朝阳矿村庄下条带开采地表沉陷观测报告

山东省朝阳矿业有限公司村庄下条带开采地表沉陷观测报告 中 国 矿 业 大 学朝阳矿业有限公司2006年12月朝阳矿首采区条带开采工业性试验报告1 概述朝阳矿是隶属枣庄市市中区的一座新建煤矿，位于山东省滕州市西北部滨湖镇，东南与北徐楼煤矿相邻，该矿初步设计能力45万ta，系统装备能力90万ta，该矿首采区坐落在东焦、西焦两个村庄之下，开采3下煤层，面临村庄下采煤问题。两村共压煤1165万t，占3下煤总储量的52，均为A+B级高级储量。朝阳矿首采区开采3下煤层，东以F4断层为界，南以北徐楼断层为界，北以3下煤层露头为界，西以西焦村西侧保护煤柱边界为界，与二采区相邻。从3下煤层露头到北徐楼断层之间距离较小，平均750 m左右；从首采区东部F4断层到西部二采区边界距离较大，为1500 m左右。首采区地表标高+35 m，3下煤层底板标高-650-870 m，埋藏深度685905 m。在井田范围内，首采区位于井筒的西南方向，沿首采区北部3下煤层露头是矿井西翼皮带下山和轨道下山。根据朝阳矿建设进展情况，面临以下选择，其一，如果因为村庄问题，先不采东焦、西焦两个村庄之下首采区，而先采第二采区，预计到2006年10月份左右才能够具备出煤条件；其二，如果先采首采区，在2004年9月左右即具备出煤条件，可又存在村庄下开采问题，迁村采煤矿上目前没有经济能力，不迁村而用传统的条带开采，由于采深大、煤层厚，采出率低，将损失大量宝贵的优质的煤炭资源。为了及早出煤，最大限度开采利用煤炭资源，朝阳矿业有限公司与中国矿业大学合作开展“朝阳矿井村庄下深埋厚煤层开采关键技术” 项目研究，专门研究解决朝阳矿首采区3下煤层村庄下开采问题。本矿共进行了4个工作面的开采。开采顺序及时间见表1。为了监测这个四个面开采可能对东焦村和西焦村产生的影响，在这四个工作面上方布置了4条地表移动观测线（14号观测线），从2004年12月开始进行观测，至2006年7月21日，共观测了8次。首采区与观测线相对位置见图1。3101、3103工作面基本位于东焦村下方，3105、3107工作面位于东、西焦图1 首采面与地表观测线相对位置图表1 各工作面开采起止时间工作面开始开采时间停止开采时间31012004.092005.0131032005.022005.0731052005.102006.0431072006.042006.08村之间。3101工作面与3107工作面相距约548m。四个工作面走向与倾向长度分别为：335m，70m；469m，70m；492m，70m；319m，70m。总的开采面积约为113050m2。2 首采区地质概况首采区3下煤层在下二叠山西组地层内。边界断层有北徐楼断层和F4断层两条，探明的断层中位于村庄下的有F3和F4两条，其中，F3断层主体部分位于西焦村外，部分位于西焦村下；F4断层则从东焦村下穿过。3下煤层局部有伪顶和伪底，直接顶以泥岩、砂质泥岩为主，其次为粉砂岩、细粒砂岩，直接底板为砂质泥岩、泥岩。井田内山西组3下煤层水文地质类型属裂隙类简单中等型，断层带充填较好，富水性弱，导水性差。3 首采区设计布置情况首采区条带开采工作面采用南北向布置，确定首采区条带开采工作面巷道布置方案见图2“首采区条带布置（采70m，留140 m方案）”，其中：（1）首采区第一阶段条带开采工作面共布置7个，由东向西分别是3101、3103、3105、3107、3109、3111条带回采工作面，3113是长壁回采工作面，各工作面的推进度和煤炭储量见表2，7个面共计可采煤炭储量367.4万t。