厚松散层大采深下采煤地表移动规律研究.pdf

第4 1 卷第5 期 2 0 1 3年 5月 煤 炭科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y V o 1 ． 4 1 No ． 5 Ma v 2 01 3 厚松 散层大 采深下采煤地表移 动规律研 究 刘义新 ， 戴华阳 ， 姜耀东 ， 张一帆 ， 彭桢 1 ． 煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院， 北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 中国矿业大学 北京 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 为研究淮南矿 区巨厚松散层 大采深下采煤地表移动规律 ， 对松散层厚 4 0 0 m、 采深 5 0 0 m 的 某矿 1 1 1 1 8工作面地表沉陷实测数据进行 了分析 ， 得 出了厚松散层大采深下采煤地表移动静 态、 动态 规律和地表移动参数。结果表 明 淮南矿 区厚松散层 大采深下采煤地表下沉曲线具有走 向、 倾向的双 向对称特征 ； 走向边界角、 上、 下山边界 角很小且三者相等为 3 5 。 ； 地表移动盆地边界收敛缓慢 ， 出现 长距离缓慢下沉带， 建筑物受损轻微； 采空区上方地表下沉集中且地表移动变形值大， 建筑物损坏严 重； 同等开采条件下， 厚松散层 下单工作面采煤地表采动程度较一般 开采条件 下高， 易接近或达到充 分采动状 态。 关键词 厚松散层 ； 深部开采 ； 地表移动 ； 采动程度 中图分类号 T D 3 2 5 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 0 1 3 0 5 - 0 1 1 7 - 0 4 St ud y o n S ur f a c e M o v e me nt La w Ab o v e Un de r g r o u nd De e p M i ni ng Un d e r Th i c k Unc o n s o l i d a t e d Ov e r b ur d e n S t r a t a L I U Yi - x i n， D AI Hu a - y a n g ， J I ANG Ya o d o n g， Z HANG Yi f a n， P E NG Z h e n 1 ． Mi n e S a f e t y T e c h n o l o g y B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y t h e s u r f a c e mo v e me n t l a w a b o v e t h e d e e p u n d e r g r o u n d c o a l mi n i n g u n d e r u l t r a t h i c k u n c o n s o l i d a t e d o v e r b u r d e n i n Hu a i n a n Mi n i n g Ar e a， a n a n a l y s i s w a s c o n d u c t e d o n t h e me a s u r e d d a t a o f t h e s u r f a c e s u b s i d e n c e a b o v e t h e No ． 1 1 1 1 8 c o a l mi n i n g f a c e u n d e r a u n c o n s o l i d a t e d o v e r b u r d e n s t r a t a wi t h a t h i c k n e s s o f 4 0 0 m a n d wi t h a mi n i n g d e p t h o f 5 0 0 n 1 ． T h e s u r f a c e mo v e me n t s t a t i c s ， d y n a mi c s l a w a n d s u r f a c e mo v e me n t p a r a me t e r a b o v e t h e d e e p u n d e r g r o u n d c o a l mi n i n g wi t h t h i c k u n c o n s o l i d a t e d o v e r b u r d e n w e r e o b t a i n e d ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s u b s i d e n c e c u r