忻州窑矿8308工作面岩移变化测量规律研究_胡晓燕.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-07-07修回日期 2020-07-15 第一作者简介 胡晓燕 （1989-） ， 女 （汉族） ， 山西大同人， 助理工程师， 现从事煤矿地质测量工作。 忻州窑矿8308工作面岩移变化测量规律研究 胡晓燕*， 陈建华 （大同煤矿集团公司， 山西 大同 037003） 摘要 为合理保护地表构筑物， 科学合理留设保护煤柱， 需要对地表变化规律及移动变化进行研究 工作。在忻州窑矿8308工作面上方地表建立开采沉陷观测站， 研究忻州窑矿因采煤引起的地表移 动变化、 破坏规律， 以及开采对地面构筑物的影响、 破坏机理、 变化规律， 综合分析观测资料， 求取地 表移动变形的角量参数及预计参数。用实测的移动变化参数进行建筑物、 铁路和水体下的保护煤柱 设计， 有效地减少铁路、 建筑物、 水体下压煤量， 可合理确定综采工作面的规格参数， 提高煤炭回采 率。 关键词 观测站； 地表移动； 开采沉陷 中图分类号 P58 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202101-0103-05 1概况 忻州窑矿位于大同煤田东北端， 现开采侏罗系14-3 煤层， 矿井通风系统合理、 稳定、 可靠。矿井水文地质 类型中等， 高瓦斯矿井。 1.1工作面基本情况 井田内为中山丘陵黄土地貌景观， 地形较复杂， 黄 土梁及 “V” 字沟谷发育， 地势大致为北西高， 南东低。 井田内无大的地表水体。 8308工作面对应地面位置为矿井东部， 地面为黄 土沟谷及山梁， 煤层埋藏深度301～336m左右。地表 最高点位于井田西北区域地面三角点， 高程1336.93m， 最低点位于井田东南小沟谷内， 高程1132.8m， 相对高 差204.13m， 地形较为复杂。 1.2开采煤层及煤层 8308工作面地面标高在1195～1229m之间， 工作 面标高在 890～906m 之间。8308 （I） 工作面走向长 230m， 工作面倾向宽131.3m， 煤层厚度在0.8～5.85m， 平均厚度为4.11m。8308 （II） 工作面走向长819.6m， 工 作面倾向宽131.3m， 煤层厚度在0.8～5.85m， 平均厚度 为 4.40m。煤层倾角平均为 3。平均开采深度为 318m。 1.3开采条件 设站工作面8308工作面采用长壁后退式一次采全 高， 顶板管理为自动垮落及强制放顶， 相关开采技术参 数见表1。 2地表变形观测站布置 2.1地表变形观测站布置 （1） 地表移动变形观测站设计采用剖面线观测站， 设计走向观测线一条和倾向观测线两条。 （2） 为准确获取地表移动变形的规律， 地表移动观 测线设计布置在地表移动变形主断面上。观测线方向 布置成与工作面边界垂直。 （3） 为便于设点和观测， 观测线选在地形较为平坦 地区， 避开冲沟和陡崖。 （4） 考虑到工作面回采时间及项目的完成时间， 综 合地形条件为便于进行观测， 设计开采沉陷观测线布 置工作面中间， 分为走向观测线A线和倾向观测线B 线、 C线。 2.2观测站设计时所用到开采沉陷参数 地表移动观测站设计所用的开采沉陷参数有 走 向充分采动角ψ3、 倾向上山充分采动角ψ2、 倾向下山 充分采动角ψ1， 走向移动角δ、 倾向下山移动角β、 倾 向上山移动角γ， 移动角修正值Δδ、Δβ、Δγ及最大 下沉角θ等。 地表移动观测站设计的开采沉陷参数取值如下 （1）基岩移动角 （走向δ， 倾向上山γ， 倾向下山 β） δ72 103 2021年第1期西部探矿工程 γ72 βδ-0.7α72-0.7370 （2） 表土层移动角 φ45∘ （3） 移动角修正值 （走向Δδ， 倾向上山Δγ， 倾向 下山Δβ） ΔδΔγ20 Δβ18 （4） 充分采动角 ψ361 （5） 最大下沉角 θ90-0.7α88 2.3观测线的位置及长度、 测点及控制点的数目的确 定 8308工作面布置了两条倾向观测线和一条走向观 测线。 每条观测线长度等于观测站长度再加上控制段长 度。各观测线边界段长度考虑综合移动角按下式计 算 L H tan50∘ 式中 H工作面边界开采深度， m。 2.4测点的构造及埋设方法 观测站的各条观测线， 每条观测线两端各设置一 组 （2个） 固定点 （如条件不具备， 也可在一端设置一组3 个固定点） ， 固定点间距离为50m； 固定点距采空区边 界的水平距离应大于0.7H （H为开采深度） 。