三河尖煤矿深部开采沉陷规律实测研究.pdf

书书书 doi 檶檶檶檶檶 檶 檶檶檶檶檶 檶 殞 殞 殞 殞 10． 3969/j． issn． 1001 －358X． 2019． 01． 001 开采沉陷 三河尖煤矿深部开采沉陷规律实测研究 * 袁力1， 谭志祥2 1． 徐州矿务集团有限公司 征迁部， 江苏 徐州221006; 2． 中国矿业大学 环境与测绘学院， 江苏 徐州221116 摘要 基于铁路沉陷观测站实测资料， 求取了多个工作面的概率积分法预计参数， 获得了深部开采沉 陷规律， 并针对深部开采单个工作面属于非充分采动的特点， 对下沉系数进行了修正和综合分析， 研 究成果为矿区今后开采沉陷控制提供了科学依据。 关键词观测站;开采沉陷;规律;概率积分法;预计参数 中图分类号 TD327文献识别码 A 文章编号 1001 －358X 2019 01 －0001 －05 In － situ measurement study on the law of deep mining subsidence in Sanhejian colliery Yuan li1，Tan Zhixiang2 1． Xuzhou Coal Mining Group，Ｒelocation Department，Xuzhou 221006，China; 2． School of Environment Science and Spatial Inatics， China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China AbstractOn the basis of the railway subsidence observation data，probability integral predicting parameters of several working faces were calculated，and the law of deep mining subsidence was obtained． And for the charac- teristics of incomplete mining of a single working face in deep mining，the subsidence coefficient had been modified and comprehensively analyzed． The research results provided a scientific basis for the future mining subsidence con- trol in mining areas． Key wordsobservation station;mining subsidence;law;probability integral ;predicting parameters * 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51774270 引用格式 袁力， 谭志祥． 三河尖煤矿深部开采沉陷规律实测研究［J］． 矿山测量， 2019， 47 1 1 －5， 48． 徐州矿务集团三河尖煤矿东四采区位于龙固火 车站下方附近， 工作面开采后地表沉陷量较大， 为 此， 专门建立了铁路沉陷观测站， 及时观测铁路和地 表沉陷情况， 为铁路沉降治理提供科学依据 ［1 －4 ］。 铁路观测站始建于 2003 年 4 月， 至 2016 年 4 月， 累 计观测 290 多次， 获得了大量的实测数据， 保障了铁 路运输的安全; 2014 年 4 月， 三河尖煤矿在本区的最 后一个小工作面 7445 面开采结束， 地表沉降逐渐减 小并趋于稳定。 观测站获得了大量实测资料， 目前徐州矿区地 表沉陷规律研究成果较少、 深部开采沉陷规律研究 成果更少， 依照相关规定， 通过总结分析， 获得了本 区深部开采沉陷规律， 并求取了概率积分法预计参 数， 为今后开采沉陷控制提供了科学依据 ［5 －8 ］。 1观测站下方开采情况 三河尖矿东四采区首采面 7401 工作面于 2000 年 11 月开始回采， 至 2014 年 4 月， 在铁路下方附 近， 共开采了 21 个大小不同的工作面， 所采煤层均 为 7 煤。东四采区开采工作面平均采深约 700 m、 属于深部开采， 煤层平均倾角 6左右， 平均采厚约 为 5． 0 m， 工作面采煤方法为长壁综采或综放开 采， 顶板管理方法为全部冒落法。各工作面平面位 置见图 1。 