多工作面开采过程中地表沉陷变形监测

马晓强，薛志强，杨 钊，殷国栋，尉博虎

（陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳）

引言

近年来，随着我国经济持续发展，对能源的需求也日益增大，特别是对煤炭的消耗越来越大。从而导致了我国煤炭资源被大量开采，对矿区的生态环境造成了很大的破坏，煤层开采后在地下形成了采空区，在雨水的侵蚀和各种力的综合作用下致使矿区地表发生沉降[1-2]。因开采导致的地表沉降几乎在世界矿产资源大国都普遍存在。地表沉陷会对地面建筑造成极大的破坏，会改变地下水的分布甚至污染地下水[3]。严重危险矿区居民生命财产安全，违背了可持续发展原则。所以需要更加深入地研究地表下沉的形成原因、分布规律和变化规律，且通过合适的方法监测地表沉降，对保护矿区居民的生命财产安全以及实现能源开采的可持续发展具有十分重要的意义[4-7]。同时，地下矿产资源开采利用已经成为了目前社会经济发展的重要支撑。因此，对于矿区的安全与环境保护问题是必须重视和解决的问题。

本文旨在通过多源遥感数据和相关数据分析技术，对401102 进行岩移观测，同时结合绿色矿山相关要求对井田进行多角度全方位监测，对已开采的401101、401102 工作面进行相关观测，研究矿区开采过程中的地表沉降变化和岩移规律。

1 工作面概况

1.1 矿井概况

孟村矿隶属于陕西彬长矿业集团有限公司，位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部，行政区划隶属于咸阳市长武县。402 工作面为孟村矿井401 盘区回采的第二个工作面，该工作面走向长度2 170 m，可采走向长度1 789 m，倾向长度180 m，目前已回采600 m。工作面掘进期间在运顺、回顺均揭露了断层，断层走向基本一致，落差4～13 m，同时面内还发育有三维地震勘探的落差为0～4 m 的断层。4 煤煤层厚度18～23.9 m，煤层顶板距洛河组底板距离140～175 m。研究区位置如图1 所示。

图1 研究区位置

1.2 地质采矿条件

彬长矿区位于黄陇侏罗纪煤田中段，地层由老到新依次有：中生界三叠系上统胡家村组，侏罗系下统富县组，中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组、环河组，上第三系及第四系红土、黄土。工作面地表属于黄陇黄土层塬梁沟壑区，黄土层厚度96～170 m。

2 工作面地面监测方案

2.1 401101 工作面研究基础

401101 工作面开采期间，自2018 年1 月至2021年5 月，历时41 个月，共进行了18 次全面观测。工作面地表布设一条走向观测线、两条倾向观测线、控制点6 个。倾向观测线B 布置测点45 个，倾向观测线C布置测点46 个，走向观测线布置测点113 个。综合计算所有观测数据可得A 线最大下沉值为487 mm、B线最大下沉值为401 mm、C 线最大下沉值为387 mm。

2.2 401102 工作面监测设计

2.2.1 地表变形观测站布置

根据401102 工作面位置和地表地形情况，布设两条观测线，一条走向观测线和一条倾向观测线。同时，将401101 工作面倾向观测线B 进行延伸，覆盖401102 工作面下沉影响范围，作为两工作面公用的倾向下沉观测线。并且在沟壑区域布设一定数据监测点，监测沟壑下沉变化情况。观测点的布设情况如图2所示。

图2 观测点分布

2.2.2 掘进尺度

根据历次观测时间进行井下回采尺度标记，结果如表1 所示。

表1 工作面掘进尺度

3 地表移动变形规律分析

3.1 下沉分析

401101 工作面现存监测线主要包括倾向观测线B、C 和走向观测线A。401101 工作面回采结束后，由于401102 工作面的开采，导致401101 工作面地表出现局部下沉和地裂缝。同时，观测线B 为两工作面公用的倾向下沉观测线。401102 工作面地表布设走向监测线Z 和倾向观测线Q。