v e o f t h e s u r f a c e a b o v e t h e d e e p h i g h mi n i n g w i t h t h e t h i c k u n c o n s o l i d a t e d o v e r b u r d e n i n Hu a i n a n Mi n i n g Ar e a h a d t h e s t r i k e a n d i n c l i n a t i o n d o u b l e d i r e c t i o n a l s y mme t r i c a l f e a t u r e s a n d t h e s t r i k e b o u n d a r y ． T h e s t r i k e b o u n d a r y a n g l e， t h e d i p a n d r i s e b o u n d a r y a n g l e s we r e s ma l l a n d t h e t h r e e a n g l e s we r e a l l 3 5 。 ． T h e c o n v e r g e n c e o f t h e s u r f a c e mo v e me n t b o u n d a ry w a s s l o w， a l o n g d i s t a n c e s l o w s u b s i d e n c e z o n e w a s o c c u r r e d a n d t h e b u i l d i n g s o n t h e s u r f a c e we r e f a i l e d s l i g h t l y ． T h e s u b s i d e n c e o f t h e s u rfa c e a b o v e t h e mi n i n g g o a f wa s c e n t r a l i z e d， t h e mo v e me n t d e f o r ma t i o n v a l u e o f t h e S U l a c e w a s h i g h a n d t h e f a i l u r e o f t h e b u i l d i n g s wa s s e ri o u s ． Un d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e s a me mi n i n g， t h e mi mi n g d e g r e e o f t h e s u rfa c e a b o v e t h e s i n g l e c o a l mi n i n g f a c e w i t h t h i c k u n e o n s o l i d a t e d o v e r bu r d e n wo u l d b e h i g h e r t h a n t h e c o n v e n t i o na l mi n i n g c o n d i t i o n a nd wo u l d be e a s y o r r e a c h f u l l mi n i n g s t a t us ． Ke y wo r d s t h i c k u n c o n s o l i d a t e d o v e r b u r d e n； d e e p mi n i n g ； s u rf a c e mo v e me n t ； mi n i n g d e gre e 0 引 言 我国厚松散层矿区分布广泛 ， 主要分布在华东 、 华 中、 华北等地区的兖州、 济宁、 两淮、 焦作 、 峰峰 、 开 滦等矿区 卜 引。厚松散层下采煤导致的开采损害与 地质损害现象普遍存在， 引发的环境影响及相关问 题已引起国 内外研究人员 的高度关注和重视 J 。 厚松散层下采煤地表移动规律有别 于一般条件 薄 松散 层 、 无 松 散 层 下 采 煤 引 起 的地 表 移 动 规 律 ， 具有地表下沉系数偏大 、 地表移动盆地范围 延展远等独特性 。随着浅部煤炭资源的 13 渐枯竭与 矿井开采水平的不断延伸 ， 开采深部化趋势 13益明 收稿日期 2 0 1 2 1 2 - 2 2 ； 责任编辑 曾康生 基金项目 “ 十一五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 7 B A K 2 8 B 0 3 作者简介 刘义新 1 9 8 O 一 ， 男， 山东栖霞人， 博士。T e l 0 1 0 8 4 2 6 1 5 4 9 ， E m a i l h n l g l y x 1 6 3 ． c o m 引用格 式 刘 义新 ， 戴华 阳， 姜耀东 ， 等． 