河下开采时地表变形的研究.doc

河下开采时地表变形的研究 摘要 本文结合徐州坨城煤矿在大运河下采煤的实测资料，系统地研究了水体下采煤时地表及河床河堤的移动规律，获得了各类变形参数并取得了显著的经济效益。 关键词 水体下采煤 地表移动 1 采矿地质条件 徐州坨城煤矿4204工作面位于该矿北四采区东侧第二阶段第二工作面，属于石盒子组（夏桥系）2煤层。2煤层上覆岩层主要由砂质页岩、泥岩、页岩及砂岩组成，岩石平均硬度Ⅲ级，抗压、抗剪能力不强，覆岩属性偏软。 地面有两条相通的南北走向的大运河与顺堤河及运河大堤见附图，其余为农田。地面平均标高为＋33．5m，第四系冲积层厚度为60m。 附图 井上下对照图 4204工作面材料道标高－136m，溜子道标高－179m～－240m，走向长380m，倾向长70～178m，煤层倾角37，煤厚1.2m，局部因受断层影响，煤层变薄到0.4m，开采深度－210m。工作面属单向（倾向）非充分采动，根据坨城矿生产计划，4204工作面于1994年9月开始回采，平均推进45m／月。根据坨城矿的地质采矿条件和具体情况，确定4204工作面布置的基本原则是保护运河大堤在开采后的最大下沉量不超过100mm，大堤不能出现可能危及安全的变形和裂缝，确保运河水体和第四系含水层水不能涌入矿井而影响安全，并尽可能多采出煤炭。故采煤方法采用走向长壁炮采，顶板管理采用全部垮落法。 4204工作面上方为4202工作面，已于1992年10月回采完毕，属单向（倾向）非充分采动，基本稳定。在其西侧有4203工作面，已于1992年4月回采完毕，与其相隔一主、副上山煤柱120m。 2 观测站的设计和建立 观测站设计所用的参数选自煤矿测量规程及徐州西部矿区岩层移动角参数成果，具体参数为冲积层移动角φ＝40，基岩移动角γ＝δ＝70，β＝70－0．8α＝45，最大下沉角θ＝90－0．6α＝68，根据煤层倾角及采深，查得修正值Δβ＝12，Δγ＝Δδ＝20，点间距为20m，工作点数为62个，观测线控制点8个，共埋设测量点70个。 4204地表移动观测站于1994年7月建立，按设计要求共埋设观测点70个，分别布置在两条倾斜线和一条走向线上。 3 地表移动变形的观测过程 4204观测站野外观测历时一年半，共进行全面测量2次，水准测量12次。首次全面控制测量于1994年9月进行，按5″光电闭合导线要求施测，实际精度指标为fβ＝17″；相对闭合精度达1／65000；1996年3月进行末次全面测量，按同精度（5″）附合至两端控制点，其附合相对精度分别达1／53000、1／26000；观测点点间距离丈量采用50m比长钢尺按“三架法”往返悬空丈量并附合至两端控制点上，各观测点距离经各项改正后投影至相应观测线方向上。首末两次高程控制均组成闭合环，按三等水准要求测量，日常高程测量按四等水准测量要求施测并附合至各控制点，现场及时进行闭合检查，发现问题当场解决。各控制点最终高程是采用多次不同精度的观测数据统一进行平差，求出最或是高程，作为计算每次观测点高程的依据。 最终地表移动和变形曲线的分布形态根据实测资料绘出走向、倾向观测线实测最终地表移动和变形分布曲线，地表移动最大值及其出现位置见表1。 表1 变形性质 最大下沉 最大倾斜 最大正曲率 最大负曲率 最大水平移动 最大压缩 最大拉伸 最大值 842mm －2．5 0．20 －0．16 434．0 －6．4 5．0 出现位置 19点 19～25点 16点 19～21点 19～21点 19～21点 13点 4 地表移动变形参数的求取 根据观测线综合曲线图（冲积层移动角采用类比法取42）求取以下参数 a 边界角 β0＝47，γ0＝48，δ0＝65； b 岩层移动角 走向移动角 δ＝72； 下山移动角 β＝55； 上山移动角γ因点破坏，无法求取； c 充分采动角 φ3＝77； d 最大下沉角 θ＝62。 采用曲线拟合法求取地表变形预计参数可见表2。 表2 参数名称 求 取 值 取 用 值 备 注 下沉系数 q1＝0．67，q2＝0．77 q0.71 水平移动系数 b0.3 b0.22 主要影响角正切 tgβ1＝2.6，tgβ2＝1．3，tgβ3＝2．0 tgβ＝0．55 拐点偏移距 S1＝－0．18H1，S2＝0．19H2，S3＝－0．01H0 S＝0．05H0 H为采深 5 地表移动变形的动态过程 通过对走向观测线在开采过程中的下沉动态过程的研究可知，在开采过程中地表的下沉是逐渐发生的，并随着开采范围的扩大，地表下沉盆地范围和下沉量逐渐增加，最终形成了一个比较平缓的下沉盆地，地表没有出现突然性下沉和明显的非连续变形。 通过选取三个有代表性的观测点作出动态下沉、下沉速度变化曲线图可看出，各测点的下沉过程是连续渐变的，最大下沉速度达到了10mm/d。 根据最大下沉点19点的下沉速度曲线，求得该测点与其达到最大下沉速度时的工作面位置的连线与水平线在采空区一侧的夹角，即最大下沉速度滞后角为 ωarctg210/7271 6 开采对大运河的影响及规律 根据实测资料，其规律有 a、在坨城煤矿地质采矿条件下的地表呈现出平缓的下沉盆地，无急剧变化的特点； b、地表总移动期为14个月，其中初始期为40天左右，活跃期为4个月，衰退期为9个月，求得了本区域内地表移动的时间界值，为今后该矿区“三下”开采求得了宝贵的资料。 7 结 论 通过该课题的研究，得出了以下结论 a 安全采出煤炭13万t，提高了矿井的资源回收率，按1995年销售价格199元／t计，创产值2585万元。 b 填补了徐州矿区河下采煤的空白，在类似地质采矿条件下具有一定的推广应用前景。 c 通过设站观测取得的大量系统的观测数据，较完整的求取了适用于本矿区的地表移动变形参数，基本掌握了该地质采矿条件下的地表移动变形特点和规律，为以后“三下”开采及留设煤柱提供了可靠的依据；具有显著的矿井经济效益和社会效益。 d 在今后的“三下”开采过程中，对可能造成一定影响与破坏的后果，应提前采取相应防治措施，如选择有利于开采季节，控制开采范围，选择适当的开采方法，以有效控制地表移动变形量。 e 在观测站设计中，应根据可能在移动变形关键区域及易遭破坏的点位附近适当加密观测点，以进一步提高资料的准确性与完整性。