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第３４卷第８期２０２０年８月北京测绘ＢｅｉｊｉｎｇＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＭａｐｐｉｎｇＶｏｌ．３４Ｎｏ．８Ａｕｇｕｓｔ２０２０引文格式刘承旭，崔志浩，李增鑫．彭庄矿区村庄下条带开采地表的移动规律［Ｊ］．北京测绘，２０２０，３４（８）１０６６  １０７０．犇犗犐１０．１９５８０／ｊ．ｃｎｋｉ．１００７  ３０００．２０２０．０８．０１１［收稿日期］２０１９１２１７［作者简介］刘承旭（１９９５－），男，山东潍坊人，硕士在读，研究方向为地表变形监测。犈  犿犪犻犾２２１０４５０１１１＠ｑｑ．ｃｏｍ彭庄矿区村庄下条带开采地表的移动规律刘承旭崔志浩李增鑫（山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛２６６５９０）［摘要］为了研究条带开采工作面的地表移动规律，本文以４３０２工作面的已有资料和和该工作面的实际水准及水平观测数据为基础，对该区域地质条件下的彭庄煤矿４３０２工作面该条采工况推进过程中的地表沉陷规律进行了研究，根据已有的理论基础沪指移动角制图并解算出地表各项移动参数，在理论分析的基础结合实际观测情况上运用概率积分法对矿区地表形变进行了预计。预计结果表明，条带开采对于控制地表移动变形有较好的效果。［关键词］地表移动；条带开采；沉陷规律；形变预计［中图分类号］Ｐ２５８ＴＤ３２５［文献标识码］Ａ［文章编号］１００７－３０００（２０２０）０８－１０６６－５０引言煤炭是我国占比最大的能源消耗品，近些年虽然我国能源结构中的煤炭所占的比重有所下降，但仍然在我国的能源体系中处于主体地位，是国家不可或缺的资源。在采出煤炭的过程中，破坏了开采区域周围岩体的应力平衡，应力得到重新分配，从而达到了新的平衡。在此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏，严重威胁矿区地表居民的人身和财产安全［１］。我国是煤炭储量大国，然而由于“ 三下” 压煤的存在煤炭产出率偏低。条带开采法属于局部开采，此法可有效控制覆岩及地表移动变形、保护地表建（构）筑物，不仅有利于煤矿安全生产、提高煤炭采出率，还降低了生产成本、扩大了矿井经济效益，并为最大限度地减小开采损害提供技术保障［２］。近年来，高效减沉的条带开采法正在被广泛应用到三下压煤开采中来［３］，因此研究彭庄煤矿该工作面条带开采的地表移动规律，对彭庄煤矿储藏的三下压煤的后续开采工作具有重要意义。１观测站布设４３０２工作面位于彭庄煤矿西二采区南翼，地面地势相对平坦，排水干渠纵横交错，一条从西北至东南方向的向阳河从工作面上覆穿过，两条高压线路从东北至西南方向从４３０２工作面西北侧穿过，其中一条为５００ｋＶ高压线路（郓泰线）。相对地面位于张官屯村南侧，王集村北侧，部分在周垓村下。为了确保观测线能有效监测整个采煤影响区及采煤区附近塌陷半流域的地表运动和变形，并获得采动下地表岩石运动的相关参数。在一定条件下，该地区布置了许多观测线，并进行了大量的长期观测。该工作面一共布设了一条走向线和三条倾向线，其中倾向线Ｉ线共２８个测站，该观测线主要用来定期监测观测两个条采工作面南部以及工作面南部上方的周垓村在工作面开采开始后的地表移动情况。Ｅ线为沿向阳河布设的倾向线共３７个测站，用以观测河岸在开采过程中的地表移动情况，保证开采的顺利进行。