地表沉陷巖移觀測研究報告

1、內(nèi)蒙古友恒煤炭有限責(zé)任公司益民煤礦5201工作面地表巖移觀測研究報告編制:審批:礦長:日期:第一章5201工作面觀測站概況第一節(jié)概況益民煤礦于2011年12月正式投產(chǎn)，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1.2Mt/a,礦井采用斜井單水平開拓，建有主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井3條井筒，主、副斜井、回風(fēng)斜井布置在工業(yè)場地內(nèi)。礦井開采標高為11951062nl4-2煤層已于2016年全部回采完畢，現(xiàn)開采5-2煤層內(nèi)蒙古友恒煤炭有限責(zé)任公司益民煤礦位于東勝煤田準格爾召-新廟礦區(qū)的東南部，其行政隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)。礦井地理坐標：東經(jīng)：11017'4511023'38北緯：3920&

2、#39;103923'36井田東西長約8.46km,南北寬約6.34m,為一不規(guī)則的多邊形，面積為19.818km21、交通本礦井向西3km為包府公路213省道，該公路是區(qū)域的主要運輸公路。經(jīng)包府公路向北到鄂爾多斯市東勝區(qū)約68km,到包頭市約170km,向南到神華礦區(qū)大柳塔約28km,本區(qū)交通條件較為便利。2、地形地貌本區(qū)位于鄂爾多斯高原的東北部，從準格爾召到新廟，沿束會川一帶，侵蝕構(gòu)造比較強烈，多形成高原丘陵地形，溝谷縱橫交錯，均沿地表水系的各自區(qū)域流向。本區(qū)地勢北高南低，西高東低，最高處位于礦區(qū)的西南部其梁之上，海拔標高為1260.2m,最低處位于區(qū)內(nèi)東部的勃牛川溝內(nèi)，海拔標高為

3、1117.0m。4、構(gòu)造一、區(qū)域構(gòu)造本區(qū)區(qū)域構(gòu)造簡單，基本構(gòu)造形態(tài)為一平緩的單斜構(gòu)造，巖層傾向南南西，傾角13°,一般在1左右。區(qū)內(nèi)無明顯的褶皺和大的斷層，僅有微波狀起伏和斷距較小的斷層，對煤層無破壞作用。二、井田構(gòu)造益民煤礦井田構(gòu)造簡單，基本構(gòu)造形態(tài)為一寬緩的向斜，軸部走向為NE向，兩翼地層傾角3左右。區(qū)內(nèi)無斷層，無巖漿巖侵入。5、水文地質(zhì)情況本地區(qū)屬于干旱半沙漠溫帶大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季晝熱夜溫涼，日溫差較大，秋季涼爽，冬季嚴寒。全年降水量多集中在7-9月，降水次數(shù)雖少，但多為大雨或暴雨。據(jù)伊金霍洛旗氣象站資料，全年平均氣溫6.2C,最高氣溫36.6C,最低氣溫-20.6

4、C,年平均降水量350mm年平均蒸發(fā)量2492mm蒸發(fā)量一般大于降水量的45倍。風(fēng)季主要集中在4-5月和10-11月，以西北風(fēng)為主，最大風(fēng)速24m/s。凍土期較長，凍土最大深度1.50m。本井田沖溝比較發(fā)育，勃牛川位于礦區(qū)的東部，其支流畢魯圖溝、母花溝是礦區(qū)內(nèi)較大的溝谷，區(qū)內(nèi)谷溝常年無水，僅在暴雨后形成短暫洪流。6、開采技術(shù)條件設(shè)計生產(chǎn)能力1.20Mt/a,礦井服務(wù)年限17a。井田內(nèi)主要可采煤層3層煤，分別是4-2、5-2、6-2號煤層。4-2號煤已于2016年年底回采完畢，現(xiàn)主要開采5-2號煤層。礦井分為1個水平，水平布置在5-2煤層，5-2煤開采工藝為綜合機械化采煤工藝，首采工作面在一采區(qū)

5、。第二節(jié)5201工作面情況5201工作面順梢長1300米，工作面長250米，平面積325000平方米。開采侏羅系中下統(tǒng)延安組（Ji-2y）的5-2煤層，煤層傾角1-3,平均1。、工作面圈定的煤層厚度1.211.478米，平均1.3米，設(shè)計采高1.3米。1、煤層、頂板、底板5-2煤層頂、底板，多數(shù)以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，構(gòu)成直接頂?shù)?。根?jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝煤田準格爾召一新廟礦區(qū)詳查地質(zhì)報告的成果，從抗壓強度評價巖石軟硬程度：泥巖的單向抗壓強度小于30MPa,屬于軟弱巖石，粉砂巖的單向抗壓強度在4060MPa之間，多數(shù)為50MPa屬于半堅硬巖石，膠結(jié)不好的砂巖抗壓強度小于30MPa屬軟弱巖層。膠結(jié)好