（2）条带工作面开切眼距采区南部北徐楼井田边界煤柱距离60 m，距F4断层距离30 m；（3）条带面停采线距离西翼下山或其它开拓巷道距离50 m，距离煤层露头10 m；（4）F3断层两侧各留15 m安全煤柱；（5）3101条带工作面推进范围进入矿工广煤柱180 m，3103条带工作面推进范围进入矿工广煤柱80 m，由于保留煤柱足够宽，地表变形很小，远低于建筑物I级损害允许变形值范围内，对工广内的建筑设施没有明显不良影响。表2首采区条带开采工作面尺寸与煤炭储量统计工作面3101310331053107310931113113巷道1长/m407652648672682637640巷道2长/m407662672685673640627条带宽/m707070707070145理论储量/万t29.748.048.249.649.546.695.8图2 首采区条带开采工作面巷道布置方案开采沉陷预测图见图3。4 首采区实际布置及开采情况朝阳井田内无岩浆侵入，地质构造复杂程度属中等，3下煤层倾角平缓，赋存稳定，井田内平均厚度为7.14 m，首采区内平均厚度7.62 m，低瓦斯，顶底板岩性稳定，水文地质条件简单，总体上，除采深较大，工作面推进长度较小外，其它条件均比较好，适合机械化开采和放顶煤开采。与原设计方案相比, 朝阳煤矿首采区工作面的实际布置，有一定的变化, 4个工作面的开采范围都比原设计方案都要小。沿倾向方向，4个工作面的位置基本没有变化。走向方向上，3101工作面的开切眼位置向往南平移了约4m，3103工作面开切眼向北平移了约11m，3105工作面的开切眼位置与设计的基本吻合，3107工作面开切眼向北平移了约18m。而停采线沿走向方向则向南缩短了15m36m左右。即工作面的长度比原设计的要短10m55m不等，因此开采面积为2439.7m2，约占原设计开采面积3656.7m2 的66.7。其中3101为首采工作面。图3 采深7.6m全条带开采沉陷预测图朝阳矿首采区3下厚煤层开采采用综采轻型支架放顶煤一次采全高。选用ZFZ2000/15/23D型轻型放顶煤液压支架，工作面支架为40架（3101工作面）；采用SGZ630/220刮板输送机，流量为2000L/min，公称压力为31.5MPa的BRW20031.5型乳化液泵；使用SZZ-764/160型顺槽转载机，LPS-1000-110破碎机；四个工作面的采高分别为：7.89m；7.55m；7.65m；7.76m。其中，3101工作面的回采率为84.1，平均回采速度3.3m/天。5 首采区工作面地表移动观测站在首采区上方布置了4条地表移动观测站（14号观测线），测线布置充分考虑了当地村庄建筑物分布、道路情况等，并尽量利用道路，少占土地，其中：1号测线：基本沿3101条带面推进方向靠矿工业广场方向的主断面，重点观测条带开采下沉量及其变化。2号测线：与1号线垂直，观测条带开采沿面方向沉陷过程与变化，最远测点离条带开采边界要求不少于1000m，保证在采动影响范围外。3号测线：基本沿贯穿东焦村、西焦村的道路布置，主要观测后续条带开采沉陷量及其变化。4号测站：基本沿3101条带面开切眼向外的主断面方向，观测3101条带面推进方向沉陷过程与变化，最远测点离3101条带开切眼不少于1000m，保证在采动影响范围外。上述测线上测点间距分两种情况，如果测点附近有房屋建筑，则测点间距控制在20m左右，村庄外测点间距控制在50m左右。另外，根据矿坐标情况，在开采影响范围外选择三个固定测点作控制点，控制点与受采动影响外边界点之间距离50100m。6 首采区工作面地表移动观测结果6.1 地表下沉与水平移动观测从2004年12月份开始进行观测，到2006年7月，共采集了八次比较完整的观测数据，取得了部分观测成果。