Ｆ线是位于工作面中部的倾向线共３２个测站，用以观测工作面开采对附近地面的影响。Ｈ线主要位于周垓村内是一条倾向线共４０个测站，实时监测工作面开采对村内地表建筑物的影响。２研究区实测分析２．１下沉规律分析图１、图２分别为走向线Ｉ线和倾向线Ｆ线的动态下沉曲线。由于初次进行观测时工作面第３４卷第８期刘承旭，崔志浩，李增鑫．彭庄矿区村庄下条带开采地表的移动规律开采尚未开始，所以从第二期数据开始统计下沉值。开采初期各水准观测站的地表下沉值较小，随着工作面开采工作面的推进和水准测量监测工作的定期进行，对周围岩体不断破坏，地表逐渐进入移动变形活跃期，下沉速度越来越大，下沉量与此同时也逐渐增大［４］。工作面停采后下沉速度迅速减小，整个水准监测过程中地表下沉速度呈现先增大后减小的状态。通过分析水准观测数据可知，在４３０２  １工作面和４３０２  ２两个工作面间歇条采的过程中，由于覆岩关键层中细砂岩对开采工作面围岩的应力平衡起着决定性的作用，所以地表的最大下沉量相对较小，地表下沉曲线形态为极不充分采动时的状态，基本呈岩梁挠度形态［５］。图１犉观测线下沉曲线图由图１可以看出观测线两端距离工作面较远的点受煤矿开采的影响较小，下沉量较小。离工作面越近水准观测点受煤炭开采的影响越大，下沉量越大。最大下沉值距离第一个观测点Ｆ２１的距离为５００ｍ，基本位于两个工作面中央，且曲线大致关于峰值对称。图２中Ｉ１点距离工作面４３０２  ２约２４０ｍ受工作面开采影响而引起的沉陷较小，随着点距离Ｉ１距离的拉近，沉陷值不断增大。Ｉ２８距离工作面不足１００ｍ所以地表变形较明显。由图１和图２可以清晰地看出第五期数据和第六期数据下沉值相差较大。分析工作面的开采进度以及观测规律可知，由于工作面推进速度较快且观测相隔时间相对较长，所以第五期与第六期数据下沉量相差较大［６］。从第十期数据开始为停采后的观测结果，此时两个工作面地表移动尚处于活跃期，地表移动还将持续，随着下沉速度的减缓地表移动逐渐趋于稳定。由图１、图２可知最大下沉值偏向于下山方向，究其原因是因为该工作面煤层倾角平均为１２．４，属于缓倾斜煤层，随着工作面的推进最大下沉值会偏向于下山方向，符合地表沉陷移动规律［７］。分析获得的水准数据可知彭庄煤矿该条采工况下开采引起的地表下沉较小，产生的地表移动变形相对较小［８］。图２犐观测线下沉曲线图２．２地表移动变形的参数确定２．２．１下沉系数彭庄矿区４３０２工作面为充分采动条件下求下沉系数。充分下沉条件下测得该工作面最大下沉值（犠ｍａｘ），下沉系数狇的计算公式如下狇＝犠ｍａｘ／犿ｃｏｓ δ （１）已知彭庄煤矿４３０２工作面的煤层采厚为３．０７ｍ，平均采深为５５０ｍ，采空区倾斜方向的实际长度为４２ｍ，采空区走向方向的实际长度为１２３０ｍ，煤层倾角为１２．４，实测最大下沉值为４１４ｍｍ。采动系数为采空区倾斜或者走向方向所开采的实际长度与工作面充分采动相应的倾斜或者水平方向的最小长度之比。倾向和走向方向采动系数的计算公式表式为狀１＝犓１（犇１／犎０）（２）狀２＝犓２（犇２／犎０）（３）式中犇１为采空区倾斜方向的实际长度；犇２为采空区走向方向的实际长度；犎０为平均采深；犓１、犓２一般取０．８。经过计算得狀１＝０．０６１；狀２＝１．７８。由采动系数可知彭庄煤矿４３０２工作面沿走向方向达到充分采动，而该工作面沿倾向方向未达到充分采动，所以计算公式为狇＝犠ｍａｘ／犿ｃｏｓα 狀１狀槡２＝０．１９（４）所以，４３０２工作面的下沉系数为０．