大强煤矿首采工作面地表下沉变形规律研究

佟玉娥

摘 要：为了获取大强煤矿地表岩层移动和变形的分布规律及其主要参数，在大强矿首采工作面S2901工作面上方地表岩层移动范围内布设地表岩层移动观测站并定期进行观测，结合首采S2901工作面上方地表实际情况，布设两条观测线：一条倾向观测线和一条走向观测线。其工作测点布设于沉陷范围之内，以采动前全面观测为基础数据进行沉降观测，根据各个时期的观测数据进行内业计算并进行分析总结，最后确定大强矿地表岩层移动和变形的分布规律及其主要参数。

关键词：移动；变形；观测站；规律

1.引言

大强煤矿井田位于辽宁省康平县张强镇及内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗的交界处，东距康平县25Km。范围：东以地卜、华家、孟酒局子连线为界，西以官宝、十二家子连线为界，南以三棵树、后辛屯、前辛屯连线为界，北以扎兰营子、地卜连线为界。井田东西宽6.87km，南北长7.92km，面积 54.41 。勘查深度为1780m，标高-1650m。大强煤矿设计年产150万吨。

大强矿S2901工作面工作面宽度240米，平均长度1150米，最大采深1240米，最小采深1040米，平均采高9.5米，走向坡度 10—15°，采煤方法：综采放顶。

该工作面为首采，地质情况复杂，断层纵横交错，国内尚没有此类条件下采煤的先例。于2014年 2月开始回踩，2015年10月25日回采结束。

2.建站目的及地质构造

2.1建观测站的目的

设立首采S2901工作面观测站的目的是为了取得大强煤矿地下煤层开采后，采动地表的移动、变形及破坏规律，包括各种移动角、边界角、最大下沉角、移动与变形预计等参数；在矿区总体规划、环境评价和矿井设计时，为建筑物、水体、铁路及主要井巷的压煤开采论证提供评价依据；为安全合理的留设保安煤柱提供技术参数，也为安全合理开采保安煤柱提供理论依据。

2.2地质构造

工作面开采1煤层，为单斜构造，煤层走向70～80°、倾向160～170°、倾角10～15°，本工作面内有7条断层，分别是HDF88-f3、HDF97、HDF117、HDF120、HDF121、F5、HDF119号断层。

煤层有4-12个自然分层，夹矸3-11层，煤厚度5.25～8.32m，平均厚度为6.88m；煤层厚度4.81～11.2m，平均厚度9.35m；夹矸厚度0.05～3.99m，平均厚度1.41m，岩性为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩。

初期回采1煤层，厚度4.81～7.0m，回顺回采400m，运顺回采300m处时，1煤层1-1层煤合成，厚度9-11.2m，回顺回采700m，运顺回采1200m处时，煤层厚度8-9m，回采至采止线煤层厚度6-7m。

1煤层顶板为泥岩，灰黑色，厚度70.0～75.0m，平均厚度73.0m，上部为粉砂岩、粗砂岩；煤层底板为泥岩，浅灰色，厚度0.45～0.55m，平均厚度0.50m，下面为细砂岩、中砂岩，灰绿色，厚度2.40～2.60m，平均厚度2.50m；老底为泥岩。

3.建站

3.1觀测线布置

结合首采S2901工作面上方地表实际情况，布设两条观测线：一条倾向观测线和一条走向观测线。 根据地表沉陷预计数据（采用大平矿参数预计）来确定地表移动盆地的边界范围（取下沉2mm为地表移动盆地边界）。为了减少征地，降低建站成本，两条观测线分别沿着大车道布置，倾向观测线全长2452m，走向观测线全长1812m。根据开采深度，布设工作点间距为50m。为了保证测点有效密度，在变形比较大的观测线范围内增加了测点的密度。倾向观测线布置54个测点，走向观测线布置39个测点。总计93个观测点。

在观测线长度以外设置观测站控制点。倾向线4个，走向线2个，控制点据最外测点距离为70m，两条测线共计布置6个控制点。在观测站观测期间，以控制点的空间位置（x，y，z）做为观测站的起算数据。