1 第 47 卷第 1 期 2019 年 2 月 矿山测量 MINE SUＲVEYING Vol． 47 No. 1 Feb. 2019 图 1铁路观测站井上下对照简图 2观测站布设及观测情况 铁路专用线观测站沿铁路专线设置观测线， 设 置控制点 3 个、 观测点 48 对， 其中地表路基测点为 L1 ～ L48， 铁路轨道测点为 G1 ～ G48; 自北向南依次 为点 A、 B、 L1 G1 、 L2 G2 、 、 L48 G48 、 L51。 A、 B、 L51 为控制点、 控制点间距较大， 观测点间距 25 m 左右。观测站测点图位置见图 1。 观测站首次观测于 2003 年 4 月 11 日进行， 测 量包括全面观测和水准测量两种。从首次观测至 2016 年 4 月 13 日共进行水准测量 295 次， 全面观测 10 多次。 3观测成果分析 由于 2011 年以后， 三河尖煤矿在本区开采的工 作面均为边角煤工作面、 布设不太正规， 对于求取开 采沉陷参数不利， 故本文针对 2011 年以前的观测数 据， 参照相关文献 ［9 －10 ］， 进行了处理和分析。 3． 1地表移动动态变形规律分析 根据野外不同时期对观测站进行的水准测量数 据， 可以得到东四采区多工作面开采后地表动态下 沉曲线图及倾斜、 曲率变形曲线图， 见图 2 ～ 图 4 所 示。图中横坐标的距离为各观测点距起测点 1 的距 离。 图 2东四采区地表观测站动态下沉曲线 由图 2 可知， 随着多工作面的开采， 开采范围增 大， 地表下沉逐渐增大， 同时地表影响范围逐渐增 大。7429 工作面开采时间为 2010 年 7 月 ～2010 年 11 月， 工作面开采完成后， 除了观测线右上角留有一 2 第 1 期矿山测量2019 年 2 月 小煤柱以外， 其余位置全部开采完成， 地下连成一 片。依据 2010 年 12 月 15 日的数据， 最终地表下沉 盆地呈 “碗形” ， 未出现明显的“盆形” 下沉盆地， 说 明地表未达到充分采动， 也表明深部开采很难达到 充分采动。 图 3东四采区地表观测站动态倾斜曲线 图 4东四采区地表观测站动态曲率曲线 由图 3 ～ 图 4 可知， 倾斜曲线以采空区中心近于 反对称， 边界点至拐点倾斜值逐渐增大， 拐点至最大 下沉点倾斜值逐渐减小; 采空区中心倾斜值约为 0， 两侧出现方向相反的最大值， 分别为 4． 6 mm/m 和 4． 1 mm/m。地表最大正曲率为 0． 04 mm/m2， 最大 负曲率为 － 0． 06 mm/m2; 因为曲率值比较小， 导致 测量误差对其影响增大， 致使曲率曲线没有明显规 律。 由以上可见， 总体上三河尖煤矿东四采区深部 开采沉陷规律符合开采沉陷一般规律。 3． 2开采沉陷预计参数分析 由于本区观测站主要目的是观测铁路沉降、 保 障铁路安全; 观测站布设不规则、 不属于正规地表移 动变形观测站， 故无法求取移动角、 边界角等相关岩 移参数， 故这里只进行不规则观测站的概率积分法 预计参数的求取分析工作。 3． 2． 1各工作面下沉数据求参分析 三河尖矿东四采区从 2004 年 1 月至 2010 年 12 月开采了多个工作面， 其中较正规、 便于求参的工作 面为7409、 7407、 7413 等3 个工作面。下面对3 个工 作面下沉数据进行求参分析。 1 7409 工作面 7409 工作面走向长 1 046 m， 倾向长 145 m， 煤 层倾角平均4， 平均采深700 m， 开采时间为2003 年 3 第 1 期袁力等 三河尖煤矿深部开采沉陷规律实测研究*2019 年 2 月 12 月 ～2004 年 8 月; 依照观测数据， 通过剔除前后 开采工作面的影响， 近似获得 7407 工作面开采引起 的观测站下沉曲线， 见图 5 中实测下沉值曲线， 7407 工作面开采引起的观测站最大下沉 78 mm。 利用 7409 工作面开采引起的观测站下沉值进 行求参， 求得预计参数为 下沉系数 q 0． 33， 主要影 响角正切 tanβ 1． 85， 开采影响传播角 θ085． 75， 拐点偏移距 S 0． 04 H， 拟合效果图见图 5。 图 5 7409 工作面对地表下沉影响拟合效果图 由于本区采深较大， 各工作面均属于非充分采 动， 下面根据 “三下采煤规范” 中规定的小工作面下 沉系数修正方法， 对 7409 工作面的下沉系数进行修 正， 求取其在充分采动条件下的下沉系数。 7409 工作面走向长 1 046 m， 倾向长 145 m， 平 均采深 700 m。 走向宽深比 D3 H0 1 046 700 1． 