邢台矿建筑物下充填开采沉陷规律的研究

2014-05-05 06:33赵晓江

华北科技学院学报 2014年11期

赵晓江

(冀中能源股份有限公司邢台矿，河北邢台 054000)

邢台矿地表村庄密集，“三下”压煤量占全矿井可采储量的1/3。井下的开采将必然会对地面村庄、铁路、河流产生影响，为了最大限度的回收煤炭资源，邢台矿首次采用矸石粉煤灰充填采煤控制地表沉降进行建筑下采煤，国内外尚无前例，并取得了成功。而由此引起充填开采沉降规律尚且不知，岩层和地表移动是许多地质采矿因素综合影响的结果，认识岩层和地表移动这一复杂的过程，切实可行的方法就是实地观测。通过观测获得大量的数据，然后对数据进行综合整理和分析，从而得出各种因素对移动过程的影响规律，再将这种规律应用到开采沉陷的问题上去，使之进一步完善与深化，对指导建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重要作用，为制定经济、合理、安全的村庄治理、道路加高、沉陷预防、塌陷赔偿等提供科学的数据和依据。

1 建筑物下综合机械化充填采煤技术

“建筑物下综合机械化充填采煤技术”项目所属煤矿绿色开采技术领域，针对冀中能源股份有限公司邢台矿“三下”压煤安全高效开采及消除矸石与粉煤灰排放带来的环境污染等问题，综合运用理论分析、计算机数值计算、实验室试验及现场工业性试验等多种研究方法，系统研究了建筑物下综合机械化充填采煤技术。

建筑物下综合机械化充填采煤技术是将地面矸石与粉煤灰以合适的比例混合后，通过投料系统、井下运输系统运至工作面，再通过充填开采输送机充填到采空区，由夯实机进行夯实，置换出煤炭资源，从而达到解放建筑物下压煤并控制覆岩运动及地表沉陷的目的。采用理论分析、实验室试验、数值计算、现场监测等综合方法进行研究，并在冀中能源股份有限公司邢台矿进行工业性试验，根据试验结果不断完善建筑物下综合机械化充填采煤技术，最终在确保地表建筑物正常安全使用的前提下实现井下煤炭采出率达到85%，技术路线如下图1:

图1 建筑物下综合机械化采煤技术路线图

2 开采沉降规律的研究

邢台矿7606工作面是邢台矿区采用矸石与粉煤灰充填采煤控制地表沉陷进行建筑物下采煤的第一个试验工作面，开展岩层和地表移动规律实测研究意义重大。7606充填工作面在邢台矿工业广场保护煤柱范围内，属于东翼六采区，对应地面位置位于工业广场西北部，矿区专用铁路线和南三环公路从工作面上方穿过，工作面正上方是矿机修厂电器车间，以南分别是矿标宿楼、机修车间、地面注浆站。地面标高+85 m。上方有－210西大巷，工作面标高－210～－250 m，平均采深310 m。设计面长50 m，推进长度460 m，可采面积23000 m2，设计可采储量11.5万吨。具体位置如图2。

2.1 观测站的布设

2.1.1 地表移动观测站

为了进行实地观测，必须在开采以前选定地点设置开采沉陷观测站。根据需要定期观测这些测点的空间位置及其相对位置的的变化，确定各测点的位移和点之间的相对位移，从而掌握开采沉陷的规律。

观测站应设计在地表移动盆地的主断面上:设站地区在开采期间不受临近开采的影响;观测线的长度至少大于移动盆地;观测线上的点应有一定的密度，视开采深度和设站目的而定;观测站一般由两条观测线组成，分别沿煤层走向和煤层倾斜方向布设，它们一般互相垂直并且相交，根据7606上方地面的具体情况开采沉陷预计范围，设计在试验区上方布设两条地表移动观测线和重要建筑物观测站，本地区开采深度310 m左右，观测点间距依据《煤矿测量规程》第259条的规定可取为20 m。地表移动观测站布设情况如图3。