中间有3次数据前后对比，有上升情况，与图4 1号线地表下沉曲线图5 2号线地表下沉曲线图6 3号线地表下沉曲线图7 4号线地表下沉曲线图8 1号线东西水平移动曲线图图9 2号线东西水平移动曲线图图10 3号线东西水平移动曲线图图11 4号线水平移动曲线图图12 1号线南北水平移动曲线图图13 2号线南北水平移动曲线图图14 3号线南北水平移动曲线图图15 4号线南北水平移动曲线图实际情况不符，应该是由其他原因引起（后面将有分析），但基本上比第一次都有下降情况，其中，最后两次下降比较显著，说明地下开采活动已经对地表产生了明显的下沉影响。在历次观测中，存在有些点破坏，或是位于道路上，被掩盖而无法观测的情况，所以3号线8点和4号线2点只有一两次数据。4号线上测点被当地农户种上了花草，或条石压着，没有最后一次观测数据。1号线和4号线在眼工作面推进方向上布置的，但并不是布置在工作面正上方。也就是说不在下沉盆地的主断面上。而且1号线偏离走向主断面60米；2号线和3号线的布置与工作面推进方向是垂直的。地表下沉曲线图见图4图7，水平移动曲线图见图8图15。从图4图7可以看出：开采活动初期对1号线和2号线的影响最大，越是靠近3101工作面正上方，下沉也最厉害。引起数据误差的原因主要是，地表碾压，季节变化引起的热胀效应，气候影响（如风大，小雨影响视线）和转点误差等。前面六次的观测结果，变化范围基本都在10mm左右，说明对地表的采动影响很小，在允许误差范围内，最后两次有了明显的下沉效果。第八次的下沉比第七次下沉值更大，下沉处于活跃期，有加快下沉趋势。1、2、4三条观测线的下沉值，基本都呈现从小点号到大点号逐步减小的现象，3号线出现从小到大在到小的现象，说明3号线中部靠近移动盆地底部。从图8图15可以看出：靠近下沉盆地底部的点，水平移动变化值更大；沿倾向方向的点，移动值的变化比走向方向的平缓；3号观测线的水平移动变化值比其他几条的要大，除了地表的碾压有关外，主要是靠近移动盆地底部。相比与第七次，1号线和2号线的最后一次水平移动值变化减小，而3号线还在继续增大，说明开采的滞后效应加大。6.2 地表建筑物观测通过近两年时间的连续观测，没有发生东、西焦村村民因为房屋损害问题与朝阳矿业有限公司存在冲突的现象。表明条带开采对房屋的采动影响非常小，地表下沉值比预计的要小，说明当时的条带开采设计是偏于安全的。7 观测结果分析7.1 1号线结果分析1号线最后两次下沉值范围在1mm60mm,其中3点下沉值最大。靠近工业工厂的点下沉值最小。水平值的变化分为两组，工广外的点变化趋于一个方向，往南倾斜，也即是与工作面推进方向相反。工广里几个点恰好相反，一致往北倾斜。下沉值从1点到14点逐步减小，越靠近下沉盆地，下沉值越大，与拟合图走势一致。最后一次3点下沉值为51mm。水平移动变化值最后两次也基本呈现靠近盆地，变化值越大。7.2 2号线结果分析2号线最后两次下沉变化范围是8mm39mm，从历次来看，最后两次相对前几次变化较大，如果以第一次数据为基础，则第2次观测变化就分别有69mm和74mm的变化，估计是第1次的测量有问题，故进行分析的时候，以第二次为基准（做下沉和水平移动数据分析，全是以第二次数据为基准）。从其他测点来看，基本呈现从1点到9点下沉值依次降低的现象，点之间的数据波动不大。水平移动值的变化，呈现正负值交替的现象，在1点出现最大负值，然后逐步向正值移动，与拟合图走势一致。但是出现正值，其绝对值则是基本减小的，说明测量数据有误。7.3 3号线结果分析3号线最后两次的下沉变化范围分别是7mm43mm，17mm95mm。后面两次下沉观测比较明显。最后一次的下沉相比第七次，有了成倍的增加，下沉效应显著加强。水平移动值的变化出现反复现象，从出现较大的负值转变变为正值，出现正值与水平移动等值线图数值走势较为一致，第五次（2005.5.7）观测，出现后面十个点的负值绝对值比正值大，而且大于下沉值，观测结果违背了一般规律，出现这样现象的原因主要是，在那次观测前几天，村子里的农户将道路两旁十几年的白桦树砍掉，由于质量较大，对地表的冲击力较大。