华亭煤矿采空区塌陷监测定位及综合防治技术

华亭煤矿采空区塌陷监测定位及综合防治技术

刘平党宏伟慕斌

华亭煤业集团有限责任公司华亭煤矿甘肃744100

摘要：我国地大物博，矿产资源丰富,煤炭行业为区域经济的繁荣与发展做出了积极贡献,但近年来由煤炭采空区土地塌陷而引发的社会矛盾不断加剧,加强采空区土地塌陷治理已成为煤炭储备丰富地区实施可持续发展战略的焦点问题。

关键词：采空区塌陷监测定位综合防治

一、引言

华亭煤矿位于华亭煤田向斜东翼的中偏南段，从东到西主要包括东部向斜构造，西部背斜构造。井田内地质构造及水文地质条件简单，地表地形复杂，沟壑纵横，表层几乎全为黄土层覆盖，地势为北西高，南东低，南部为侵蚀堆积的带状河谷山区，阶地分布较广。矿井目前生产水平为+840水平，生产采区为2501采区，采用走向长壁倾斜分层综采低位放顶煤采煤方法。

二、地表沉陷治理监测定位系统基本情况

1、地表沉陷治理监测定位系统采用的设备型号：日本宾得SMT888-3G。

2、系统工作的基本原理：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。

三、主要内容及技术路线

1、主要内容：⑴用GPS监测250105-1工作面地表移动变形的程度，制定矿区开采沉陷监测手段，提高工作效率；⑵建立250105-1工作面地表移动观测站；⑶塌陷区埋点、建立监测网；⑷分析250105-1工作面采矿条件、地质条件与地表移动和变形的关系；⑸确定地表在移动过程中的移动和变形特点及分布规律；⑹确定地表移动和变形中的动态移动变化规律；⑺确定移动稳定后地表移动和变形的分布及其主要参数，即最大下沉角、最大下沉值、水平移动系数等；⑻用实测的移动变形参数确定今后矿区塌陷范围内地表建筑物的影响范围及受破坏程度，有效减少建筑物下压煤量，合理优化工作面的尺寸，提高煤炭采出率。

2、技术路线：针对工作面的基本情况，利用变形监测实测数据并对其进行一系列处理，得到塌陷区域地表移动变形规律及参数与预计沉陷参数，为以后工作面开采地表移动提供依据。技术流程为：实地调查→资料收集→预计沉陷参数→观测站设计→数据处理→成果整理→沉陷规律分析→确定实际沉陷参数。

四、控制网布设形式

本项目控制网的布设采用GPS控制网的形式，利用华亭煤矿已有三等平面控制点近4、近5、A1、A2和观测站控制点构成GPS测量控制网。

五、观测站的设计

1、设计原则：⑴观测线布设在地表移动盆地主断面上；⑵选择设站工作面，在观测期间不受邻近开采的影响；⑶观测线的长度大于地表移动的范围；⑷观测站的控制点设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。

2、观测站形式：本井田内地形复杂，沟壑纵横，冲沟发育，因此选用主断面观测线形式进行观测；250105-1工作面走向长度大，需要设置两条倾向主断面观测线和一条走向主断面观测线；由于该工作面西面为采空区，北面为开切眼正在回采，因此在工作面及其东部实体煤中设置两半条倾向主断面观测线，在工作面及其南部实体煤中设置一半条走向主断面观测线。

3、观测站位置的确定：观测站建在250105-1工作面地表的正上方，共设置A、B、C三条主断面观测线，其中A为走向主断面观测线，B和C为倾向主断面观测线。根据规定，A观测线平行于两顺槽设置在回风顺槽东180米的位置，B观测线垂直于A观测线设置在开切眼南600米的位置，C观测线平行于B观测线设置在停采线北600米的位置。

六、GPS数据检验与采集

1、检测与放样：首先用GPS-RTK对9个控制点的坐标进行检测，确保其稳定性。其次用GPS-RTK对196个观测点进行放样，放样期间检查观测点坐标是否会出现点位差或者不便于埋设对后期的观测造成影响，如出现类似情况，对观测点的位置作适当调整，并记录实际位置的坐标。

2、观测及数据采集：在采动过程中利用GPS对观测线上的各测点进行定期、重复观测，观测各测点在不同时期内空间位置的变化情况，对观测的数据收集、处理。对地表破坏情况进行观测和编录。观测过程分为连接测量、全面测量、日常测量。

七、观测成果整理与分析

用GPS对各观测点三维坐标在不同时期的变化情况进行测量、记录，整理出岩移公式所需的代量，计算出各点的移动和变形参数，或者用作图等方法获得各项移动参数，把这些参数暂时做为一个恒值。最后归纳总结出在特定环境中岩层移动和变形的主要规律，指导矿井后期的采掘设计和塌陷治理工作。