3.1.1 观测线B 下沉分析

倾向观测线B 位于村庄道路沿线，且处于裂缝分布区域，因此造成中心区域急剧下沉。最大下沉量达到3 098 mm，较上期未产生明显变化，下沉量超过200 mm，下沉区域位于B08 至B30 观测点之间。401101 工作面开采后全面观测时，下沉量较为平稳，2022 年7 月份开始出现较大下沉，较于上期，约下沉1 470 mm，401102 工作面开采后，工作面持续下沉1 348 mm，位于B20 监测点。观测后期，观测线B 下沉逐渐趋于稳定，出现整体下沉偏移情况，见图3。

图3 倾向观测线B 下沉折线

3.1.2 观测线C 下沉分析

倾向观测线C 与倾向观测线B 平行，相距约272 m。结合101 观测历史观测数据，进行倾向观测线C 下沉计算。结果显示：101 工作面开采时下沉现象较为平缓。102 工作面开采后，中心区域急剧下沉，最大下沉量达到2 307 mm，较上期未发生变化，下沉量大于200 mm 区域位于C08 至C30 观测点之间。相较于观测线B，C 线整体下移情况更加明显，见图4。

图4 倾向观测线C 下沉折线

3.1.3 观测线Z 下沉分析

沿401102 工作面走向布设走向观测线，观测线位置如图2 所示。以初次观测时间2022 年9 月观测数据为初始数据进行计算，最大下沉量为1 681 mm，较上期未发生明显变化，下沉量大于200 mm 区域为Z011-Z041。在后续一段时间内，401102 工作面地表将会继续微量下沉。观测后期，各监测点下沉速度基本稳定，且处于较小值，工作面下沉基本达到稳定状态，见图5。

图5 走向观测线Z 阶段下沉折线

3.1.4 观测线Q 下沉分析

倾向观测线Q 最大下沉量为1 802 mm，较上期1 736 mm 增大了66 mm，下沉区域主要集中在q008 至q012 区域内。观测后期，已逐步达到稳定状态。

3.1.5 沟壑区域下沉分析

针对沟壑边缘进行重点监测，在未采动区域布设3 条沟壑监测线JC1、JC2、JC3。根据观测数据计算结果，发现JC1 监测线最大下沉量为1 304 mm，与上期数据相比未出现明显下沉。监测线JC2 与上期数据相比未明显下沉。监测线JC3 未出现下沉，处于地表轻微扰动。这表明地表已达到基本稳定状态，见图6-7。

图6 沟壑监测线位置

图7 监测线JC1 下沉折线

3.2 监测点下沉分析

根据工作面开采进度选取关键监测点数据进行综合分析，选取d10、d11、d12、d14 和d05 进行数据分析，分为走向和倾向两个方向进行分析。

3.2.1 走向方向下沉分析

由图8-10 可知，d10 监测点自2022 年3 月初开始下沉，2022 年7 月度过下沉活跃期，已完成快速下沉阶段，下沉速度逐渐减小，进入下沉稳定阶段，但仍会存在微量下沉，最大下沉量2 377 mm。d11 监测点自2022年5 月初出现微量下沉，当前下沉量1 885 mm。截至目前，该监测点已达到下沉稳定阶段。d12监测点出现明显下沉，当前下沉量为1 339 mm。

图8 d10 下沉及移动曲线

图9 d11 下沉及移动曲线

图10 d12 下沉及移动曲线

3.2.2 倾向方向下沉分析

倾向方向选取401102 工作面北侧的d14 监测点和南侧的d05 监测点进行分析，监测点下沉曲线如图11-12 所示。d14 和d05 所在倾向位置在2022 年5月份出现轻微下沉，开始地表变形，d14 监测点当前下沉量为786 mm，d05 当前下沉量为1 234 mm。观测后期，下沉已逐渐趋于稳定。

图11 d14 下沉及移动曲线（工作面北侧）

图12 d05 下沉及移动曲线（工作面南侧）

4 结论

本文以孟村矿区为研究对象，通过在401102 工作面建立观测站，进行了完整的观测，得到了相对较好的成果资料，获取了当前地质采矿条件下的地表移动变形规律。地表移动变形规律较为明显, 总体符合一般沉陷规律。观测线B、C、Z、Q 在观测后期均已达到稳定状态。下沉为开采引起的土地和水资源破坏及矿区生态恢复等工作提供了科学依据，对指导煤矿安全生产有重要的实际意义。