煤礦采空區(qū)地表移動盆地高精度變形觀測

煤礦采空區(qū)地表移動盆地高精度變形觀測

1地表移動的延續(xù)時間u采區(qū)形成地下洞穴。采空區(qū)達到一定程度時,上方巖層原有的平衡狀態(tài)便被打破,產(chǎn)生冒落、斷裂和彎曲等一系列變形與破壞,使地表產(chǎn)生沉降和變形,形成地表移動盆地。地表移動的發(fā)生、發(fā)展及最終狀態(tài)主要取決于煤層的賦存條件、覆巖性質(zhì)及組合類型、采煤方式及頂板管理方法。根據(jù)煤礦系統(tǒng)多年的研究,煤層覆巖破壞以“三帶”形(由冒落帶、斷裂帶和彎曲帶組成)最為普遍。一般情況下,煤層采深在100m以內(nèi)時,地表移動的延續(xù)時間為8～10個月;采深100～200m時,為12～24個月;采深300m時,為24～36個月。地表移動的延續(xù)時間一般可分為3個階段:起始階段(從地表下沉10mm/月起,至50mm/月止)、活躍階段(下沉量大于50mm/月)、衰減階段(活躍階段結(jié)束至6個月內(nèi)的下沉量不大于30mm)。煤礦系統(tǒng)還認為衰減階段以后的殘余下沉量遠小于地表總下沉量的2%～3%(充分采動時)或9%(非充分采動時),復(fù)采區(qū)地表移動的延續(xù)時間則更短。活躍階段的地表移動盆地變形量大,常常引起地表建筑物的破壞,在其范圍內(nèi)不能修建新建筑(構(gòu)筑)物。衰減階段結(jié)束后,能否修建或還要隔多久才能修建新建筑(構(gòu)筑)物,各行業(yè)認識不一。煤炭系統(tǒng)認為殘余變形量是可以忽略不計的,采深在300m以內(nèi)時,采空時間超過3a的地段可以修建建筑物,為了安全起見,間隔5a以上。水利系統(tǒng)則認為煤炭系統(tǒng)判定移動盆地穩(wěn)定的標準過低,殘余變形量仍可能對水利設(shè)施產(chǎn)生破壞作用。2地表移動盆地的分布、運動及開采南水北調(diào)中線工程總干渠通過的焦作煤礦區(qū)位于河南省焦作市東部,是我國最早開發(fā)的礦區(qū)之一,已有近百年的開采歷史。礦區(qū)現(xiàn)已形成由省屬焦煤集團、焦作市地方國營礦、輝縣市地方集體礦等為主的綜合開發(fā)格局。礦區(qū)位于太行山東南側(cè)山前傾斜平原,總體上地勢西北高、東南低,屬沖洪積裾,地面高程90～150m。區(qū)內(nèi)原始地形起伏較小,地勢相對平緩,后因地下采煤,形成許多地表移動盆地,盆地邊緣與中心處的最大高差可達8～9m之多。地表主要為第四系黃土狀土、粘性土及卵石層,厚40～150m。下伏基巖為二疊、石炭、奧陶系碎屑巖和碳酸鹽巖,主采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1111)底部。開采范圍內(nèi),煤層埋深100～350m,厚度一般5.5～7.0m,傾角7°～17°。南水北調(diào)中線總干渠從焦作市東南的墻南村北進入焦作煤礦區(qū),于中州鋁廠東北出煤礦區(qū),礦區(qū)內(nèi)渠線長約30km。渠道沿線及附近分布的井田有:焦煤集團的恩村、韓王、演馬莊、九里山、位村、古漢山礦井,焦作市國營的白莊、方莊礦井,輝縣市地方集體的吳村和張屯礦井。此外,渠線附近還有多處鄉(xiāng)村小煤窯。上述礦井范圍內(nèi)既有從20世紀70年代至今的各個時期形成的采空區(qū),也有老井復(fù)采的采空區(qū),覆巖破壞形式為典型的“三帶”形。采空區(qū)上地表移動盆地的穩(wěn)定問題,特別是煤炭系統(tǒng)認為已穩(wěn)定的地表移動盆地的穩(wěn)定問題是中線工程總干渠通過焦作煤礦區(qū)需解決的問題,它決定了總干渠渠道的布置,直接影響著工程的安全和投資。但是,由于水利系統(tǒng)缺少在采空區(qū)地表移動盆地內(nèi)修建工程的經(jīng)驗,缺少高精度地表移動盆地變形觀測的資料,所以對于能否在地表移動盆地內(nèi)修建輸水渠道存在較多的爭議。為了解地表移動盆地變形(特別是殘余變形)的情況,在焦作煤礦區(qū)開展了對各類采空區(qū)地表移動盆地高精度的變形觀測。