１９。２．２．２水平移动系数由最大水平移动的计算公式犝０＝犫犠０可推得犫＝犝０／犠０（５）７６０１北京测绘第３４卷第８期图３４３０２工作面求参结果图式中犝０最大水平移动值；犠０最大下沉值；犫水平移动系数。利用在该工作面长时间定期观测获得的数据，分析得到该工作面的最大水平移动值为１２２．３ｍｍ，所有水准观测点中的最大下沉值为４１４ｍｍ。水平移动系数计算公式为犫＝犝０／犠０＝１２２．３／４１０＝０．３０（６）所以，该工作面的水平移动系数为０．３０。２．２．３主要影响半径和主要影响角正切主要影响半径指的是矿区地表变形的影响范围，可根据在彭庄４３０２工作面定期水平以及水准测得的数据，计算分析得到倾斜的最大值和下沉的最大值，利用已知公式求得主要影响半径。已知由最大倾斜值和主要影响半径求最大下沉值的公式为犠０＝犻０狉（７）因此，主要影响半径的计算公式为狉＝犠０／犻０（８）式中狉为主要影响半径；犠０为最大下沉值；犻０为最大倾斜值。由观测数据经过软件处理获得的下沉曲线得到的结果知，４３０２工作面的最大倾斜值为２．０１ｍｍ／ｍ，带入公式进行计算，影响半径为狉＝狑０／犻０＝４１４／２．０１＝２０６犿（９）相应主要影响角正切为Ｔａｎ β＝犎／狉＝５３０／２０６＝２．５７（１０）结合测量成果及４条观测线的下沉曲线图，根据工作面的实际开采情况以及经验公式可得到岩层的移动预计参数为彭庄４３０２工作面的地表下沉系数狇＝０．１９，主要影响角正切ｔａｎ β＝２．５７，水平移动系数犫＝０．３０，主要影响半径狉＝２０６ｍ。将分析研究的４３０２工作面作为计算对象，利用开采沉陷数据处理与预计软件ＳＯＤＰ３分析最优参数，从而获取地表移动变形参数。进一步得到概率积分法最优参数，实质上就是求取使误差函数值最小的参数值［９］。概率积分法预计模型的误差函数是典型的多峰多态函数，分析预计模型最优参数的关键在于寻找全局最优参数。在软件中建好工程并将工作面数据导入软件。使用直线段，标注出该工作面走向方向和倾向方向，然后使用多段线逆时针绘制出开采区域。拾取煤层底板等高线上的点或巷道导线点，输入各个点的采深值。采深点拾取完毕后，将拾取的采深点导入工程。将拾取的工程数据导入求参项目中。输入实测数据的观测日期、实测数据的类型，并将实测数据复制到文本框中，完成求参数据的导入。点击“ 开始解算” ，等待最优参数解算完毕［１０］，求参结果如图４所示。预计的参数为下沉系数狇＝０．１８，主要影响角正切ｔａｎ β＝２．４７，拐点偏移距犽＝０．０７，预计中误差为２０８，残差平方和为１７３４５９３。将预计分析得到的地表变形参数与实测数据处理计算获得的地表变形参数进行对比，两种方法获得的下沉系数与主要影响角正切基本相同，对传统方法获得的参数进一步验证［１１］。３采煤沉陷预计软件分析在彭庄煤矿该条采工况所对应的开采条件，８６０１第３４卷第８期刘承旭，崔志浩，李增鑫．彭庄矿区村庄下条带开采地表的移动规律运用基于Ｓｕｆｆｅｒ平台的采煤地表移动变形预计软件对工作面的地表移动进行预计。表１４３０２工作面地表变形预计参数表变形预计参数数值变形预计参数数值角点个数／个４煤层倾角／（）１２．４主要影响角正切２．５７开采影响传播角／（）９０下沉系数０．１９水平移动系数０．３０煤层采厚／ｍ３．０７平均采深／ｍ５５０参照该工作面经过观测处理获得如表１所示的相关地表变形预计参数，利用地表变形预计软件对地表各种移动变形进行预计，所得部分结果如图４、图５所示。