后面三次观测值，逐渐向东移动，偏向下沉盆地底部，说明下沉盆地影响占主要因素。7.4 4号线结果分析 4号线的下沉变化在4条观测线中是最小的，从北往南，各个观测点的值逐步变小。下沉值变化范围是7mm22mm。水平变化值基本呈负值，与3号线布置在公路上受外界影响较大不同，4号线布置在村子里的外界影响相对较小。1号线上各点的变化与2号线各点走势和波动非常相似；3、4号线各点的走势波动趋于一致，变化幅度也基本一样。由于1、2号线布置在田间，人为等外界因素较小，这点与布置在村子里的3号线和4号线明显不一样。这说明影响数据变化（上升）的异常情况的因素是一致的。3号线最后一次各点的变化值非常分散，幅度大，说明各点受外界影响不一样，靠近开采工作面的各点，受到采动影响，变化值更大。从下沉曲线的走势来看，地表下沉还远没有形成盆地。实测表明：地表下沉仍在继续；1号观测线和2号观测线最先受到采动影响，下沉较大。3号线最后一次下沉值较大，有外界因素影响；地表的变化还处于非充分采动影响状态。7.5 下沉等值线图的拟合求参由于最后一次观测数据时，3107工作面开采较快，从2006.04到2006.08持续时间很短，对地表的采动影响还很小，所以，进行下沉等值线图拟合时求参，只按三个工作面的开采情况考虑。进行最终下沉预计时，则是按四个工作面采动影响的情况。根据实测数据，进行下沉曲线拟合，得出下沉系数0.015，水平移动系数0.35，主要影响角2.0。绘出地表下沉等值线图和水平移动等值线图（见附图），其中标有括号的数值为观测下沉值。实际观测值绘制下沉等值线图比原来预计的要小，主要是因为开采范围比原设计要小的多，约占原开采设计的66.7，以及下沉系数根据资料取值偏大。7.6 预计地表最终下沉等值线图根据实测值求算最终下沉量和下沉系数，由波兰SKnothe教授的地表动态下沉过程的下沉表达式： 式中 某一时刻点的下沉值； 点的最终下沉值； C 地表移动过程时间影响参数，1/a。根据朝阳矿地质资料，参考地表移动过程时间影响参数与覆岩岩性关系，李德海，取时间影响参数C=2，得到/1.29。故最终下沉系数=1.29=0.02。得到地表最终下沉等值线图等（见附图）。可知最终=110mm，水平变形 mm/m，曲率 (10-3/m),倾斜mm/m。7.7 下沉影响指标比较 从观测结果，拟合下沉和水平移动等值线图，得到的地表变形值比原设计要小，按建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程（2000）开采规程（见附表1），对地表建筑物的开采损害指标也是非常小的，具体比较见表3。通过上表可以看出，实测变形值与规程保护等级级的关系是：倾斜I=11/20*0.2；曲率K1/5*0.4；水平变形e1/9*3.0。远远小于保护等级的标准值，原设计偏于安全。表3 首采区条带开采沉陷地表变形（绝对值）比较开采情况下沉量倾斜变形/mm/m水平移动/mm/m水平变形/mm/m曲率变形/mm/m南北向东西向南北向东西向南北向东西向南北向东西向设计三条带2400.450.5070800.300.300.0030.004实测三条带850.350.2540250.40.160.0010.0011预测四条带1100.400.2555300.450.120.0040.001规程保护等级级3.02.00.27结论由于严格按照条带设计要求开采，在开采的观测的这近两年的时间里，东、西焦村房屋完好，正常使用，取得了预期的开采效果。从观测结果和预测结果来看，对地表开采的影响最大下沉值不到90mm。大部分下沉值分布在20mm70mm之间，从地表下沉曲线看，属于不充分采动。实际开采对地表的影响比预计的结果要小，原开采设计偏于安全。按朝阳矿首采区条带开采设计方案，进行工业性开采