图2 7606工作面井上下对照图

图3 地表移动观测站的布设

1)沿邢台市南三环路布设的地表移动观测线，长663 m，布设控制点四个，分别为 R1、R2、R3、R4，工作点22 个。

2)沿邢台矿铁路专用线布设的路基观测线，长723 m，布设控制点四个，分别为 R5、R6、R7、R8，工作点21个。

3)工业广场重要建筑物观测站，工作点86个。

2.1.2 岩层移动观测站

要掌握地下开采引起的岩层移动规律，同掌握地面规律一样，实地观测是最基本的方法。一般都是通过在岩层设定一系列相互联系的观测点，从而得出岩层移动规律。

在7606工作面南部上方约38 m处有邢台矿－210西翼大巷通过，为7606矸石粉煤灰充填开采工作面覆岩移动观测提供了十分有利的条件。因此，设计在－210西翼大巷底板建立岩层移动观测线，共布置29个岩层移动观测点，观测点间距为5 m，观测线上共布设三个控制点，并定期进行沉降和边长测量。岩层移动观测站如图4。

现代心理学研究指出，一个正常完备的人格角色应当具备三个层次：“首先是生命层次，作为一个人要表现出自然的生命力，健康、蓬勃向上、昂扬、充满力量；其次即社会层次，作为一个社会个体，所处时代的观念、风尚，体现着特定时代的世界观和价值观，即应受到社会的选择；再者是异性审美层次，人类世界的两性，都应受到来自异性的选择，选择的标准不同，但应当是平等的，一个完整的人格应受到这三个力的制约⑧。”然而这种理想的人格在历来传统的女性中没有并出现过。女性生命力的层次在男权社会中被普遍抑制和弱化，女性美是作为一种可供观赏的价值性而存在的，这并非女性本身所固有的一种价值状态。

图4 岩层移动观测站的布设

2.2 地表岩层移动观测站的观测工作

岩移观测就是在采动过程中定期重复地测定各个观测点在不同时期的空间坐标，主要工作分为观测站的联系测量、全面观测、单独进行的水准测量以及地表破坏的测定和编录。

1)联系测量包括平面联系测量和高程联系测量，就是将观测站的某个控制点与矿区控制网之间进行连测，确定这个控制点的坐标，然后再根据它来确定其余控制点和工作测点的坐标。目的就是把观测站和矿区控制网联系起来，以确定井上下的对应关系。

2)全面观测就是在联系测量之后，地表移动前进行的观测。全面观测应独立进行两次，两次的间隔时间不超过5天，全面观测包括各测点的平面位置及高程，各测点之间的间距、支距，记录地表原有破坏情况。

3)在首次和末次全面观测之间适当增加的水准测量就是所谓的日常观测工作。为了判别地表是否开始移动，可以在回采工作面推进一定距离后，在预计可能首先发生的移动的地区选择几个工作测点，隔几天进行一次水准测量，如果发现观测点有下沉趋势，即说明地表移动已经开始。在移动过程中要重复进行水准测量，重复观测时间间隔根据地表的下沉速度来定，可以采用单程的附和导线或水准支线往返测量。

2.3 观测数据处理

观测站联测成果的内业整理方法和常规方法一样，最后算出观测站控制点的平面坐标和高程，地表移动观测站的观测成果整理工作，必须在外业成果准确无误的基础上进行，观测成果的整理可以手工完成也可以借助相关软件进行。

内业成果的整理计算主要是计算各点的高程、相邻两点的水平距离和各测点偏移观测线方向的支距，然后计算各点的移动和变形值以及下沉速度等。在计算移动和变形计算之前应对观测数据集加入各项改正，各种曲线如下图(图5～7)所示。

2.4 地表移动参数的确定

为了预计井下开采后地面建(构)筑物的移动与变形值，应认真选取概率积分法的预计参数，如下沉系数、主要影响角正切等。求取能反映本矿地表移动规律的预计参数，最好的方法是利用本矿实测的地表移动观测资料，

图5 铁路观测线下沉曲线

图6 铁路观测线水平变形曲线

地表移动预计参数求取，是一项十分重要的工作，由于7606工作面不规则，地表观测线受现场条件限制无法沿走向和倾向主断面布置，只能与工作面斜交，采用常规的方法求取地表移动变形参数很困难，因此本次利用计算机采用曲线拟合法进行求参，方法如下:

首先确定拟合函数，拟合函数f(x，b)选用目前应用普遍采用的概率密度函数(概率积分法)。然后根据实测资料按经验确定概率积分法的初始预计参数值，再按初始参数值根据观测站与开采工作面的相对位置关系，计算观测站各点的移动变形值(预计值)。然后将预计值与实测值进行比较，比较后再调整预计参数，以逐渐趋近的方法，最后求取比较合适的概率积分法移动变形预计参数。预计曲线与实测值拟合情况如图8。