6、的砂巖抗壓強度介于4060MPa屬半堅硬巖石。從泥巖、粉砂巖、砂巖軟硬程度看，該礦區(qū)煤層頂?shù)拙鶠檐浫跻话雸杂矌r石。2、地質(zhì)構(gòu)造情況根據(jù)實揭地質(zhì)資料及5-2煤層底板等高線形態(tài)分析，該工作面地質(zhì)條件簡單，煤層底板起伏變化小，不存在斷層等地質(zhì)構(gòu)造。3、開采煤層覆巖巖性根據(jù)地表出露和鉆孔資料，在本區(qū)范圍內(nèi)分布有三迭系上統(tǒng)延長組，中、下侏羅統(tǒng)延安組（J1?y）和第四系地層。由于地質(zhì)作用的影響中、下侏羅統(tǒng)延安組的五個巖性段，僅殘留一、二、三和四巖性段的一部分，殘留厚度平均為110.2m?，F(xiàn)由老到新分別敘述。1、三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）該組為煤系地層的沉積基底。具巖性主要為一套灰綠色中粗粒砂巖，局部含礫，

7、夾綠色薄層狀砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。砂巖中黑云母含量較高且普遍綠泥石化。厚度51.59m177.74m,平均137.90m。2、侏羅系中下統(tǒng)延安組（Ji-2y）該組為核實區(qū)主要含煤地層，出露于溝谷兩側(cè)。遭受風(fēng)化剝蝕等地質(zhì)因素影響，殘缺不全，僅殘留一、二、三、四巖性段的一部分。巖性主要由灰、深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、灰白色砂巖、灰色細砂巖、深灰色粉砂巖，灰綠色、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤組成。厚度33.25m130.55m,平均110.20m。與下伏地層延長組呈平行不整合接觸。第一巖段（Jy1）:該巖段從延安組底界到VI-1煤層頂界，厚度10.59m38.44m,平均32.70m,巖性主要為灰色或深灰色粉

8、砂質(zhì)泥巖、泥巖,夾灰白色砂巖。含VI煤組3層，煤層編號分別為VI-1、VI-2、VI-3，其中VI-1、VI-2煤層可采。第二巖段（兒2丫2）:該巖段從VI煤組頂界至V煤組頂界，厚度8.69m34.34m,平均27.20m。巖性主要為灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、灰色粉砂巖，夾中、細粒砂巖，含V煤組3層，煤層編號分別為V-l、V-2、V-3,其中V-1、V-2煤層可采。第三巖段（Jy3）:該巖段從V煤組頂界至IV煤組頂界，厚度9.49m32.14m,平均27.80。巖性主要為灰白色砂巖夾深灰色粉砂質(zhì)泥巖，含IV煤組2層，煤層編號分別為IV-2、IV-3,其中IV-2煤層可采。第四巖段（J-2y4）:

9、該巖段從IV煤組頂界到出煤組頂界，厚度4.48m25.63m,平均22.50m。下部巖性主要為灰白色砂巖夾灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，上部巖性主要為深灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，含出煤組，煤層編號一層，即m-2煤層，不可采。第五巖段（Ji-2y5）:該巖段從出煤組頂界至延安組頂界，由于后期剝蝕，零星分布于礦區(qū)周圍，厚度028.71m平均9.68m。具巖性中下部為灰色泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，上部以灰白色砂巖為主，具大型交錯層理。II煤組在本區(qū)范圍內(nèi)已被剝蝕。3、第三系上新統(tǒng)（N2）該組地層廣泛出露于井田，主要巖性上部為土紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、含礫，下部為紫紅色、黃綠色砂巖、砂礫巖，礫石成分為石英、長

