祁东煤矿7130工作面地表移动规律研究

王传武 ，陈增宝，邢海洋，苗小芒

(1.安徽理工大学测绘学院，安徽淮南 232001;2.皖北矿业集团卧龙湖煤矿，安徽淮北 235000)

1 引言

祁东煤矿是皖北煤电集团公司所属的大型现代化矿井，是国家“九五”建设项目和省重点建设项目。矿井1998年10月开工建设，于2002年5月建成投产，可采储量1.28亿吨，年设计生产能力150万吨，服务年限约为89.9年。7130工作面位于井田东翼一水平三采区，东以切眼为界，西以三采区上山巷道保护煤柱线为界，南北分别以风、机巷为界。工作面沿走向布置，风巷靠近“四含”防水煤柱。其中工作面起止标高－370 m～－431 m，平均采深为 426 m，平均走向长1 530 m，倾向宽 88 m～172 m，面积约18.4万m2，倾角平均约12.5°。

工作面老顶为浅灰色中砂岩，局部为细砂岩及砂泥岩互层，厚度为 8.41 m～20.75 m，平均约14.4 m，其上依次为泥岩(均厚 4.4 m)、63煤(均厚1.5 m)、泥岩(均厚 4 m)、中砂岩(均厚 12.31 m)。直接顶板为深灰色泥岩和细砂岩，厚度不稳定约为0 m～3.7 m，平均厚 1.7 m。直接底版大多为深灰色泥岩，泥质结构致密且含植物碎片。地面标高一般为+21.6 m，地势较为平坦，其中大李庄和后桥村在采动影响范围内。

2 移动观测站的设计与观测

为了能够获得科学、准确、有代表性的观测数据，观测线的布置应完全满足《观测站设计书》的五大原则。根据观测站设计原则，在7130工作面上方的地表共布置了两条观测线，走向观测线长度为 680 m，倾向观测线长度为 1 220 m，共计约 1 900 m。根据《煤矿测量规程》规定，煤矿开采工作面的移动观测站的控制点间距为 50 m，测点间距为 25 m，由两条观测线的长度可得测点点数76个，控制点点数5个，共计81个点。所有测点和控制点全部由钢筋和混凝土组成，而且钢筋须露出混凝土桩的高度约为 5 mm。地表移动观测站的平面布置如图1所示，开采工作面推进进度与观测日期如表1所示。

图1 地表移动观测站的平面图

开采工作面推进进度与观测日期 表1

在本次地表移动观测站的数据采集过程中，在平面连接测量方面采用了D级GPS网控制，在原来已有的两个C级GPS点(FN3和G03)基础上，又重新布置了D级GPS网，其网形如图2所示。并且以G03水准点为基点，分别向观测线上的其他控制点引测三等水准路线，采用单程双转点的方法，形成附合水准网，其网形如图3所示。

图2 GPS网形图

图3 附合水准网

在7130工作面开采之前和开采之后分别做了两次全面观测，并且全部采用全站仪(J6)导线，盘左盘右往返观测水平角度，同一点的高程差值在这两次观测中均处于 10 mm之内，同一边长的长度差也均处于4 mm之内，最后取两者的算数平均值作为原始起算数据。7130工作面各个进度开采动态沉降曲线如图4和图5所示。

图4 走向观测线动态沉降曲线

图5 倾向观测线动态沉降曲线

3 地表移动参数求取

3.1 动态参数

在地质采矿条件非常复杂的祁东煤矿，要想掌握地表移动变形规律，动态参数的求取是至关重要的，其包括起动距、最大下沉速度滞后角、移动超前影响角和开采因子。由具体的实际测量数据知，下沉盆地的起动距约为 43.5 m，最大下沉速度滞后角约为78.34°。超前影响角ω可由公式ω=arcctg(l/H)计算，开采因子ρ可由公式ρ=l/H计算，最终的计算结果如表2所示，开采因子和超前影响角之间的关系如图6所示。

超前影响角和开采因子 表2

图6 开采因子与超前影响角关系图

3.2 预计参数求取

在预计参数的求取过程中，本文主要采用了线性最小二乘法、非线性最小二乘法这两种基本方法，对半观测线、单观测线、双观测线和水平移动观测序列反复进行迭代求参，然后再根据拟合中误差最小原则，最终所求的预计参数如表3所示。

预计参数 表3

然后用表3的预计参数计算倾向线和走向线上各个点的沉降量和水平移动量，与实际测量的比较结果如图7～图10所示。

图7 走向线预计的下沉计算值与实测值对比图

图8 走向线预计的水平移动计算值与实测值对比图

图9 倾向线预计的下沉计算值与实测值对比图

图10 走向线预计的水平移动计算值与实测值对比图

由以上的拟合计算结果可得以下几个结论:①走向拟合的沉降中误差为 21.1 mm，是最大值的1.3%;②倾向拟合的沉降中误差为 20.3 mm，是最大值的1.1%;③走向拟合的水平移动中误差为 16.5 mm，是最大值的2.5%;④倾向拟合的水平移动中误差为25.4 mm，是最大值的2.6%。

4 结论

本文采用线性最小二乘和非线性最小二乘这两种方法，分别对水平移动观测序列、下沉观测序列进行了反复迭代，得到了最适合的预计参数，初步掌握了祁东煤矿7130采区地下开采所引起的地表移动与变形规律，研究结果可作为祁东煤矿未来地表沉陷所产生损害等级的预测、环境治理、土地复垦和“三下”开采的主要参考资料。

［1］国家煤炭工业部．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］．北京:煤炭工业出版社，2000．

［2］ 煤炭工业部生产司．煤矿测量手册(下册)［M］．北京:煤炭工业出版社，2001．

［3］ 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．

［4］ 蔡怀恩．开采沉降预计的方法及发展趋势［J］．露天采矿技术，2007(4):73～74．

［5］李德海，苏美德，宋常胜．巨厚松散层下开采地表移动特征研究［J］．煤矿开采，2002，7(3):50～52．