （1. Jining No.2 Coal Mine， Yanzhou Coal Mining Co.， Ltd.， Jining 272072， China； 2. Tangshan Research Institute Co.， Ltd. of China Coal Technology Engineering Group， Tangshan 063012， China） AbstractWhen predicting mining subsidence of surface structures in coal mining area， a set of rock displacement pre- diction parameters should be adopted to meet the geological conditions of the mining area as far as possible， so as not to overes- timate or underestimate the degree of surface subsidence and the damage grade of buildings， to provide reliable reference for the ation of mining planning scheme and protection of surface structures.Based on the long-term settlement observation da- ta of Liaogou embankment settlement observatory station in No.11 mining area of Jining No.2 Coal Mine and the least square principle and curve fitting ， the prediction parameters of probability integral of mining subsidence rock dis- placement under the conditions of large mining depth， thick alluvium and huge thick magmatic rock are preliminarily obtained. The study results show that coefficient of subsidence q0.65， horizontal displacement coefficient b0.45， tangent of major in- fluence angle tanβ1.4， mining influence propagation angle θ90-0.6α α is defined as the dip angle of coal seam， offset of inflection point s0.05H（H can be defined as mining depth） ， repeated mining coefficient is 1.1.The above prediction parame- ters of rock strata movement determined in this paper can provide reliable reference for the further mining subsidence predic- tion of the mining area under the similar geological conditions of the No.11 mining area of Jining No.2 Mine. KeywordsMining subsidence， Probability integral ， Curve fitting， Magmatic rock， Surface movement monitoring， Subsidence prediction parameter 收稿日期2019-08-15 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0501105） ， 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项青年项目 （编号 2018-TD- QN041） 。 作者简介姜希印 （1972） ， 男， 总工程师， 高级工程师， 硕士。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 建立地表岩移观测站并获取符合本矿地质采矿 条件的岩移预计参数， 是煤矿在生产过程中的一项 基础性工作， 可为 “三下” 采煤方案设计提供科学依 据 ［1-4］。济宁二号煤矿在不同采区建立了地表及岩层 101 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 移动观测站， 在长期的观测研究过程中总结出了适 合该矿常规地质条件下的开采沉陷预计参数， 在生 产实践中发挥了一定的作用。该矿仅在个别采区的 个别工作面进行过岩浆岩条件下岩移预计参数取值 研究， 对于大采深、 厚冲积层和巨厚岩浆岩条件下的 岩移预计参数取值研究方面涉及较少 ［5-6］。目前， 学 术界对于浅部岩浆岩条件下的开采沉陷规律研究较 充分 ［7-11］， 对于大采深、 厚冲积层和巨厚岩浆岩条件下 的开采沉陷规律研究稍有欠缺 ［12-14］。 根据观测站建立条件， 观测站有规范和非规范 观测站之分 ［15-18］。规范观测站布设时观测线应布置 在移动盆地的主断面上， 非规范观测站的观测线与 移动盆地的主断面斜交 ［19-21］。济宁二号煤矿十一采 区地表的辽沟河与地下多个工作面斜交， 在工作面 开采过程中， 辽沟河势必受到开采沉陷变形影响。 为及时对辽沟河河堤进行加高、 加宽和修复治理， 二 号煤矿沿河堤建立了沉降观测站， 进行了长期观测 并获得了大量的沉降实测数据。本研究通过分析济 宁二号煤矿十一采区河堤沉降观测数据， 采用曲线 拟合方法， 对该采区大采深、 厚冲积层和巨厚岩浆岩 条件下的岩移预计参数进行精确确定， 为类似条件 下开采沉陷预计参数选取提供有益参考。 1十一采区概况 1. 1地下开采情况 十一采区地层自上而下为第四系、 侏罗系、 二叠 系、 石炭系和奥陶系。其中， 第四系 （Q） 厚度为 180.3～203.8 m， 平均190.71 m。 十一采区主采煤层为3上和3下煤层。3上煤层底 板标高-600～-780 m， 3下煤层底板标高-620～-815 m。3上煤层平均厚度2.18 m， 3下煤层平均厚度5.60 m。