10、石，膠結(jié)差。厚度0-18.01m,平均11.55m。與下覆地層呈角度不整合接觸。4、第四系全新統(tǒng)（04）全區(qū)廣泛分布，階地堆積和沖積、洪積物、風(fēng)成沙、細沙，本組厚度一般0丁19.61m,平均7.45m第三節(jié)5201工作面地面觀測站的設(shè)置和觀測1、觀測線的設(shè)計變形觀測線設(shè)制為2條橫線和1條縱線，兩條橫線應(yīng)在全煤區(qū)，且距離至少相距50米；一條縱線位于工作面中部全煤區(qū)。變形觀測點應(yīng)設(shè)立在變形體上能反映變形特征的位置，并且應(yīng)設(shè)置成直線。在每條觀測線上工作面以內(nèi)，布設(shè)兩個巖移觀測點。觀測點結(jié)構(gòu)圖1.2觀測點結(jié)構(gòu)觀測點采用木樁上釘鋼釘制作而成，埋深400mm。露出地面100mm.3、觀測站聯(lián)測方法和日常觀

11、測工作包括使用儀器觀測方法和精度要求觀測站在設(shè)置10-15天后，進行觀測。(1)連接測量根據(jù)礦區(qū)地面控制網(wǎng)和觀測站位置及地形情況，按照【規(guī)程】對近井點的測量要求，用敷設(shè)導(dǎo)線的方法，測定觀測線一個控制點的平面坐標和高程，其余控制點用5秒導(dǎo)線測量。(2)全面測量地表移動前和穩(wěn)定后的全面測量必須獨立進行兩次，其時間間隔不超過5-7天，在整個活躍期內(nèi)，其間隔時間按T=H/6c(c為回采工作面的推進速度)計算。(3)巡視測量在走向觀測線上采空區(qū)上方選擇幾個觀測點進行定期的水準測量，當某一點的累計下沉量大于10mm時，即可認為地表已開始移動，進行第一次全面觀測在進行上述各項測量工作的同時，必須記錄地表、地

12、質(zhì)、采礦、及水文地質(zhì)等變化情況，主要是地表裂縫位置及要素，工作面的推進位置，采出煤層厚度、傾角和頂板跨落情況。對控制點的高程必須定期檢查其間隔時間為一月。地表移動過程中的測量工作盡可能在一日內(nèi)完成，最多不超過兩天。(4)觀測方法及精度要求采用全站儀觀測。儀器型號為索佳STK220,全站儀測量精度：水平角的觀測限差應(yīng)不超過下表的規(guī)定：儀器級別半測回歸零差()一測回內(nèi)2c互差()同一方向值各測回互差(")DJi696D8139DJ618一24三角高程測量的技術(shù)要求應(yīng)符合下表:經(jīng)由路線儀器級別測回數(shù)傾斜角互差()指標差互差()對向觀測高差較差(mm)附合或環(huán)線閉合差(mm)中絲法三絲法三、

13、四等點DJ1DJ2421015±100S±50局一、二級導(dǎo)線DJ2211515第二章5201工作面地表巖移觀測成果分析第一節(jié)工作面回采過程中一般規(guī)律和有關(guān)參數(shù)的確定一、下沉動態(tài)曲線的特征隨著工作面不斷向前推進，地表移動變形處于不斷變化之中。根據(jù)走向主斷面觀測線觀測成果，繪制成動態(tài)曲線圖。從動態(tài)曲線變化中，可以看出有如下規(guī)律。1 .隨著工作面不斷向前推進，下沉盆地范圍不斷擴大，下沉值不斷增加。2 .動態(tài)曲線為非對稱型。固定開采邊（開切眼）一側(cè)較陡，工作面推進的一側(cè)較緩和。3 .各點下沉均經(jīng)歷了突發(fā)性階段和穩(wěn)定性階段。前進中各次觀測下沉曲線的間距與工作面驗收的間距也基本相等，這

14、證明覆巖能很快垮落而傳達到地表。二、地表沉陷起動距（?。榱苏_確定地面建筑物加固、維修和觀測時間等，需要知道地表開始移動時工作面推進的距離（簡稱起動距）。起動距主要決定于頂板的巖性（包括節(jié)理）和采空面積。一般是工作面推進（1/41/3）H,或采空面積達到（2533）Hm2時，地表開始下沉，但堅硬頂板時例外。由于5201工作面地表地形總體為南北高中部低，在此基礎(chǔ)上表現(xiàn)為中部低而南北側(cè)漸低之變化趨勢。故地表開始下沉以觀測的下沉值達到或大于10mm為標準。5201工作面的走向觀測線的移動變形圖可知，當回采到20m時，開切眼附近上方地表的A5點發(fā)生29mm的下沉。故確定5201工作面的起動距為20m

