高强度开采地表实时下沉研究

朱占荣

(陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西榆林 719000)

0 概述

煤炭资源的开采在我国国民经济中发挥了重要的作用，但与此同时，也给矿区生态环境造成了比较严重的影响。陕北煤炭开采区是我国重要的煤炭生产基地，重大的煤炭生产和建设工程星罗棋布，煤层赋存和开采条件好，为矿井的高产高效提供了先决条件。在新的快速、高强度、大规模开采技术得到应用和推广的条件下，加剧了土地和生态的破坏速度。高强度开采使矿区相对平衡的生态系统出现剧烈变化，矿区生态效益的降低部分削弱了煤炭资源开采带来的经济效益的贡献。因此，大型煤炭基地强扰动条件下开采沉陷监测技术研究势在必行。传统的预计技术和方法已经满足不了新情况的需要。高强度开采条件下的矿区地表的破坏体现出新的规律和问题，需要进一步探索，为矿区的科学开采及环境治理提供理论依据。陕北地区在地质采矿条件方面体现了一定的特殊性，同时在本区域建立的地表移动观测站相对较少，对开采沉陷规律研究不充分。研究本区域的开采沉陷监测及规律，有重要的理论意义和社会价值。

为了获取丰富的开采沉陷监测数据，我国开展了大量的开采沉陷监测工作，唐凯[1]研究了基于单机站CORS的矿区开采沉陷监测方案，并分析了数据处理精度；康向阳[2]将近景摄影测量技术用于矿区开采沉陷监测中，获得了大量的影像数据并分析了下沉盆地的范围；杨瑞[3]阐述了矿山开采沉陷监测的新进展，指出实时动态监测是目前的技术发展方向之一；王磊、李达、杨亚莉[4-6]利用INSAR技术分析了矿区沉陷，并获得了一系列的技术流程和数据处理方法；李永强、曾凯[7-8]利用三维激光扫描技术监测开采沉陷，获得较好的实验效果；王见红、李圣军[9-10]利用RTK技术监测工作面主断面上的地表移动，获得了地表变形曲线和开采沉陷规律。

从文献分析可知，目前对于开采沉陷的监测主要体现为时间离散度高，多次静态的特点。为了更加详细地分析陕北矿区高强度开采地表实时动态特征，有必要建立高精度动态监测技术，为该区域的“三下”安全开采奠定基础。

1 监测系统建立

1.1 研究区域概况

研究区域为榆树湾煤矿，位于毛乌素沙漠西南边缘，属低缓的沙丘地貌。观测站位于榆树湾20101工作面上方。工作面2-2煤层赋存于延安组第四段顶部，是勘探区最厚的主要可采煤层。煤层底板标高1 000～1 033m，可采面积16.42km2。工作面煤层倾角小(α=1.5°)，为近水平煤层，含0～2夹矸。夹矸位于煤层顶部或者底部，厚度0.08～0.38m。夹矸岩性为粉砂岩、砂质泥岩和炭质泥岩，少数为泥岩。工作面走向为超充分采动，倾向为充分采动。边界采深在261～289m,平均开采深度(H0)为275m，开采厚度为5m。井下推进最快达到17m/d。

1.2 系统架构及布点方案

采用GNSS自动化监测方式对开采沉陷地表位移进行实时监测(图1)。由于井下推进速度快，常规观测方法很难获取实时下沉速度，为了监测观测点快速沉降过程，将实时监测点布设在采空区中央正上方超充分采动区内，为获取高质量数据及动态沉陷规律提供依据(图2)。

图1 实时监测系统架构Figure 1 Real-time monitoring system framework

图2 点位布置Figure 2 Observation points layout

系统安装时，选用采用GPS与北斗二代双模双频GNSS模块仪器。仪器定位精度为：载波精度L1=0.5mm，L2=0.6mm；B1=0.6mm，B2=0.6mm；时钟精度 50ns；动态差分精度水平：±(10+1×10-6×D)mm ；垂直：±(20+1×10-6×D)mm。预计该点的最大下沉量大于2 000mm，故监测精度能满足需要。数据采集时，采样间隔为24h。