厚松散层大采 深下采煤地表移动规律研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 5 1 1 7 1 2 0 ， 1 2 4 1 1 7 2 0 1 3 年第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 显 ， 厚松散层大采深条件下“ 三下” 压煤安全开采 问 题已被提上 日程 ， 但巨厚松散层大采深条件下采煤 地表沉陷规律 目前研究较少 ， 理论研究落后 于煤矿 生产现实需要 ， 迫切需要研究并掌握巨厚松散层大 采深下采煤地表移动规律及特点 。通过对淮南矿区 某矿 1 1 1 1 8 工作面地表沉陷实测 资料 的分析 ， 研究 了厚松散层大采深条件下采煤地表移动与变形 的一 般规律和特征 ， 并与一般开采条件下地表移动规律 进行了对 比分析。研究结果对其他类似条件矿井岩 移规律的研究提供了借鉴， 以便更好地指导“ 三下” 压煤安全高效开采 。 1 工作面概况 1 1 1 1 8工作面为淮南矿 区某矿 8号煤层首采工 作面 ， 走 向长 6 2 0 m， 倾 斜长 1 6 2 m。工作面采用走 向长壁综合机械化采煤 ， 全部垮落法管理顶板。工 作面标高一 4 9 6 一一 4 5 8 m， 地面标高约为 2 5 m， 平均 采深为 5 0 0 m， 工作面上方地表分布有密集村庄群 ， 始采时间为 1 9 9 6年 1月 ， 1 9 9 7年 6月终采 。 根据该工作面 附近某钻孔柱状 图分析 ， 上覆岩 层平均深 度 5 0 0 m， 其 中古 近系、 第 四系松散层 厚 4 0 0 m， 砂岩厚 4 3 ． 8 m， 泥岩厚 5 5 m， 上覆岩层综合 岩性为中硬 ～ 软岩。煤系地层为二叠系下石盒子组 煤层 ， 煤层结构简单 ， 赋存稳定 ， 厚度 为 2 ． 5 0 ～3 ． 0 0 m， 倾角 1 3 。 。伪顶 为 0～ 0 ． 3 0 m厚 的炭质泥岩 ， 直 接顶为 5 ． 1 5 m厚的泥岩 ， 基本顶 为 6 ． O 0～8 ． O 0 m 厚 的细砂岩， 直接底为 1 ． 5 0 m的泥岩。 2 地表移动观测站 1 1 1 1 8工作面地表移动观测站采用剖面线状形 式布设 ， 由走向和倾 向2条全盆地观测线组成 ， 观测 线与工作面位置关系如图 1 所示 。走 向观测线全长 约 2 1 5 1 m， 布设 8 1 个测点 记作 z编号 ； 倾 向观 测线全长约 1 5 9 5 m， 布设 6 0个 测点 记作 Q编 1 1 8 图1 1 1 1 1 8工作面地表移动观测站平面 号 。测点间距一般为 2 0 ～3 0 m。观测该工作 面地 表数据始于 1 9 9 6年 3月 ， 1 9 9 8年 3月 1 7日停止观 测 ， 2年来共 进行 了 2 9次观测 ， 其 中水准 观测 2 3 次 ， 全面观测 6次， 测量精 度符合 煤矿测量 规程 要求 ， 数据结果可靠。 3 地表移动 与变形规律 实测分析 3 ． 1 静态地表移动与变形规律 1 1 1 1 8工作面终采后末次观测时走 向和倾 向观 测线实测地表移动参数 下沉量 和水平移动 与变形参数 倾斜 i 、 曲率 K及水平变形 最大值见 表 1 ， 其相应地移动与变形 曲线如图 2和图 3所示。 表 1 1 1 1 1 8观测站末次实测地表移动变形最大值 6 0 0 4 0 0 0 - 4 0 0 8 0 0 O ． 1 2 O ． O 6 0 O ． O 6 0． 1 2 。 至起 点趴 离 ／m i 。 O 吕6 0 0 l 4 0 O 22 0 0 2 0 0 6 0 0 1 0 0 0 1 40 0 1 8 0 0 2 2 0 0 工 图 2 1 1 1 1 8工作面走 向观测线地表移动变形 曲线 由表 1 可知 ， 1 1 1 1 8工作面开采后 ， 地表最大移 动和变形值较大， 最大倾斜和水平变形值达到砖混 结构建筑物Ⅳ级损坏时变形值 。可见， 1 1 1 1 8 工 作面开采后地表建筑物损坏非常严重 ， 地 表采动程 度高。分析原因为 1 l l 1 8工作面平均采深 5 0 0 l／ l 中， 有 4 0 0 i n厚的物理力学性质显著区别 与基岩层 刘义新等 厚松散层大采深下采煤地表移动规律研究 2 0 1 3年第 5期 O 3 0 0 童 9 0 0 1 5 o 0 2 l 00 至起 点距离 ／m 2 0 0 4 00 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 00 l 4 0 0 1 6 0 0 ～ 一 I ／ t J 。 - _ 1 ． - 1 ． 一 l 图 3 1 1 1 1 8工作面倾 向观测 线地表 移动变形 曲线 的松散层 ， 其对地表移动变形的显现完全不同与基 岩影响下的地表移动与变形。 