观测点布 置在两组固定点之间。 在黄土层覆盖较厚的地区采用长为0.6m以上的 螺纹钢钎底部焊接10cm10cm钢板底座， 埋入地下后 浇灌水泥砂浆作为监测点， 螺纹钢钎顶部锯 “十” 字作 为标志， 标桩侧面或顶端用红油漆标出观测点点名。 2.5测点数目及其密度 根据开采实际采深， 选用地表移动观测站点间距 为25m。在观测线工作长度以外设置观测站控制点。 在观测站存在期间， 以控制点的空间位置x、y、z作 为观测站的起算数据， 因此必须保证其坚固、 稳定。为 了保证观测资料的准确， 必要时应对控制点的稳定性 定期进行检测。控制点应埋没在观测线的两端， 每端 不少于两个， 如因地形、 地物等条件的限制， 只能在观 测线一端设控制点时， 控制点不得少于3个。工作测点 的外端点至控制点的距离及控制点间的距离为50m。 3观测内容及方法 3.1观测所使用的仪器及精度 地表移动观测站建立后， 要分别进行与观测矿区 控制网连测和全面观测工作， 本次设计测量工作采用 GPS静态测量方法， 利用多台套双频GPS接收机进行 测量工作， 经测量软件解算， 获取各观测点的三维坐 标。 3.2地表移动观测站观测内容及时间安排 地表移动观测站建立后即要进行观测， 在开采过 程中不同的时间内进行不同的观测内容， 观测时间和 次数可按采动前、 移动初始期、 移动活跃期和移动衰退 期四阶段安排， 具体见表2。 3.3地表移动观测站连测、 观测的方法及要求的精度 地表移动观测的基本内容是 在采动过程中用常 规全站仪方法和GPS测量的方法， 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的变化。地表 移动观测站的观测工作分为 观测站的连接测量、 全面 观测、 单独进行的水准巡视测量、 地表破坏的测定和编 参 数 名 称 工作面参数 煤层参数 走向长D3 倾向长D1 平均采深 煤层厚度 煤层倾角 煤层走向 煤层倾向 8308工作面主要技术参数值 8308 （I） 8308 （II） 131.3m 318m 8308 （I） 8308 （II） 3 北东 北西/南西 230m 819.6m 4.11m 4.40m 表1设站工作面开采技术参数表 104 2021年第1期西部探矿工程 录。 3.3.1连接测量 在观测站地区被采动之前， 为了确定观测站与开 采工作面之间的相互位置关系， 应在观测站的某一个 控制点与矿区控制网之间进行测量， 以确定这个控制 点的平面位置和高程， 然后再根据它来测定其余的控 制点和工作测点的平面位置。采用GPS进行观测， 用 不少于五台套的静态GPS接收机进行静态测量， 按规 程规定的E级网精度标准进行施测。 3.3.2全面观测 为了准确地确定工作测点在地表移动开始前的空 间位置， 在与矿区控制网连测后、 地表开始移动之前， 对地表观测站的全部测点独立进行两次全面观测， 两 次观测的时间间隔不超过5d。独立进行的两次全面观 测， 两次测得的同一点高程差不大于10mm、 同一边的 长度差不大于4mm时， 取平均值作为观测站的原始观 测又称初次观测数据。同时， 按实测数据将各测点展 绘到观测站设计平面图上。 在地表稳定后， 要进行最后一次全面观测， 地表移 动稳定的标志是 连续6个月观测地表各点的累计下沉 值均小于30mm。 3.3.3日常观测工作 日常观测工作， 指的是首次和末次全面观测之间 适当增加的全面测量工作， 为判定地表是否已开始移 动， 在回采工作面推进一定距离相当于0.2～0.5平均 开采深度H0后， 在预计可能首先移动的地区，选择几 个工作测点， 每隔几天用DS3型进行一次水准测量， 按 等外水准测量要求进行， 如果发现测点的累计下沉量 大于10mm时， 即认为地表已经开始移动。 4成果 4.1地表移动变形观测及变形规律研究 观测站地处山区， 地形条件复杂， 观测难度较大， 在工作面中布设了三条观测线， 共进行了20次观测， 8308回采工作面受地质条件限制下沉变化情况复杂， 但取得了较好的观测成果。 针对走向和倾向三条观测线的静态及动态观测成 果， 对随工作面推进过程中的地表移动变形规律进行 分析， 基本掌握了忻州窑矿开采14-3煤层的地表动态 及静态变形规律。 4.2实测地表移动变形参数 通过观测数据分析研究， 分析研究了忻州窑矿开 采14-3煤层的地表动态及静态变形参数。 （1） 实测地表移动变形最大值。实测地表移动变 形最大值如表3所示。 