3觀測點及邊界條件根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的變形問題,在擬建渠道沿線的韓王礦、演馬莊礦、白莊礦和小官莊礦回采的地段,穩(wěn)定性有疑問的地段和驗證對比地段先后布設(shè)了26個高精度的變形觀測點,見表1。這些點多分布于不同煤礦的不同移動盆地中,僅少部分點位于同一移動盆地或未采區(qū)。從2003年9月至2004年11月,進行了14個月的水平、垂直位移觀測。平面位移的觀測采用GPS進行,精度等級為C級,誤差為5mm左右;垂直位移采用二等直接水準測量方法,其精度滿足二等水準測量精度要求,即每千米水準測量高差中數(shù)的偶然中誤差△M≤±1.0mm。觀測的時間間隔為1個月。4無垂向累積變形量的觀測結(jié)果由于煤炭系統(tǒng)評價地表移動盆地的穩(wěn)定性主要依據(jù)的是垂向的變形量,且對建筑物允許變形的評價主要依據(jù)傾斜、曲率、水平變形等參數(shù)。要獲得這些參數(shù),需在地表移動盆地進行剖面觀測。本次工作未開展剖面觀測,所以本文重點是對垂向變形量進行分析。上述26個點中,除JZ7、JZ19～JZ21等4個點外,其余22個點在觀測期間均達到了煤炭系統(tǒng)的穩(wěn)定標準(6個月內(nèi)的下沉量不大于30mm),各觀測點垂向累計變形量見表2、表3(變形量的正負號代表變形的方向)。從表2中可以看出,4個未穩(wěn)定點中,JZ7的變形在減少,其余3個點的變形在增加,這3個點又同位于小官莊煤窯的開采區(qū)內(nèi),所以可以判定其開采方向是由JZ19點向JZ21點方向推進,如不停止開采,變形仍將持續(xù)一段時間。達到穩(wěn)定狀態(tài)的22個點中,有5個點在穩(wěn)定期內(nèi)的累積變形量超過了30mm,其中JZ14點13個月內(nèi)達43.9mm,但各點后6個月內(nèi)的垂向累積變形量均小于前6個月的累積變形量;有8個點穩(wěn)定期內(nèi)的累積變形量不超過5mm;其他點穩(wěn)定期內(nèi)的累積變形量介于5mm和30mm之間,多數(shù)點后6個月內(nèi)的垂向累積變形量均小于前6個月的累積變形量,僅JZ17、JZ18、JZ223個點后6個月內(nèi)的垂向累積變形量大于前6個月的累積變形量,其中JZ17、JZ18位于白莊礦內(nèi),可能存在回采的影響,JZ22則是受小官莊煤窯開采的影響。由此我們可以得出結(jié)論:在正常開采的情況下,垂向累積變形量隨時間的推移呈遞減趨勢。雖然有22個點達到了煤炭系統(tǒng)的穩(wěn)定標準,但從上面的分析可以看出這種“穩(wěn)定狀態(tài)”中,各點的變形情況仍存在著差異。通過對各點變形觀測結(jié)果(X、Y為水平位移的單月變形量,H為垂直位移單月的變形量;△X、△Y為水平位移的累積變形量,△H為垂直位移的累積變形量;正負號代表變形的方向,如垂直變形量向下為正)的進一步分析,其變形特征可細分為以下幾類。4.1抗側(cè)力點rga該類型觀測點一般位于未采區(qū)、1998年以前形成的采空區(qū)且附近無新開采活動,包括JZ1～JZ5、JZ10、JZ16、JZ23、JZ24等9個點。各點的單月變形量較小,雖然最大單月變形量:X=10.2mm(JZ2點,2004年8月),Y=8.5mm(JZ2點,2004年3月),H=4mm(JZ24點,2004年11月),但大多數(shù)單月變形量均在觀測誤差范圍內(nèi),且變形方向在不斷變換。各點位移過程曲線呈波狀起伏,至2004年11月,最大累計變形量:△X=10.2mm(JZ24點),△Y=5.8mm(JZ10點),△H=9mm(JZ10點)。典型穩(wěn)定型點的單月變形量、位移過程線見圖1、圖2。此外,JZ9點雖位于2001年的復(fù)采區(qū),但仍屬穩(wěn)定。原因可能有兩個:①該點不在復(fù)采區(qū)內(nèi),復(fù)采一般是對巷道殘留煤柱的采掘,與正規(guī)開采相比,其開采位置存在較多的不確定因素,一般通過訪問、調(diào)查確定,難免存在一定的誤差;②復(fù)采規(guī)模小,引起的變形范圍小,地表穩(wěn)定快,觀測期間已經(jīng)趨于穩(wěn)定。