15、,此時的采掘深度為108m,故確定本觀測站地表沉陷的起動距為0.2H。三、超前影響角為了掌握工作面推進過程中地表開始下沉的位置，需要知道開采的超前影響。一般要求工作面到開切眼的距離不小于0.4H時，按下沉10mm超前于工作面推進位置的距離L超，稱為超前影響距。超前影響距也常用超前影響角色表不：ctgo=L超/H由5201工作面的走向觀測線的動態(tài)曲線圖，可繪制計算超前影響角®如表2-1。表2-15201工作面實測的超前影響角超前距L超(m)采深H(m)超前角3(°)備注A75點30134.877.5tanw=H/L超平均3010874.55201工作面平均超前影響角co=74

16、.5，即以0.28H超前影響。超前影響和上復(fù)巖層性質(zhì)，工作面推進速度以及是否重復(fù)采動有關(guān)。四、最大下沉速度及最大下沉速度滯后角。在工作面推進過程中，為了掌握地表下沉最劇烈的位置，需要知道地表最大下沉速度點的滯后距。最大速度點滯后于工作面的距離稱為最大下沉速度滯后距L滯。最大下沉滯后角用©表示：ctge=L/H1 .從每次觀測的下沉值可得出如下圖表示的最大下沉速度變化圖。從圖中我們看出每次測量的最大下沉值所在測點在變化，說明地面沉陷是一個動態(tài)的過程。總體上這種變化方向與隨掘進方向一致，但中間過程也有反復(fù)。這說明地表沉陷是一個復(fù)雜的過程，不僅有向下的沉降，還有水平方向的移動，總體分析見后

17、。2 .由南北向觀測線的動態(tài)曲線圖，求得5201工作面。角，列表2-2。表2-25201工作面最大下沉速度滯后角點位滯后距L滯(m)開米深H(m)滯后角()(°)備注A1136.2109.671.68726tan()=H/L滯A2621.4104.178.33857A5024.5108.775.27974A6337.1110.470.01728平均29.7108.374.67267求得5201工作面滯后角0=74.7°。即以向后0.3H距離為最大下沉速度位置。3 .為更好地說明最大下沉速度的關(guān)系與移動量之間的關(guān)系，選擇南北向主斷面接近充分采動區(qū)的A31點及A32點求得最大下

18、沉速度分別為：Vwmax5i=162.25mm/d和Vwmax52=159.5mm/d,而A31點和A32點的最大水平位移速度和最小水平位移速度分別為：Vumax31=68.95mm/d和Vjmax32=61.39mm/d>Vumin31=-65.93mm/d和vUmin32=-40.28mm/do一水平位移下沉水平位移-下沉圖2-1A31、A32點的下沉和水平位移曲線表2-3A31、A32點計算結(jié)果次數(shù)XYZ水平位移天數(shù)/水平位移速度下沉天數(shù)/下沉速度傾斜曲率義形X方向水平位移Y力晌水平位移14360323.89537442683.9271247.61086.247222.874907

19、150.50.8735-0.029-1.9152-438624360323.98237442684.0151247.59423.12088-9.140796-1.125-0.7150.107947-1.27233-211334360324.06937442684.1021247.57895.3479638.08968111.25-0.0790.096673.976197-8346443603241891247.56282.31992-39.94653018.3333.577-0.11215-0.7985235-7454360324.24437442684.276124

20、7.54671.5597868.9492550357.4877-0.179071.093027435664360324.33137442684.3631247.53043.46547-8.985797076.7511.903-0.29908-2.74033-213774360324.41837442684.4511247.51476.01614-65.92990162.2515.221-0.5969911.87927-23-6484360324.50637442684.5381247.49843.1594233.2336110117.514.169-0.6387417.13-29-299436

21、0324.59337442684.6251247.48279.0803225.4186212942.7513.388-0.7214119.276342373104360324.6837442684.7121247.46681.1736829.914111495610.308-0.6575419.598123875114360324.76737442684.8001247.45058.2429714.1732416934.57.385-0.5840119.522044936124360324.85537442684.8871247.43445.2938231.5847518939.3332.99

22、6-0.4520817.370772839134360324.94237442684.9741247.40363.5795934.8322120710.51.129-0.4510214.385045642第二節(jié)地表移動變形和角量參數(shù)的確定一、地表變形最大值根據(jù)5201工作面首次和最后一次觀測成果，對兩條觀測線進行各種移動變形計算，并繪制觀測成果圖，詳見附圖2-2、附圖2-3。將各觀測線的移動變形最大值列于表2-4。表2-45201工作面移動變形最大值統(tǒng)計表南北向線東西向線最大下譏值Wo(mm)379619最大傾斜值i0(mm/M)41.33-42.2268.59-49.55最大水平移動Uo(m

