綜采放頂煤地表下沉速度觀測(cè)研究 精靈論文

綜采放頂煤地表下沉速度觀測(cè)研究 范建民，黃成飛，楊歲寒 （河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454000） 摘要：通過現(xiàn)場(chǎng)建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，對(duì)綜放開采地表沉陷情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。根據(jù) 觀測(cè)站沉陷資料分析了地表下沉特征。在此基礎(chǔ)上，分析得出了地表最大下沉速度及最大下 沉速度滯后角等參數(shù)。研究結(jié)果表明：該區(qū)域厚煤層綜放開采條件下地表移動(dòng)劇烈、地表下 沉速度大、起動(dòng)距偏小等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：厚煤層；綜放開采；地表沉陷；地表下沉速度；地表移動(dòng)觀測(cè)站 中圖分類號(hào)：TD 823.83；TP183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Study on surface subsidence velocity of fully mechanized caving mining methodPlace Fan Jianmin1, Huangchengfei2, Yang Suihan3 (School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000) Abstract: By setting up the surface movement surveying station, the surface subsidence of fully mechanized caving mining in thick seam was observed. Based on the data of the surveying station, the surface subsidence characteristics were analyzed. And then the maximum surface subsidence velocity and the lagging angle of the maximum subsidence velocity were figured out in this paper. The results indicate that the surface movement is intensive, the surface subsidence velocity is rapid, the ground surface is badly destroyed, the start subsidence distance from set-up room is smaller under the condition of fully mechanized caving mining in thick coal seam. Key words: Thick coal seam; Fully mechanized caving mining; Surface subsidence; Surface subsidence velocity; Surveying station of surface subsidence 0 引言 煤炭資源開采所引起的地表沉陷及采動(dòng)損害問題日益突出[1-3]。為最大限度地解放村莊 下壓煤，提高資源回收率，控制地表沉陷，同時(shí)最大限度地保護(hù)地表村莊建筑物，需要開展 巖層與地表移動(dòng)規(guī)律的研究[4-6]。趙家寨煤礦位于河南省鄭州礦區(qū)，行政區(qū)劃屬河南省新鄭 市管轄。井田東距新鄭市約 8km，距離鄭州市 53km。井田范圍內(nèi)自然村莊較多，隨著采礦 生產(chǎn)的進(jìn)行，對(duì)地面的影響范圍也會(huì)日趨擴(kuò)大，村莊建筑物下壓煤開采問題突出，需要研究 開采引起的地表移動(dòng)規(guī)律。由于礦井為新建礦井，首采工作面有條件建立地表移動(dòng)觀測(cè)站進(jìn) 行實(shí)測(cè)研究。該礦第四系黃土層厚，為了研究在厚煤層綜放開采條件下，厚表土層地表沉陷 以及下沉速度的特點(diǎn)，本文以觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析厚煤層綜放開采引起的地表 地表下沉特征及下沉速度。 趙家寨井田內(nèi)地層均被新生界地層覆蓋，由老到新依次為寒武系上統(tǒng)、奧陶系中統(tǒng)、石 炭系中上統(tǒng)、二疊系及第三、四系。其中，二疊系山西組和石炭系太原組為井田主要含煤地 層。井田第三系為湖濱相沉積，可分為底部半固結(jié)砂礫石組和上部粘土、砂質(zhì)粘土組。砂礫 石組巖石浸水后易崩解，粘土、砂質(zhì)粘土組中間夾有數(shù)層薄粉細(xì)砂，粘土具中等壓縮性、水 穩(wěn)性極差的特點(diǎn)，砂層易坍塌。第四系上部主要為次生黃土，且厚度較大，平均在 120m 左 作者簡(jiǎn)介：范建民（1969-） 男 河南省三門峽市人，河南理工大學(xué)在讀工程碩士研究生，研究方向：礦山 壓力及其巖層控制. E-mail: fanjianmin8400@ 右。 1 地質(zhì)采礦條件及觀測(cè)站情況 1.1 工作面地質(zhì)采礦條件 趙家寨煤礦首采工作面為 11206 綜采工作面，位于 11 采區(qū)西翼中下部，東臨 11 采區(qū)回 風(fēng)上山，西部為 11 采區(qū)邊界。工作面為走向長(zhǎng)壁布置，開采煤層為二 1 煤，工作面正式開 始回采時(shí)間為 2009 年 3 月。