图４该条采条件下地表下沉等值线分布图图５该条采条件下地表水平变形等值线分布图由图５可以看出条采两个工作面地表下沉值是在２１０ｍｍ～２７０ｍｍ之间，沿着两个工作面的布置走向呈现增大趋势。两个工作面之间受围岩应力平衡被破坏而发生的地表移动最大，最大下沉值达到了２７０ｍｍ。由图６可以看出两个工作面中间地表变形最大，最大水平变形值达到了１．３ｍｍ／ｍ。对比两张图可以看出水平变形范围略大于地表下沉范围，其原因主要是由于在覆岩关键层的控制下坚硬厚岩层的挠曲变形使得地表水平变形范围较下沉范围大。表２４３０２工作面各移动变形值统计表移动变性参数移动变形值最大下沉值犠／ｍｍ２７０最大倾斜值犻／（ｍｍ／ｍ）１．１最大水平移动μ／ｍｍ７０最大曲率值犓／ｍ０．００３１０－３最大水平变形值ε／（ｍｍ／ｍ）１．３水平变形值范围／（ｍｍ／ｍ）０～１．３根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范规程的评价标准，预计所得表２中的各项移动变形值均满足该规程建筑物 Ⅰ级损害的要求，对地表建筑物基本无破坏［１２］。４结束语（１）通过对彭庄煤矿４３０２两个条采工作面地表移动观测站所取得的数据进行处理分析，探求了硬岩条件下条带开采前后地表移动变形的特点和规律，取得了地表沉降的些移动和变形参数，对类似条件矿区建下采煤及保安煤柱留设具有一定的借鉴价值。（２）基岩在煤矿采动及上覆厚褐土层载荷影响的综合作用下，导致预计所得的地表水平变形范围大于沉陷范围，同时在关键层厚硬砂岩的控制下，地表移动下沉盆地未出现异常，协调平缓，得到的各项地表移动变形参数均在Ｉ级破坏范围内，可保证开采安全。（３）通过实地测量数据的计算分析结合地表移动变形预计所得各项参数的论证分析可得在彭庄矿区地质采矿条件下，运用条带开采方法进行开采，在保护地表建筑物的同时提高了经济效益，同时验证了原开采方案设计参数的选取是合适的。参考文献［１］邓喀中．变形监测及沉陷工程学［Ｍ］．江苏徐州中国矿业大学出版社，２０１４．９６０１北京测绘第３４卷第８期［２］余学义，郭文彬，赵兵朝，等．巨厚黄土层宽条带开采地表移动规律及参数优化［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１６，４４（４）６  １０．［３］刘义新，戴华阳，郭文兵．巨厚松散层下深部宽条带开采地表移动规律［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００９，２６（３）３３６  ３４０．［４］余学义，刘传杰．亭南煤矿村庄下宽条带开采地表移动规律研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１９，５１（５）１１８  １２２．［５］王钰．基于Ｄ  ＩｎＳＡＲ及数值模拟的张双楼矿开采沉陷规律研究［Ｄ］．江苏徐州中国矿业大学，２０１９．［６］余学义，刘传杰．亭南煤矿村庄下宽条带开采地表移动规律研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１９，５１（５）１１８  １２２．［７］李家琪．菏泽赵楼矿深部开采地表沉陷变形规律与预计参数研究［Ｄ］．辽宁阜新辽宁工程技术大学，２０１７．［８］刘娜，栾元重，刘阳．欢城煤矿二号井村庄下压煤开采设计分析［Ｊ］．煤矿开采，２０１１，１６（１）４４  ４７．［９］高永格，牛矗，张强，等．