1、移动变形成果整理与分析

⑴地表最大移动变形出现的位置：地表移动变形包括：地表下沉移动变形、地表倾斜移动变形和地表水平移动变形等，通过对资料的分析、整理发现：移动变形的最大值都出现在走向方向上开采区域内侧对应的地表范围内，同时发现上山方向影响范围近，下山方向影响范围远。

⑵走向方向地表下沉动态变化规律：

①地表下沉移动变化规律：图6-1为随工作面推进距离的下沉动态曲线，开采初期，地表几乎没有什么下沉，当推进距离为50m时，地表仅有微小的下沉25.5mm，当推进到200m时最大下沉量为512.3mm，但没有明显的移动盆地形状；当推进到450m时，地表呈现出明显的移动盆地，此时地表最大下沉值1432.1mm；随着工作面的继续推进，这种盆地的对称性越来越差，盆地越来越大。地表最大下沉值随工作面的推进不断增大，最大下沉值位置逐渐落后于工作面。工作面停采后，地表最大动态下沉值：4308.6mm；地表移动稳定后测得最大下沉值：6234.017mm。

图6-1走向方向地表下沉动态变化曲线

②地表倾斜移动变化规律：图6-2为地表倾斜变形的动态变化曲线。随着推进距离的增大，倾斜值都在不断的增加，正倾斜最大值：4.124mm/m；负倾斜最大值：-8.17mm/m。

③地表水平移动变化规律：图6-3为地表水平移动动态变化曲线，水平移动方向都是指向采空区中央，随着工作面的推进地表点的水平移动值也在不断增加。实测最大水平移动值：1994.885mm。

⑶倾向方向地表动态移动和变形规律：

图6-4、图6-5为倾向主断面观测线地表移动变形曲线，从两条倾向观测线曲线图可知，下沉曲线的拐点基本上位于采空区边界点之上方略偏向采空区一侧，在拐点处，倾斜值达到最大值。

⑶最大下沉角的确定当α＜50°时，θ=90°-kα

=90°-0.7×5.5°≈86°

式中，θ为采塌陷区最大下沉角；α为煤层倾角，工作面煤层倾角为5.5°；k为岩石硬度系数，中硬覆岩k为0.7。

⑷边界角、移动角和裂缝角的确定根据GPS所测数据及绘图得：走向边界角δ0=56°，下山边界角β0=52°；走向移动角δ=62°，下山移动角β=58°；走向裂缝角度δ″=65，下山裂缝角β″=62°。这里说明一点，由于工作面上山方向为采空区，因此在倾向主断面上只采用两半条观测线，上山边界角、上山移动角和上山裂缝角在这里没法观测，但在250106-1工作的岩移观测站布设中可以观测和确定。

八、采煤塌陷区的防治

根据观测的成果得出的角度，对矿井采掘接续提供了准确的参数，煤矿回采之前必须对采煤塌陷影响范围内地表建筑物施行搬迁，而搬迁过程不是一蹴而就的事情，所以必须提前两三年执行搬迁计划，准确的塌陷影响范围为塌陷区的防治提供了简单而有效的依据。

由公式：（R为主要影响半径、H为开采深度、θ为移动角）

可知，主要影响半径与移动角和开采深度有关，当我们确定好θ移动角时，主要影响半径只与开采深度有关，在工作面的设计中，确定好开采，停采线后，就能准确的得到整个回采工作面的塌陷影响范围，根据接续计划，可以得到未来10年或者更远的搬迁规划，从而指导了采空塌陷区住户的搬迁，确定了合理的保安煤柱，避免了周边区域居民生活、道路、设施等遭受破坏；通过对观测数据产生的报表、图形、曲线等进行分析，为塌陷区的复垦、治理提供基础资料；对控制土地流失，实现矿区安全稳定，建立安全、绿色的新型矿山提供了重要保障，为企业的稳定健康发展能够创造不可估量的经济效益和社会影响。

九、结论

华亭煤矿隶属华亭井田范围内，井田内地质构造及水文地质条件简单，所以通过对250105-1工作面地表沉陷所得参数可以在相邻矿井使用，对相邻矿井的安全发展提供了依据。

参考文献：

[1]矿山采空区地面塌陷危险性预测[J].于大鹏,覃秋雅,马秉智,毛伟.工矿自动化.2010(03)

[2]开采沉陷地表移动变形影响因素分析[J].张诚.山西煤炭.2014(12)

[3]基于煤矿采空区特点的地质灾害危险性评估[J].张渊.江西建材.2016(22)