由图2 和图3可得出 ①地表下沉曲线在走向 和倾 向上均以采空区中央对称 ， 呈双向对称性 ， 尤其 1 0 ． 0 8 ． 0 6 ． O 4 ． 0 2 ． 0 O 一 2 ． 0 - 4 ． O - 6 ． 0 8 ． 0 1 O ． O 0 4 0 0 8 0 0 昌 1 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 2 4 0 0 是倾向剖面上下沉曲线基本不 向地表移动盆地下山 方向偏移 ， 说明厚松散层在移动过程 中具有 自我调 节特性 ； 地表移动盆地边界收敛缓慢且扩展很远 ， 呈 现长约 4 2 6 I T I 的缓慢轻微下沉带 ， 采空区上方地表 下沉集 中， 且地表移动变形值大。②地表移 动与变 形规律符合一般开采条件下的规律 ， 地表水平移动 曲线和倾斜曲线形状相似 ， 曲率 曲线和水平变形 曲 线形状也相似 。 3 ． 2动态地表移动与变形规律 1 1 1 1 8工作面回采过程 中走 向和倾 向观测线的 地表移动与变形 曲线如图 4和图 5所示 ， 从 图中可 知 ①工作面推进过程中， 地表下沉量 、 倾斜 、 曲率及 分布范围不断增加 和扩大 ， 最后趋于稳定 。②地表 最大下沉量、 最大倾斜 、 倾斜为零 、 最大 曲率及 曲率 为零等许多关键点 ， 在走向观测线方 向上 当工作面 推进长度较短时， 关键点位置变化不大 ， 但随工作面 继续向前推进不断 向前移动 ； 在倾 向观测线方 向上 表 明这些关键点的位置保持不变。③工作面推进过 程 中， 地表移动与变形值大 ， 地表采动程度高。 1 1 1 1 8工作 面回采过 程 中尽管工作面斜长 、 采 深与一般条件下开采一样 ， 但 是其倾斜 、 曲率 、 水平 变形等变形值较大 ， 建筑物损坏严重 ， 单工作面开采 地表采动程度接近或达到充分采动 ， 显著区别 于一 般条件下单工作面深部开采时地表变形较小 、 建筑 物受损轻微等非充分采动特点。 ⋯一一 8 4 ． 一 一 一 。。 V ⋯ ； 如旷 一 5 1 250． 2- 1 50 ∞。。 b 下沉 1 4分别为 1 9 9 6年 6月 2 1日、 9月 5日、 1 0月 2 1日、 1 2月 1 2日； 5 7分别为 1 9 9 7年 2月 4日、 4月 1 0日、 8月 2 7 E l ； 8为 1 9 9 8年 3月 1 7日 图4 1 1 1 1 8工作面走向线动态地表移动与变形曲线 11 9 6 2 ∞ 啪o∞∞ o 兮 油 。 奏莩。 。 量 景 。 一 I_ 吕 ． 旨 l II一 ＼ IIIIII＼ 一一、 ； ’- 一 一 、； I 、 、 ～ 2 0 1 3 年第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 ； 一一一 一 ⋯ ； 如一 。 一 。 。。 b 下沉 l 一3分别为 1 9 9 6年 6月 2 1日、 1 0月 2 1日、 1 2月 1 2日； 4 6分别 1 9 9 7年 2月 4日、 4月 1 0日、 8月 2 7 H； 7为 1 9 9 8年 8月 2 7日 图5 1 1 l 1 8工作面倾向线动态地表移动与变形曲线 3 ． 3 地表移动参数分析 1 地表移动角参数分析 。根据实测资料 ， 采用 图解法得到 1 1 1 1 8工作面 回采后边界角较小 ， 走 向 边界角 6 。 、 下山边界角 和上山边界角 。 相等 ， 6 。 。 Y 。 3 5 。 ； 基岩和松散层 的走 向综合移 动角 6 6 4 。 ， 下山移动角 6 9 。 ， 上山移动角 7 2 。 ； 最大下 沉角 0 8 2 。 ； 走向充分采动角 6 5 。 ， 上山充分采 动角 7 9 。 ， 下山充分采动角 。 8 3 。 。可见 ， 地表 移动盆地边界角值很小 ， 可能 因为开采导致松散层 内含水层水位下降或变化引起的附加沉降所致。 2 地表移动动态参数分析。1 1 1 1 8工作面累计 推进约 1 7 m时， 地表最大下沉值达 3 3 m m， 无 法求 得地表下沉 1 0 mm时的起动距 ， 可见 ， 1 1 1 1 8工作面 开采地表移动起动距小于 1 7 m， 起动距很小 。工作 面超前影 响距离约 6 8 0 m， 超前影响角 ∞3 6 。 。最 大下沉滞后距为 1 5 4 m， 最大下沉速度 角 西 7 3 。 。 最大下沉点平均下沉速度为 4 ． 3 m m ／ d ， 最大下沉速 度为 t 3 ． 6 mm ／ d ， 最大下沉速度 和平均下沉速度都 较大， 地表移动剧烈。地表移动持续时间共 7 1 7 d ， 其中初始期为 5 7 d ， 占总持续 时间的 1 0 ％， 地表下 沉值 占最大下沉值的 7 ％； 地表活跃期持续时问较 长 ， 为 2 6 2 d ， 占总持续时间的 4 4 ％， 地表下沉主要 集中在该 阶段 ， 占地表最大下沉值 的 9 2 ％； 地 表衰 退期较长 ， 占总持续 时间的 4 6 ％， 但下沉值仅 占最 大下沉值的 1 ％。 