3.2埋设测点

在采动过程中，需要定期观测测点的空间位置，以反映地表点的移动情况。因此，测点的埋设深度应在本地区冻土深度以下0.5m，本区历年平均冻土深度1.3m，最大冻土深度1.5m，从而测点深度为2.0m，并保证它和土层密实固结，以使测点和地表一起移动；同时考虑冬季冻土时间长，解冻之前测点不随地表下沉现象发生，测点在距地表1.5米范围内围一层油毡纸，以确保测点正常下沉。

测点采用现场水泥灌注桩，为了有利于保存，测点尽量设在路边，标志与地面一平，以防车辆通过时损坏。

4.地表移动观测站观测

4.1联接测量

在观测点埋设好点位固结之后，为了保证与井下坐标、高程系统一致，首先进行了观测站控制点与矿区控制网之间的联测，确定主要控制点的平面位置和高程。然后再根据它来测定其余的控制点和工作测点的平面位置。

平面连接测量采用GPS快速静态单频观测方法进行，精度为E级。

高程连接测量采用Ni007自动安平水准仪和线条式铟瓦水准标尺以三等水准测量的精度进行观测。

平面和高程起算控制点为矿区GPS点，达子营（T453）和后辛屯（T322）。

4.2首次观测

全面观测的平面位置采用GPS-RTK方法测量，直接测定点的平面坐标。具体做法如下：

⑴ 在连接测量中构成GPS控制网上的观测站控制点设置基准站；

⑵ 在开始测量前，RTK测量手簿中的测量参数设置为120个历元。

⑶ 在测点上架设仪器对中整平，仪器高要量两次，读至mm，取中数后输入手簿。

⑷ 每个点独立观测两次，计算出点位的平均值作为采前测点的平面位置数据。

全面观测的高程观测按着三等水准精度进行，每条观测线进行往返观测，各观测点往返高程之差不大于±10mm，取平均值作为采前测点的高程值。

4.3日常观测

日常观测指的是首次和末次全面观测之间适当增加的高程测量工作，由于下沉速度缓慢，基本上每月观测一次，共观测25次，观测结果及时的发送给大强矿地测大队，以利于对地面建（构）筑物变形的掌控及处理。

4.4最终观测

由于该工作面地表下沉量偏小，与2016年10月进行了最终观测。

平面位置采用GPS-RTK方法测量，历元数设置120，高程采用四等水准进行。

5观测过程中发生的问题

5.1测点被破坏

由于测点设在道边，有的测点很快被车压坏；村里要修“村村通”，对原有道路加宽、加高、整平，一些测点被挖，被埋；最为严重的是村里安装自来水，铺设条管路挖沟，将半条倾斜线上的测点几乎全部破坏。

5.2控制点受另一工作面下沉影响

在每月进行日常高程观测过程中，发现倾斜线起始控制点R1、R2及GPS点达子营下沉，怀疑是受另一开采工作面下沉影响所致。

6.观测成果简单分析

（1）通过对高程的日常观测，初步可以判定当工作面回踩到220米时，下沉波及到地表，相当于采深的0.18倍；

（2）S2901工作面岩移站最终存在的测点保存的基本都比较完整，观测成果是可信的；

（3）从最终观测成果看，地表下沉量和水平移动量不大，简单方法很难求出各种参数；

（4）因两条观测线的布设不在主断面上，测点也不再一条线上，观测结果是单点的平面和高程位移，所以应采用适当的方法求取各种参数。

（5）地表下沉量小的原因：采深大必然下沉缓慢、时间长；断层多对下沉和变形会产生影响，不符合正常下沉规律；工作面偏窄，没有达到充分采动，所以如果临近工作面开采，下沉还将继续。

参考文献：

[1]桌建成.工程控制测量建网理论【M】.成都：西安交通大学出版社.

[2]朱鸿禧，杨忠秀.测量学【M】.徐州：中国矿业大学，1995.endprint