2 监测数据分析

2.1 监测点的实时下沉过程

从2014年1月4日直到2014年6月7日连续开展点位置信息采集，获得了大量的观测数据，并计算了下沉速度和下沉值。为分析地表下沉数据和开采状态数据，绘制观测动态演化曲线图(图3)。

图3 观测点动态演化曲线Figure 3 Observation point dynamic evolution curve

2.2 开采沉陷动态特征分析

1)超前影响角和最大下沉速度滞后角。将工作面开始开采时间2013年12月4日作为起始时刻T1，各个时刻到T1间隔的天数为工作面开采时间t，回归分析2014年1月到3月工作面距离观测点水平距离L与t之间的关系如下：

L=0.178 5t2-17.377t+312.23，R2=0.991 7

(1)

其中R2为一元二次回归的相关系数，该值越大曲线拟合效果越好。

根据观测数据，在2014年1月18日，监测点下沉10mm，当时t=45d，带入(1)式计算得L=-108.27m，取整数为-108m，即工作面还未到达测点正下方，工作面开采引起的超前影响距L1为108m。超前影响角为ω=arctan(H0/L1)=68.6°，H0为平均开采深度，由实际的地质条件决定。

在2014年2月26日，监测点达到最大下沉速度388.7mm/d,此时t=84d，带入(1)式计算得到为L2=112.1m，取整数，为112 m，即监测点达到最大下沉速度时，工作面到该点的水平距离为最大下沉速度滞后距。最大下沉速度滞后角为φ=arctan(H0/L2)=67.8°。

2)启动期与活跃期分析。启动期，2014年1月18日监测点下沉达到10mm，2月16日下沉速度达到1.6mm/d,故启动期为2014年1月18日到2月16日，共29d。

活跃期，2014年2月16日到2014年3月24日，下沉速度总体大于1.6mm/d，该段时间为活跃期，共35d。

启动期与活跃期为地表损害迅速发展并剧烈体现的阶段，为地表防护与预警的重要时期，准确获得该数据对于“三下”安全开采有重要意义。

2.3 实时与间隔观测方法对比

传统的地表移动监测，采用大观测周期间隔测量方法。如煤矿测量规程，将日常的高程测量周期规定为0.5月或1月1次，在地表活动剧烈的时候加密观测周期，故最短的观测周期也为数日。本文从实时监测数据中截取间隔观测数据，间隔周期为10d，并将计算的下沉速度与实时数据作对比。下沉速度曲线图见图4。

图4 实时与间隔观测下沉速度曲线对比Figure 4 Comparison of real-time and interval-period observation curves

将实时观测下沉速度曲线与间隔观测下沉速度曲线对比可知，在高强度开采条件下地表移动速度快，采用间隔观测方法常常掩盖了地表下沉最大瞬时速度，减少了最大下沉速度计算值，分析精度差。同时会给地表损害带来误判，难免会给“三下”开采生产活动带来一定的负面影响。实时监测可以获得准确的地表下沉速度，为高强度开采条件下的地表动态预警提供技术支持，为“三下”安全生产奠定坚实基础。

3 结论

高强度开采是我国大型煤炭生产基地主要的生产方法，本文结合高强度开采地表移动速度快的特点，采用实时GNSS观测方法，监测采空区上方地表位移，获得了以下主要结论：

1)通过实时监测系统的构建、数据采集及处理等试验过程，获得了一套高强度开采条件下地表下沉实时监测方案；建立了在实时监测条件下，分析地表动态移动特征的分析方法，确定了榆树湾煤矿20101工作面开采，地表下沉的启动期与活跃期、最大下沉速度、超前影响角和最大下沉速度滞后角，对该种地质采矿条件下的三下采煤生产有一定的指导意义。

2)分析了实时监测方法与传统间隔观测方法的区别，获得了实时监测方法的优越性。在类似的高强度采动条件下，如果经费和实际条件满足，建议在主断面超充分采动区至少建立一个实时监测点，以便获得更加准确的地表动态移动参数和规律。