494 ＞0． 6 不再进行 修正， 倾向宽深比 D1 H0 145 700 0． 207 将数据进行线性插值， 可得 q q充 0． 491 2， 则 q充 0． 33 0． 491 2 0． 67。 式中， D3为工作面走向长度， m; D1 为工作面倾向长 度， m; H0为平均采深， m;q 充为充分采动条件下的 下沉系数。 2 7407 工作面 7407 工作面位于 7409 工作面以北 480 m 处， 与 7409 工作面平行， 在 7409 工作面完成后开始回采， 开采时间为 2004 年 8 月 ～ 2005 年 11 月， 走向长 1 413 m， 倾向长 142 m， 煤层倾角平均 5， 平均采深 693 m。通过数据处理， 获得 7407 工作面开采引起 的观测站下沉曲线， 见图 6， 7407 工作面开采引起的 观测站最大下沉 139 mm。 利用 7407 工作面开采引起的观测站下沉值进 行求参， 求得预计参数为 下沉系数 q 0． 35， 主要影 响角正切 tanβ 1． 78， 开采影响传播角 θ086． 00， 拐点偏移距 S 0． 02 H， 拟合效果图见图 6。 图 6 7407 工作面对地表下沉影响拟合效果图 4 第 1 期矿山测量2019 年 2 月 对 7407 工作面的下沉系数进行修正， 求取其在 充分采动条件下的下沉系数。 7407 工作面走向长 1 413 m， 倾向长 142 m， 平 均采深 693 m。 走向 D3 H0 1 413 693 2． 039 ＞0． 6 不再进行修正， 倾向 D1 H0 142 693 0． 205 将数据进行线性插值， 可知，q q充 0． 488 0， 则 q充 0． 35 0． 488 0． 71。 3 7413 工作面 7413 工作面开采时间为 2005 年 10 月至 2006 年 1 月， 走向长 489 m， 倾向长 137 m， 煤层倾角平均 3， 平均采深 689 m。通过数据处理， 获得 7413 工作 面开采引起的观测站下沉曲线， 见图 7， 7413 工作面 开采引起的观测站最大下沉 74 mm。 利用 7413 工作面开采引起的观测站下沉值进 行求参， 求得预计参数为 下沉系数 q 0． 33， 主要影 响角正切 tanβ 1． 84， 开采影响传播角 θ086． 05， 拐点偏移距 S 0． 03 H， 拟合效果图见图 7。 图 7 7413 工作面对地表下沉影响拟合效果图 对 7413 工作面的下沉系数进行修正， 求取其在 充分采动条件下的下沉系数。 7413 工作面走向长 489 m， 倾向长 137 m， 平均 采深 689 m。 走向 D3 H0 489 689 0． 71 ＞0． 6 不再进行修正， 倾向 D1 H0 137 689 0． 199 将数据进行线性插值， 可知，q q充 0． 475 2， 则 q充 0． 33 0． 475 2 0． 70。 3． 2． 2概率积分法参数综合分析 根据 “三下采煤规范” 规定的下沉系数修正值 型， 得出 3 个工作面修正后的下沉系数， 即本矿区地 质条件下充分采动下沉系数， 将 3 个工作面修正后 的下沉系数取平均值， 最终确定本矿区充分采动下 沉系数 q 0． 70。 根据矿区实际情况及实测数据进行求参的结 果， 通过综合分析， 最终确定本区采用的概率积分法 预计参数为 下沉系数 q 0． 70; 主要影响角正切 tanβ 1． 8; 开采影响传播角 θ 90 － 0． 5α; 拐点偏 移距 S 0． 03 H。 4结语 徐州三河尖煤矿东四采区采深较大， 铁路下采 煤时建立了铁路沉陷观测站， 采煤及观测工作历时 10 多年， 获得了大量的观测数据， 通过总结分析， 获 得了本区深部开采沉陷规律， 并求取了多个工作面 的概率积分法预计参数， 针对深部开采单个工作面 属于非充分采动的特点， 对下沉系数进行了修正和 综合分析， 研究成果为矿区今后开采沉陷控制提供 了科学依据。 参考文献 ［ 1］ 滕永海， 张荣亮． 徐州矿区地表移动规律研究［ J］ ． 矿 山测量， 20033 34 － 35． ［ 2］ 王勇． 徐州矿区地表移动观测与参数的求取［ J］ ． 矿山 测量， 2013 4 79 －81． 下转第 48 页 5 第 1 期袁力等 三河尖煤矿深部开采沉陷规律实测研究*2019 年 2 月 与关键技术［ J］ ． 煤炭学报， 2003， 28 1 1 －7． ［ 3］ 吴立新． 数字地球、 数字中国与数字矿区［ J］ ． 