孟村矿首采工作面开采沉陷监测研究

薛志强,张艳超,杨 钊,殷国栋

(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)

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96～170 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4～8°,厚3.70～26.3 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10.5～12.0 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1～2 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:

(1)

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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)×cosα+(Ymn-Y0n)×sinα]×1 000

(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;α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

4 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,活跃阶段的每天下沉速度>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。

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β0、γ0、δ0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(0.2×10-3/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0.035～0.048.

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。