观测时间 设站后 10～15d 采动影响前 地表移动 初始期 地表移动 活跃期 地表移动 衰退期 地表移动 稳定后 观测次数 2 3 2 6 2 2 观测目的 观测站初始测量， 确定各观测 点初始高程、 坐标 确定地表初始移动时间 求取超前影响角和移动初始 期等动态参数 求取地表移动变形值， 研究活 跃期的地表移动变形规律 求取地表移动变形值和地表 移动参数， 研究衰退期地表移动规律 了解地表残余下沉和变形规 律 观测内容 ①与矿区控制网连测 ②GPS静态测量 水准巡视测量 ①从控制点起算对A线的测点进行三维导线测量， 求各点 下沉值； ②测定井下工作面推进位置及采高； ③GPS静态测量 ①测定井下工作面位置及采高； ②测量地面裂缝位置及宽度、 落差等， 填绘于1 2000观测 站对照图上； ③GPS静态测量 ① 全面观测同活跃期； ② GPS静态测量 ① 三维导线测量； ② GPS静态测量 表2岩移观测表 105 2021年第1期西部探矿工程 （2） 地表移动变形角量参数。依据忻州窑矿8308 回采工作面地表移动观测站实测数据求取的山区移动 范围角量参数和模拟求取的观测条件下移动范围角量 参数如表4所示， 地表最大下沉角值如表5所示。 测线 A线 点号 B线 点号 C线 点号 下沉 w （mm） 1071 （21） 1663 （16） 1639 （18） 水平移动 Umm 7.7 （30） 186 （3） 84 （22） t倾斜 imm/m 4.5 （35） 14.5 （21） 19.9 （22） 曲率K10-3/m 0.15 （45） 0.14 （15） 0.31 （22） - 0.30 （46） 0.62 （16） 0.32 （20） 水平变形ε （mm/m） 23.6 （30） 7.6 （3） 1.4 （13） - 24.5 （31） 5.6 （4） 2.5 （17） 表3地表移动变形最大值 观测线 B线 C线 最大下沉角θ（） 77 74 平均最大下沉角θ（） 76 表5地表最大下沉角值 观测线 实测 模拟 A线 B线 C线 A线 B线 C线 边界角 （） 走向左δ060.8 走向右δ062.6 下山β053.3 上山γ055.0 下山β053.9 上山γ057.2 走向左δ060.3 走向左δ062.0 下山β053.6 上山γ062.9 下山β053.2 上山γ065.5 基岩移动角 （） 走向左δ65.6 走向右δ67.7 下山β66.2 上山γ73.4 下山β63.7 上山γ67.5 走向左δ68.6 走向左δ65.6 下山β65.5 上山γ69.3 下山β66.9 上山γ72.8 表4移动范围角量参数 （3） 移动变形过程参数。根据忻州窑矿8308工作 面地表下沉观测站实测资料分析可知本观测条件下求 取的地表移动过程参数如表6所示。 最大下沉速度可按如下经验计算公式估算 VmaxKV∙WmaxC H 式中Wmax移动期内的最大下沉值； H开采深度； C工作面的平均推进速度； KV系数，KV1.29。 （4） 概率积分法地表移动变形预计参数。根据 8308回采工作面实测资料， 利用概率积分法模拟求参 106 2021年第1期西部探矿工程 得到的最佳预计参数值如下。 下沉系数q0.8 水平移动系数b0.17 主要影响角正切tanβ1.5 开采影响传播角θ75 拐点偏移距Si0.03Hi 4.3项目主要成果及研究意义 对忻州窑矿8308工作面对应地面布设观测站， 通 过历时两年的20次的外业观测， 获取了一套较完整的 沉陷观测成果数据， 为准确获取沉陷规律及参数提供 了数据准备。同时， 结合忻州窑矿 14-3煤层特征及 8308工作面采矿地质条件， 分析总结了忻州窑矿开采 14-3煤层的地表移动变形特点及静态和动态变形分布 规律。通过研究获取了移动稳定后地表移动变形的分 布及其主要参数 移动角、 边界角、 最大下沉角、 超前影 响角、 超前影响距、 滞后角及滞后距和地表最大下沉速 度等。 通过岩移观测分析， 为矿区解决开采损害问题及 保护煤柱留设提供了技术参数， 通过模拟分析对照实 测结果， 求取了概率积分法预计参数， 并针对回采工作 面进行了整体预计， 预计结果也证明模拟参数的准确 性和可靠性。 参考文献 [1]煤炭工业管理局.建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程[S].2000. 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