矿山测 量， 2000， 28 1 6 －9． ［ 4］ 僧德文，李仲学，张顺堂，等． 数字矿山系统框架与关 键技术研究［ J］ ． 金属矿山， 2005， 34 12 47 －50． ［ 5］ 吴立新，史文中，Christopher Gold． 3D GIS 与 3D GMS 中的空间构模技术［ J］ ． 地理与地理信息科学，2003， 13 1 5 －11． ［ 6］ 王继周，李成名． 城市景观三维模型库的原理、 构建及 应用［ J］ ． 测绘科学， 2007， 4 20 －22， 192． ［ 7］Simon W H． 3D Geoscience modelingcomputer tech- niques for geological characterization［M］ ．Springer － Verlag， 1994． ［ 8］Stothard P． The Feasibility of Applying Virtual Ｒeality Simulation to the Coal Mining Operations［J］ ． Australa- sion Institute of Mining and Metallurgy Publication Se- ries， 2003， 34 5 175 －183． ［ 9］Quresh H S，Khan M M，Hafiz Ｒ，et al． Quantitative quality assessment of stitched panoramic images［ J］ ． IET Image Processing， 2012， 6 9 1348 －1358． ［ 10］ Chen F X， Wang Ｒ S． Fast ＲANSAC with preview model parameters uation［ J］ ． Journal of Software， 2006， 16 8 1431 －1437． ［ 11］ 叶芳芳，许力． 实时的静止目标与鬼影检测及判别方 法［ J］ ． 浙江大学学报 工学版 ，2015，49 1 181 －185， 192． ［ 12］ 戴华阳，冉飞鹏． 一种适于移动设备的全景影像快速 拼接方法［J］ ． 计算机应用，2014，34 9 2673 － 2677． ［ 13］ 冉飞鹏，江涛，戴华阳， 等． 基于 Flex 框架的数字校 园建设关键技术［J］ ． 地球信息科学学报，2013，1 15 123 －127． ［ 14］ 郑悦，程红，孙文邦． 邻域最短距离法寻找最佳拼接 缝［ J］ ． 中国图象图形学报， 2014， 19 2 227 －233． 作者简介 冉飞鹏 1985 － ， 男， 汉族， 博士， 主要研究方向 三维地理信息系统、 三维全景技术、 数字城市。 收稿日期 2018 －05 －31 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 上接第 5 页 ［ 3］ 谭志祥， 袁力， 李培现， 等． 徐州矿区地表移动角值参 数综合分析［ J］ ． 煤炭科学技术，2014， 42 589 － 94． ［ 4］ 王其芳． 矿区岩移参数规律研究［ J］ ． 有色金属 矿山 部分 ， 2007 5 31 －32． ［ 5］ 国家安全监管总局． 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规范［ M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2017． ［ 6］邓喀中， 谭志祥， 姜岩， 等． 变形监测及沉陷工程学 ［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2014． ［ 7］ 何国清， 杨伦， 凌赓娣， 等． 矿山开采沉陷学［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1991． ［ 8］ 周国铨，崔继宪，刘广容，等． 建筑物下采煤［ M］ ． 北 京煤炭工业出版社， 1983． ［ 9］ 吴侃， 周鸣． 矿区沉陷预测预报系统［ M］ ． 徐州 中国 矿业大学出版社， 1999． ［ 10］ 马金铃， 高井祥， 张书毕． 数据分析与测量数据处理 ［ M］ ． 徐州中国矿业大学出版社， 1994． 作者简介 袁力 1968 － ， 男， 江苏睢宁人， 高级工程师， 现在 徐州矿务集团有限公司征迁部从事技术管理工作。 收稿日期 2018 －10 －16 84 第 1 期矿山测量2019 年 2 月