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng) 2165m，傾斜長(zhǎng) 170m，該面二 1 煤層厚度變 化較大，煤厚至東向西由薄變厚，平均厚度為 6.54m，煤層傾角在 4.0~ 9.0之間，平均傾 角為 6.5。工作面標(biāo)高-245.0~-163.0m，地面標(biāo)高在+131m~ +138m 之間，平均采深為 313m。 地面為農(nóng)田，地勢(shì)平坦，視野開闊。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高回采。 1.2 工作面地質(zhì)采礦條件 地表移動(dòng)觀測(cè)站采用剖面線狀形式布設(shè)，設(shè)計(jì)走向觀測(cè)線一條，傾斜觀測(cè)線兩條，走向 觀測(cè)線與兩條傾斜觀測(cè)線互相垂直，分別布置在地表移動(dòng)盆地走向、傾斜主斷面上，觀測(cè)線 布設(shè)成“干”字型，本觀測(cè)站布置共需埋設(shè) 83 個(gè)工作測(cè)點(diǎn)。 2 地表沉陷特征 為了全面揭示動(dòng)態(tài)地表沉陷變形的全過程，自 2009 年 3 月 20 日建立觀測(cè)站，已進(jìn)行了 七次水準(zhǔn)測(cè)量，二次導(dǎo)線測(cè)量。每次觀測(cè)時(shí)工作面開采情況及地表沉陷情況見表 1 所示。目 前 21081 工作面已推進(jìn) 600 多米，走向觀測(cè)線點(diǎn)的移動(dòng)已基本穩(wěn)定，走向觀測(cè)線下沉曲線見 圖 1 所示。每次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的同時(shí)對(duì)地表裂縫的位置、方向進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng) 調(diào)查的情況，對(duì)地表移動(dòng)起動(dòng)距、超前影響距及影響角、地表最大下沉速度等動(dòng)態(tài)地表移動(dòng) 特征進(jìn)行分析。 表 1 工作面推進(jìn)過程中對(duì)應(yīng)的地表下沉觀測(cè)結(jié)果 Table 1 Surface subsidence observed results during coalface advance 觀測(cè)日期 工作面推進(jìn) 距離/m 采厚/m 推進(jìn)速度 m/月 采出率/% 最大下沉值 /mm 最大下沉速 度 mm/d 2009.06.06 100 4.0 50 85 1356 19.9 2009.07.05 155 4.0 55 85 2611 50.6 2009.10.04 330 4.3 58 85 4514 42.3 2009.11.07 390 5.6 60 97 4589 51.0 2009.12.08 468 5.5 75 90 4611 12.2 2010.01.09 544 6.0 76 85 4660 8.1 500 A1 A5 0 A10  A15 A20 AB AC -500 -1000 -1500 下沉值/mm -2000 -2500 -3000 -3500 09.06.06 -4000 -4500 -5000 09.07.05 09.10.04 09.11.07 09.12.08 10.01.09 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 距切眼的距離/m 圖 1 地表下沉曲線 Fig. 1 Surface subsidence curves 3 地表下沉速度 3.1 地表下沉速度的計(jì)算 根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況，對(duì)各個(gè)時(shí)間區(qū)間的地表下沉速度特征進(jìn)行計(jì)算分析。 下沉速度計(jì)算表見表 2 所示。 測(cè)點(diǎn)編號(hào) 表 2 各次觀測(cè)地表下沉速度計(jì)算表（mm/d） Table2 Calculation of surface subsidence velocity（mm/d） 時(shí)間區(qū)間 09.3.30-6.6 09.6.6-7.5 09.7.5-10.4 09.10.4-11.7 09.11.7-12.8 09.12.8-10.1.9 A01 0.022 0.379 0.068 0.388 0.181 0.256 A02 0.003 0.483 0.054 0.438 0.148 0.227 A03 0.018 0.286 0.065 0.729 1.600 0.055 A04 0.028 0.376 0.605 0.382 0.084 0.227 A05 0.072 0.507 0.141 0.044 0.116 0.244 A06 0.084 0.610 0.352 0.206 0.126 0.195 A07 0.165 0.283 0.130 0.288 0.132 0.235 A08 0.304 0.310 0.016 0.197 0.106 0.235 A09 0.506 0.528 0.057 0.391 0.100 0.287 A10 0.822 1.310 0.481 0.000 0.052 0.352 A11 3.307 6.786 1.640 0.694 0.226 0.500 A12 5.624 5.114 1.469 0.232 0.171 0.447 A13 11.734 10.207 1.689 0.262 0.203 0.532 A14 17.540 20.662 3.365 0.818 1.397 1.140 A15 19.944 33.897 5.460 0.700 0.284 0.689 A16 18.646 46.297 10.586 0.868 0.390 