3下煤层与3上煤层间距变化大， 平均间距25.66 m， 两煤层在采区北部合并， 向南部间距增大。采煤方 法采用走向或倾向长臂式全部垮落法， 采煤工艺为 综放开采， 均一次采全高。 十一采区位于八里铺断层西侧， 其构造展布特 点与井田构造基本一致。受八里铺断层影响， 区内 断层、 褶曲发育， 煤层产状变化较大， 地质条件比较 复杂。十一采区普遍分布有岩浆岩， 岩浆侵入地层 为上侏罗统中上部， 平均厚度122.22 m； 其顶界面距 第四系平均距离42.72 m； 下距3上煤层平均距离376 m， 对煤系及煤层无影响。济宁二号煤矿至今未发现 岩溶陷落柱。 十一采区辽沟河下各工作面的具体情况如表1 所示。上述工作面中， 113上01和113上02综采工作面 全部位于河堤保护煤柱范围内， 其他工作面部分位 于河堤保护煤柱范围内。岩浆岩等厚线及工作面布 置如图1所示。通过十一采区的15线地质剖面如图 2所示。 1. 2地表建 （构） 筑物分布情况 十一采区内地形平坦， 地势北高南低， 地面标 高33.49～34.51 m， 地形坡度为0.25‰。十一采区 地面主要建 （构） 筑物有东、 西石佛村， 火炬路， 洸府 河及辽沟河。区内西部老运河和洸府河自北向南流 向南阳湖； 中北部辽沟河自东北向西南注入洸府 河。区内交通较方便， 济宁市外环路在采区北侧东 西向经过， 火炬路从洸府河西侧经过。采区西部地 面有东、 西石佛村， 东部有部分鱼塘。 辽沟河为任城区东部地区重要的骨干河道， 承 担灌溉、 防洪、 除涝任务。辽沟河堤按3 a一遇除涝挖 河， 20 a一遇防洪筑堤要求修筑。辽沟河河堤顶部平 均宽6 m， 平均高程38.2 m， 过水断面面积为350 m2， 河水自北向南流淌， 在石佛村东南部与洸府河汇合 后流入南四湖。 2观测站布设及观测成果 2. 1河堤观测站布设 113下05工作面开采前， 在辽沟河河堤建立了观 测站， 东堤 （左堤） 建有28个监测点， 西堤 （右堤） 建有 26个监测点， 点间距100 m， 在后续开采过程中又加 密了测点。观测站的控制点和工作测点均设在河堤 上， 采用长木桩作为测点。测点选取 40 mm40 mm300 mm （长宽高） 木桩， 再在桩顶中心钉以 5 cm长铁钉。控制点选用40 mm40 mm500 mm （长宽高） 木桩或布设在附近的可靠建筑物上。 在采动过程中按 煤矿测量规程 进行观测， 包括观 测站连接测量、 全面测量和日常观测。观测站平面 布置如图3所示。 2. 2观测成果 二号煤矿在113下05工作面开采前的2006年9月 1日进行了首次观测， 之后平均每个月观测一次下沉 102 ChaoXing 2019年第10期姜希印等 巨厚岩浆岩下开采岩移预计参数取值研究 值， 观测工作一直持续到113下09工作面结束， 时间跨 度达9 a。在开采和观测过程中， 二号煤矿对辽沟河 河堤进行了两次复堤工程治理。 在113下07工作面未采结束时， 二号煤矿对辽沟 河河堤进行了预加固复堤工程治理。治理工程于 2010年4月14日开工， 2010年11月8日竣工， 在预复 堤过程中， 由于原观测点遭到破坏， 通过建立临时观 测站获得了施工期间河堤的下沉数据。 在113下09工作面未采结束时， 二号煤矿再次对 辽沟河河堤进行了预加固复堤工程治理。治理工程 于2014年7月8日开工， 2014年12月2日竣工， 同样 在预复堤过程中， 由于原观测点遭到破坏， 通过建立 临时观测站获得了施工期间河堤的下沉数据。 由于十一采区工作面开采时间存在重叠， 造成 河堤受到多工作面重复采动影响， 无法从时间上将 单个工作面的沉降观测数据单独提取出来进行分 析。为此， 利用多工作面开采河堤累计沉降观测值 进行分析。通过将以往常规实测数据与各时期复 103 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 堤期间获取的临时观测数据进行叠加， 即可获得从 113下05工作面开始开采到最后一次观测时河堤的累 计下沉值。在开采及复堤过程中， 因西堤大部分测 点破坏严重， 东堤测点保护相对较好， 故仅对东堤观 测数据进行分析。 在十一采区最后一个采面即113下09工作面采后 3个月， 二号煤矿于2014年12月2日进行了最后一次 观测。由于十一采区河堤观测站观测时间长达9 a， 平均观测频率为1次/月， 所获得的实测数据较多， 仅 根据各工作面开采结束时实测的下沉数据绘制了下 沉曲线， 如图4所示。根据最后一次观测结果可知， 113下05工作面至113下09工作面叠加开采所造成的 辽沟河左堤最大下沉值为3.705 m。由于最后一次观 测时间距离113下09工作面开采结束仅有3个月， 根据 开采沉陷地表移动延续时间计算可知， 此时河堤尚未 达到稳沉， 所获得的累计下沉值将会比真实值偏小。 3地表移动观测结果分析及预计参数确定 3. 1已有的实测预计参数 由于济宁二号煤矿进行了很多单一煤层开采时 的地面岩移观测工作， 取得了部分实测岩移预计参 数， 见表2。由表2可知 一采区13下06和13下01工 作面移动观测站所测得的下沉系数较小， 四采区 43下02工作面、 六采区63下08工作面岩移观测站所测 得的下沉系数较大。造成不同采区下沉系数差异的 原因除了与工作面尺寸大小、 开采充分程度、 周边工 作面回采情况有关外， 最主要的原因是一采区上覆 岩层中局部有厚约50 m的岩浆岩岩层存在。 3. 2十一采区预计参数拟合分析及参数确定 为确定十一采区的岩移预计参数， 首先按照二 号煤矿已有的预计参数确定十一采区岩移预计参数 的初始值； 然后根据最小二乘原理， 通过编制程序运 用迭代方法， 使所求的预计参数逐渐趋近其真值， 并 104 ChaoXing 综合一采区岩移预计参数以及本研究下沉曲线 拟合结果， 给出的十一采区概率积分法岩移预计参 数为 下沉系数q0.65， 水平移动系数b0.45， 主 要 影 响 角 正 切tanβ1.4，开 采 影 响 传 播 角 θ90-0.6α， 拐点偏移距s0.05H， 重复采动系数 为1.1。 4结语 由于济宁二号煤矿十一采区辽沟河河堤受到十 一采区多工作面和长时间重复采动影响， 无法从时 间上将单个工作面的沉降观测数值区分出来， 故利 用多工作面开采后的河堤累计沉降观测值进行相关 性分析。根据最小二乘原理， 采用曲线拟合方法， 确 定了十一采区在大采深、 厚冲积层和巨厚岩浆岩条 件下的岩移预计参数。建议在与十一采区地质条件 类似的其他采区开采过程中， 尽可能建立本采区的 规范岩移观测站， 对十一采区确定的岩移预计参数 进行进一步修正和完善。 参 考 文 献 张广伟.山区地表移动观测站布设新方法探讨 ［J］ .金属矿山， 2015 （4） 182-185. 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