4.2最大月變形量該類型觀測點雖位于1998年以前形成的采空區(qū)內(nèi),但這些區(qū)域或為地方礦井的采空區(qū),或附近存在復(fù)采區(qū),由于種種原因,仍存少量變形,包括JZ8、JZ17、JZ18、JZ22、JZ26等5個點。各點的部分單月變形量超過觀測誤差范圍,且垂向變形變化少。最大單月變形量:X=11.3mm(JZ8點,2004年11月),Y=9.5mm(JZ18點,2004年4月),H=4.8mm(JZ8點,2004年6月)。各點位移過程曲線中,垂直位移以及JZ8、JZ18點水平位移的曲線呈抬升狀;JZ17、JZ26點水平位移的曲線呈波浪狀。至2004年11月,最大累計變形量:△X=23.6mm(JZ22點),△Y=16.9mm(JZ18點),△H=24mm(JZ26點)。典型基本穩(wěn)定型點的單月變形量、位移過程線見圖3、圖4。此外,由于JZ22點位于正在開采的采空區(qū)邊緣,其變形有增大的可能。4.3大單晶變形量該類型觀測點分布有兩種情況:①位于淺埋煤層的正在開采區(qū)域內(nèi)或附近;②位于剛剛停采的復(fù)采區(qū)內(nèi)或附近。包括JZ6、JZ7、JZ11～JZ15、JZ25等8個點。其中JZ7點在觀測結(jié)束時,仍未達到煤炭系統(tǒng)認為的穩(wěn)定狀態(tài)。各點的水平、垂直位移的變形方向基本無變化,觀測初期單月變形量較大,隨后逐步變小。最大單月變形量:X=21.1mm(JZ11點,2004年1月),Y=70.2mm(JZ12點,2004年1月),H=99.9mm(JZ11點,2003年10月)。2004年11月,JZ11點的X、H分別降至1.6、1mm;JZ12點的Y也降為3.4mm。各點的累積變形量較大,但位移過程曲線一般在觀測初期出現(xiàn)陡坎,后期則較為平緩,趨于穩(wěn)定。至2004年11月,上述各點中,JZ11點的累計變形量最大:△X=64.7mm,△Y=162.4mm,△H=243.8mm,但主要的變形量發(fā)生在2004年3月以前。該點在觀測期最后6個月的累計變形量分別為:△X=5mm,△Y=3.1mm,△H=13.2mm。典型趨于穩(wěn)定型點的單月變形量、位移過程線見圖5、圖6。據(jù)了解,JZ11～JZ15點下的復(fù)采于2003年8月結(jié)束。這些點的觀測結(jié)果表明:因采深的不同,復(fù)采結(jié)束后的3～7月內(nèi),地表變形可達到煤炭系統(tǒng)認為的穩(wěn)定狀態(tài),遠小于正常開采情況下達到穩(wěn)定所需要的時間。4.4點的累積變形量該類觀測點位于正在開采的區(qū)域中,未達到煤炭系統(tǒng)認為的穩(wěn)定狀態(tài),包括JZ19～JZ21等3點。各點的水平、垂向變形變化少,觀測初期的單月變形量小,但中后期變大。最大單月變形量:X=11.9mm(JZ21點,2004年9月),Y=18.7mm(JZ19點,2004年9月),H=64.3mm(JZ19點,2004年11月)。各點累積變形量較大,位移過程曲線呈擴散的喇叭狀。至2004年11月,上述各點中,JZ19點的累計變形量最大:△X=25.8mm,△Y=62.6mm,△H=192.7mm。而該點在觀測初期6個月的累積變形量分別為:△X=12.4mm,△Y=4.5mm,△H=7.9mm,變形主要發(fā)生在觀測末期的6個月中。典型活動型點的單月變形量、位移過程線見圖7、圖8。5面穩(wěn)定系數(shù)及累積變形方向從上面的分析,可以得出以下幾點認識:(1)焦作煤礦區(qū)1998年以前的采空區(qū),在沒有后期復(fù)采的情況下,已經(jīng)沒有明顯的地表變形。因此5a以上的采空區(qū)在經(jīng)過適當?shù)牡鼗幚砗?可以作為水利工程的建設(shè)用地。(2)符合煤炭系統(tǒng)穩(wěn)定標準的觀測點的穩(wěn)定狀態(tài)存在著差異。①真正意義上的穩(wěn)定,即單月變形量多在觀測誤差范圍內(nèi),且變形方向不斷變換,如JZ1等本文所定義的“穩(wěn)定”點;②雖然觀測點在6個月內(nèi)的累積變形量不超過30mm,但變形始終朝著一個方向發(fā)展,累積變形量呈增大狀態(tài),如JZ14等本文所定義的“基本穩(wěn)定”點和“趨于穩(wěn)定”點。這種呈衰減特征的變形可能持續(xù)1～2a時