厚松散层下采煤地表沉陷特征研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１９，４７（６）１９２  １９８．［１０］邹友峰，陈俊杰，张子月．矿山开采沉陷类项目基金资助现状与学科发展方向展望基于国家自然科学基金资助的视角［Ｊ］．河南理工大学学报自然科学版，２０１７，３６（６）１  ７．［１１］刘欣，吴昊，贾勇帅，等．基于概率积分法的矿区地表沉陷预计分析［Ｊ］．北京测绘，２０１７（１）１２３  １２６．［１２］田华，李淑梅，张利群．大采深硬岩层条件下地表移动变形规律研究［Ｊ］．北京测绘，２０１６（３）１１  １４．犛狌狉犳犪犮犲犕狅狏犲犿犲狀狋犔犪狑狅犳犛狋狉犻狆犕犻狀犻狀犵犻狀犞犻犾犾犪犵犲狊犻狀犘犲狀犵狕犺狌犪狀犵犕犻狀犻狀犵犃狉犲犪犔犐犝犆犺犲狀犵狓狌，犆犝犐犣犺犻犺犪狅，犔犐犣犲狀犵狓犻狀（犆狅犾犾犲犵犲狅犳犌犲狅犿犪狋犻犮狊，犛犺犪狀犱狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犙犻狀犵犱犪狅犛犺犪狀犱狅狀犵２６６５９０，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋犐狀狅狉犱犲狉狋狅狊狋狌犱狔狋犺犲狊狌狉犳犪犮犲犿狅狏犲犿犲狀狋犾犪狑狅犳狋犺犲狊狋狉犻狆犿犻狀犻狀犵狑狅狉犽犻狀犵犳犪犮犲，狋犺犻狊犪狉狋犻犮犾犲狑犪狊犫犪狊犲犱狅狀狋犺犲犲狓犻狊狋犻狀犵犱犪狋犪狅犳狋犺犲４３０２狑狅狉犽犻狀犵犳犪犮犲犪狀犱狋犺犲犪犮狋狌犪犾犾犲狏犲犾犪狀犱犺狅狉犻狕狅狀狋犪犾狅犫狊犲狉狏犪狋犻狅狀犱犪狋犪狅犳狋犺犲狑狅狉犽犻狀犵犳犪犮犲．犜犺犲犵狉狅狌狀犱狊狌犫狊犻犱犲狀犮犲犾犪狑狑犪狊狉犲狊犲犪狉犮犺犲犱犱狌狉犻狀犵狋犺犲犪犱狏犪狀犮犲犿犲狀狋狅犳犿犻狀犻狀犵犮狅狀犱犻狋犻狅狀狊．犅犪狊犲犱狅狀狋犺犲犲狓犻狊狋犻狀犵狋犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾犫犪狊犻狊，狋犺犲犛犺犪狀犵犺犪犻犻狀犱犲狓犿狅狏犲犿犲狀狋犪狀犵犾犲狑犪狊犿犪狆狆犲犱犪狀犱狋犺犲犵狉狅狌狀犱狊狌狉犳犪犮犲犿狅狏犲犿犲狀狋狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狑犲狉犲犮犪犾犮狌犾犪狋犲犱．犅犪狊犲犱狅狀狋犺犲狋犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾犪狀犪犾狔狊犻狊犮狅犿犫犻狀犲犱狑犻狋犺狋犺犲犪犮狋狌犪犾狅犫狊犲狉狏犪狋犻狅狀狊，狋犺犲狆狉狅犫犪犫犻犾犻狋狔犻狀狋犲犵狉犪狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱狑犪狊犪狆狆犾犻犲犱狋狅狋犺犲犿犻狀犻狀犵狊狌狉犳犪犮犲犱犲犳狅狉犿犪狋犻狅狀狑犺犻犮犺狑犪狊犲狓狆犲犮狋犲犱．犜犺犲犲狓狆犲犮狋犲犱狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狊狋狉犻狆犿犻狀犻狀犵犺犪犱犪犫犲狋狋犲狉犲犳犳犲犮狋狅狀犮狅狀狋狉狅犾犾犻狀犵狊狌狉犳犪犮犲犿狅狏犲犿犲狀狋犪狀犱犱犲犳狅狉犿犪狋犻狅狀．犓犲狔狑狅狉犱狊狊狌狉犳犪犮犲犿狅狏犲犿犲狀狋；狊狋狉犻狆犿犻狀犻狀犵；狊狌犫狊犻犱犲狀犮犲犾犪狑；犱犲犳狅狉犿犪狋犻狅狀狆狉犲犱犻犮狋犻狅狀０７０１

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