1 2 0 3 地表移动计算参数分析。1 1 1 1 8工作面开采 后地表移动与变形 曲线符合概率积分法预计 曲线 ， 可用概率积分法对其进行预计 ， 但在预计 时地表移 动盆地边缘区预计 曲线与实测曲线存在一定偏差 。 概率积分法预计所需 的计算参数 下沉系数 q 、 水平 移动系数 b 、 开采影 响传播角 0 、 主要影 响角正切 t a n JB及拐点偏移距 5 ， 见表 2 。 表 2 地表移动计算参数 4结 论 1 巨厚松散层大采深下采煤地表移 动 与变形 规律符合一般条件下开采地表沉 陷规律 ， 但具有如 下特点 地表下沉曲线关于采空区中央对称 ， 走向和 倾向均呈双向对称性 ， 巨厚松散层在移动过程 中具 有 自我调节特性 ； 地表移动盆地边界收敛缓慢 ， 出现 长距离的缓慢下沉带， 建 构 筑物受损轻微； 采空 区上方地表下沉集 中， 建筑物损坏严重 。 2 巨厚松散层大采深下采煤地表移动盆地边 界角小 ， 走 向边界 角、 下 山边 界角和上 山边 界角相 等 ， 即 6 。 。 3 5 。 ； 开采影响传播角为 8 9 ． 5 。 ， 岩 层移动垂直向上传播。 下转第 1 2 4页 5 2 9 6 3 O 3 6 9 2 0 O 0 O O 0 O O ．砌 ∞ ∞ 如 如 ∞ ，J ，一 2 0 1 3 年第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 1 卷 a 形态学方法 图8 断层地质解译 图像的地质解译结果与实际属性 图像吻合 ， 它 比常 规方法解译出断层的精度有很大提高。 4结 语 数学形态学方法比其他空域或频域 图像处理方 法具有一些明显的优势 ， 利用形态学算子有效地滤 除噪声 ， 又可保 留图像中的原有信息 ， 提取的边缘 比 较光滑 ， 骨架 比较连续 ， 断点少。采用 B o t h a t 运算能 显著增强线性特征而压制非线性特征， 是一种非常 有效地增强和提取 图像线性特征的方法。基于形态 学断层属．I 生图像地质解译技术的应用 ， 提高了断层 解释效率和精度 ， 减少 了人为 因素 ， 缩短解释周期 ， 节省 了工作量 。 参考文献 [ 1 ] 程建远． 三维地震资料微机解释性处理技 术 [ M] ． 北 京 石油工 业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 阿迈拉登 F ． 模式识别与图像处理 [ M] ． 北京 石油工业 出版 社 ， 1 9 8 7 ． [ 3 ] 许海涛 ， 毕建军 ， 唐红光 ， 等． 数 学形态学 在地震相 干属性提取 中的应用 [ J ] ． 石油地球物理勘探 ， 2 0 1 0 ， 4 5 4 4 8 2 4 8 4 ． [ 4 ] 黄捍东 ， 魏修成 ， 叶连池 ， 等． 分析边缘 检测在裂缝 预测 中的应 用[ J ] ． 石油地球 物理勘探 ， 2 0 0 2 ， 3 7 1 6 5 6 8 ． [ 5 ] 迟新刚 ， 贺振华 ， 黄德济． 储 层缝洞 预测和检测方法 [ J ] ． 勘 探地 球物理进展 ， 2 0 0 3 ， 2 6 2 9 4 9 8 ． [ 6 ] 文 晓涛， 唐湘蓉 ， 贺振华． 基 于方 向信 息测度 的断层检测 方法 [ j ] ． 石油物探 ， 2 0 0 8 ， 4 7 2 1 2 8 1 3 1 ． [ 7] 崔屹． 图像处理 与分析一 数 学形态学方 法与应用 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 8 ] 王爱玲， 叶明生， 邓秋香． M A T L A B R 2 0 0 7图像处理技术与应用 [ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 9 ] 黄海 龙， 王宏 ， 郭蹯 ， 等． 一 种基于数学 形态学 的多形状 多 尺度边缘检 测算法 [ J ] ． 东 北大 学学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 1 0 1 4 8 3 1 4 8 6 ． [ 1 0 ] 潘建平 ， 李治． 数学形态学多结构元素 的道路提取 [ J ] ． 计 算 机工程 与应用 ， 2 0 1 0， 4 6 1 1 2 3 3 2 3 5 ． [ 1 1 ] 杨文韬 ， 王茂芝 ， 郭科． 一 种基于数学 形态学 的遥感影像 公 路主干提取算 法[ J ] ． 信息技术 ， 2 0 1 0 2 4 - 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