0.753 A17 13.903 50.590 19.082 1.362 0.535 0.939 A18 6.987 44.341 29.104 1.068 2.213 1.769 A19 2.913 28.917 38.212 2.209 0.719 1.135 A20 0.771 12.907 42.275 3.482 0.977 1.256 A21 0.488 5.517 42.077 5.085 1.203 1.442 AB 0.199 1.552 33.151 18.879 3.203 2.732 AC 0.000 1.403 21.031 51.000 12.194 8.040 3.2 下沉速度曲線 通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出走向觀測(cè)線上各點(diǎn)不同時(shí)間區(qū)間的下沉速度。在地 表非充分采動(dòng)時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，地表各點(diǎn)下沉速度逐漸增大，最大下沉速度也增大。 選取下沉速度最大的三個(gè)特征點(diǎn) A17、A20、AC 繪制成下沉速度曲線，見圖 2 所示。隨著 工作面的推進(jìn)，地表下沉速度曲線形狀基本不變。地表點(diǎn)的下沉速度經(jīng)歷一個(gè)由小到大再到 小的動(dòng)態(tài)變化過程。 60 下沉速度（ m m/ d） 50 A17測(cè)點(diǎn) 40 A20測(cè)點(diǎn) 30 AC測(cè)點(diǎn) 20 10 0 工作面推進(jìn)方向 圖 2 下沉速度曲線 Fig. 2 Surface subsidence velocity curves 3.3 地表最大下沉速度 實(shí)測(cè)得出了該地質(zhì)采礦條件下的地表最大下沉速度最大值為 51mm/d，最大下沉速度點(diǎn) 有規(guī)律地向前移動(dòng)。根據(jù)綜采開采地表最大下沉速度的計(jì)算公式[7,8]： Vmax = k cWfm / H 0 式中：Vmax 為最大下沉速度 mm/d； c 為工作面推進(jìn)速度，m/d；Wfm 為工作面的地表最 大下沉值，mm；H0 為平均開采深度，m；K 為決定于覆巖性質(zhì)的下沉速度系數(shù)。通過對(duì)實(shí) 測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析得：Vmax 為 51mm/d；工作面推進(jìn)速度 c 平均約為 2m/d；Wfm 約為 4660mm； H0 平均采深取 313m，因此，得出該工作面的下沉速度系數(shù) K 為 2.4。 3.4 最大下沉速度滯后距 最大下沉速度點(diǎn)的位置滯后工作面一段距離，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出地表最大下沉速度點(diǎn)與 相應(yīng)的工作面位置，得出最大下沉速度滯后距，按照下列公式計(jì)算最大下沉速度滯后角： f = arc cot L H 0 式中：L—滯后距，m； H0—平均采深。對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知：不同的工作面推進(jìn)速度， 滯后距不同，實(shí)測(cè)得到最大下沉速度滯后距約為 65~76.5m，計(jì)算得最大下沉速度滯后角為 76.3~78.3。 4 結(jié)論 （1）通過在首采工作面建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，對(duì)厚煤層綜采放頂煤開采地表沉陷進(jìn)行 了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了地表下沉特征。研究了該地質(zhì)采礦條件下的地表下沉速度。研究表明： 該區(qū)域具有地表移動(dòng)劇烈、地表下沉速度大、起動(dòng)距偏小等特點(diǎn)。 （2）分析了地表點(diǎn)在工作面推進(jìn)過程中的下沉速度及該地質(zhì)采礦條件下的地表最大下 沉速度，得出工作面下沉速度系數(shù) K 為 2.4；最大下沉速度滯后距在 65~76.5m 之間，最大 下沉速度滯后角為 76.3~78.3。 [參考文獻(xiàn)] [1] 郭文兵, 柴華彬. 煤礦開采損害與保護(hù)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2008 [2] 國(guó)家煤炭工業(yè)局編制. 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M]. 北京: 煤炭工業(yè) 出版社, 2000 [3] 李白英. 開采損害與環(huán)境保護(hù)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2004 [4] 趙海軍，馬鳳山，李國(guó)慶等.充填法開采引起地表移動(dòng)、變形和破壞的過程分析與機(jī)理研究[J]. 巖土 工程學(xué)報(bào)，2008，30（5）：670-676 劉義新,戴華陽(yáng), 郭文兵. 巨厚松散層下深部寬條帶開采地表移動(dòng)規(guī)律[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), [5] 郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.地表下沉系數(shù)計(jì)算的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究[J]. 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