23、m)1445.83-885.231011.47-888.76最大曲率值Ko(10-3/M)5.557.81-3.28-4.60最大水平變形值e0(mm/M)63.2555.59-65.79-60.03說明表中各種移動變形都比較小，這是本區(qū)特有的地質(zhì)采礦等條件所決定的圖2-2東西向線地表移動變形圖圖2-3南北向線地表移動變形圖二、地表移動變形分布規(guī)律1 .走向線主剖面變形特征因工作面推進距離原因，走向線未達到充分采動，接近于臨界充分采動位置，今后根據(jù)推采進度繼續(xù)進行觀測分析。2 .傾向線主剖面變形特征從傾向線的移動變形曲線上看，兩者變形基本上為對稱型，在兩端地面下沉變化都比較平緩，但在拐點附近變

24、化陡急。最大變形值相差也較小。從圖形分布看大體符合常規(guī)。三、地表移動穩(wěn)定后的角量參數(shù)1 .移動角利用主剖面上實測到的傾斜曲線、曲率曲線、水平變形曲線，分別求出移動盆地外邊界i=3mm/m、K=0.2x10-3/m、e=2mm/m的點，取其中最外邊一個點，將松散層移動0方向投引到松散層與基巖的接觸面上，再與采空區(qū)邊界連線，則該線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角，即為新求移動角。如礦區(qū)無松散層移動角時，一般取松散層移動角45°。在5201工作面具體條件下，如用0=45°來求基巖移動角.所求基巖移動角均大于90°。故只能不分松散層和基巖層求綜合移動角。2 .邊界角與裂縫角以地表

25、下沉為10mm的位置為邊界點，與采空邊界連線在煤柱一側(cè)和水平線所成夾角便是綜合邊界角：而裂縫角仍指在充分采動或接近充分采動的情況下，采空區(qū)上方地表最外側(cè)的裂縫位置和采空區(qū)邊界的連線與水平線之間在煤柱一側(cè)的夾角。3 .充分采動角與最大下沉角充分采動角指在充分采動情況下，移動盆地主斷面上盆地平底邊緣和工作面邊界的連線與煤層之間在采空區(qū)內(nèi)側(cè)的夾角（少）。最大下沉角（0）指在移動盆地的傾斜主斷面上，采空區(qū)中點與地表最大下沉點的連線與水平線之間在下山方向的夾角。5201工作面煤層傾角0c=5.5,緩傾斜煤層。按三下規(guī)程中硬覆巖公式0=90-（0.60.7）0c計算,0值在8642/-86009/之間，故

26、取0弋8602U。按上述方法求得各主斷面綜合移動角、綜合邊界角、裂縫角、充分采動角，列于表2-5。表2-55201工作面地表移動參數(shù)成果表觀測線角別走向線傾斜線下山上山綜合移動角8663丫綜合邊界角S0693069丫069裂縫角S3/Y充分采動角4)3694)i634)269取大下沉角90/8625說明最大下沉移動角0,按規(guī)程覆巖中硬巖公式0-90-(0.6-0.7)a計算，故5201工作面0-86°25/四、松散層和基巖層移動角的確定5201工作面煤層傾角很小，局部地區(qū)很難區(qū)分走向和傾斜方向，為此將所求得的綜合移動角按走向移動角取平均值，將求得的平均值和平均值誤差列于表2-7。表2

27、-7按走向求移動角平均值統(tǒng)計表走向平均值綜合移動角8660綜合邊界角80690裂縫角建充分采動角力690除裂縫角誤差較大外，其它平均值誤差都在土20左右。故具備用解析法求松散層移動角。的條件。J7圖基巖移動角的求取模型益民礦區(qū)開采過程的地表測結(jié)果，給出松散層移動角4=540536-在此依此為基礎(chǔ)按照關(guān)系求取基巖邊界移動角如圖2-4,以4=540536“為松散層移動線，按下式求基巖移動角5FLi=hiCtgHiCtg、(1)則、'cig"Hi式中Lj為地表i=3mm/m、K=0.2x10-3/m、e=2mm/m最外點到采空區(qū)邊界水平距離（m）。式中：h采空區(qū)邊界上方松散層垂厚（m）;為采空區(qū)邊界基巖面到采空區(qū)底的高度（m）.對益民煤礦5201工作面觀測條件，開切眼附近埋藏深度為105m,松散沖積層厚度取均值25.0m,則基巖厚度為80m,實測的Li=60m,因此基巖移動角為F11Li-hiCtg、=ctgHi=16025ctg545384.7。262由此，