煤矿采空区地表移动盆地高精度变形观测

煤矿采空区地表移动盆地高精度变形观测

1地表移动的延续时间u采区形成地下洞穴。采空区达到一定程度时,上方岩层原有的平衡状态便被打破,产生冒落、断裂和弯曲等一系列变形与破坏,使地表产生沉降和变形,形成地表移动盆地。地表移动的发生、发展及最终状态主要取决于煤层的赋存条件、覆岩性质及组合类型、采煤方式及顶板管理方法。根据煤矿系统多年的研究,煤层覆岩破坏以“三带”形(由冒落带、断裂带和弯曲带组成)最为普遍。一般情况下,煤层采深在100m以内时,地表移动的延续时间为8～10个月;采深100～200m时,为12～24个月;采深300m时,为24～36个月。地表移动的延续时间一般可分为3个阶段:起始阶段(从地表下沉10mm/月起,至50mm/月止)、活跃阶段(下沉量大于50mm/月)、衰减阶段(活跃阶段结束至6个月内的下沉量不大于30mm)。煤矿系统还认为衰减阶段以后的残余下沉量远小于地表总下沉量的2%～3%(充分采动时)或9%(非充分采动时),复采区地表移动的延续时间则更短。活跃阶段的地表移动盆地变形量大,常常引起地表建筑物的破坏,在其范围内不能修建新建筑(构筑)物。衰减阶段结束后,能否修建或还要隔多久才能修建新建筑(构筑)物,各行业认识不一。煤炭系统认为残余变形量是可以忽略不计的,采深在300m以内时,采空时间超过3a的地段可以修建建筑物,为了安全起见,间隔5a以上。水利系统则认为煤炭系统判定移动盆地稳定的标准过低,残余变形量仍可能对水利设施产生破坏作用。2地表移动盆地的分布、运动及开采南水北调中线工程总干渠通过的焦作煤矿区位于河南省焦作市东部,是我国最早开发的矿区之一,已有近百年的开采历史。矿区现已形成由省属焦煤集团、焦作市地方国营矿、辉县市地方集体矿等为主的综合开发格局。矿区位于太行山东南侧山前倾斜平原,总体上地势西北高、东南低,属冲洪积裾,地面高程90～150m。区内原始地形起伏较小,地势相对平缓,后因地下采煤,形成许多地表移动盆地,盆地边缘与中心处的最大高差可达8～9m之多。地表主要为第四系黄土状土、粘性土及卵石层,厚40～150m。下伏基岩为二叠、石炭、奥陶系碎屑岩和碳酸盐岩,主采煤层为二叠系下统山西组(P1111)底部。开采范围内,煤层埋深100～350m,厚度一般5.5～7.0m,倾角7°～17°。南水北调中线总干渠从焦作市东南的墙南村北进入焦作煤矿区,于中州铝厂东北出煤矿区,矿区内渠线长约30km。渠道沿线及附近分布的井田有:焦煤集团的恩村、韩王、演马庄、九里山、位村、古汉山矿井,焦作市国营的白庄、方庄矿井,辉县市地方集体的吴村和张屯矿井。此外,渠线附近还有多处乡村小煤窑。上述矿井范围内既有从20世纪70年代至今的各个时期形成的采空区,也有老井复采的采空区,覆岩破坏形式为典型的“三带”形。采空区上地表移动盆地的稳定问题,特别是煤炭系统认为已稳定的地表移动盆地的稳定问题是中线工程总干渠通过焦作煤矿区需解决的问题,它决定了总干渠渠道的布置,直接影响着工程的安全和投资。但是,由于水利系统缺少在采空区地表移动盆地内修建工程的经验,缺少高精度地表移动盆地变形观测的资料,所以对于能否在地表移动盆地内修建输水渠道存在较多的争议。为了解地表移动盆地变形(特别是残余变形)的情况,在焦作煤矿区开展了对各类采空区地表移动盆地高精度的变形观测。3观测点及边界条件根据野外地质调查发现的变形问题,在拟建渠道沿线的韩王矿、演马庄矿、白庄矿和小官庄矿回采的地段,稳定性有疑问的地段和验证对比地段先后布设了26个高精度的变形观测点,见表1。这些点多分布于不同煤矿的不同移动盆地中,仅少部分点位于同一移动盆地或未采区。从2003年9月至2004年11月,进行了14个月的水平、垂直位移观测。平面位移的观测采用GPS进行,精度等级为C级,误差为5mm左右;垂直位移采用二等直接水准测量方法,其精度满足二等水准测量精度要求,即每千米水准测量高差中数的偶然中误差△M≤±1.0mm。观测的时间间隔为1个月。4无垂向累积变形量的观测结果由于煤炭系统评价地表移动盆地的稳定性主要依据的是垂向的变形量,且对建筑物允许变形的评价主要依据倾斜、曲率、水平变形等参数。要获得这些参数,需在地表移动盆地进行剖面观测。本次工作未开展剖面观测,所以本文重点是对垂向变形量进行分析。上述26个点中,除JZ7、JZ19～JZ21等4个点外,其余22个点在观测期间均达到了煤炭系统的稳定标准(6个月内的下沉量不大于30mm),各观测点垂向累计变形量见表2、表3(变形量的正负号代表变形的方向)。从表2中可以看出,4个未稳定点中,JZ7的变形在减少,其余3个点的变形在增加,这3个点又同位于小官庄煤窑的开采区内,所以可以判定其开采方向是由JZ19点向JZ21点方向推进,如不停止开采,变形仍将持续一段时间。达到稳定状态的22个点中,有5个点在稳定期内的累积变形量超过了30mm,其中JZ14点13个月内达43.9mm,但各点后6个月内的垂向累积变形量均小于前6个月的累积变形量;有8个点稳定期内的累积变形量不超过5mm;其他点稳定期内的累积变形量介于5mm和30mm之间,多数点后6个月内的垂向累积变形量均小于前6个月的累积变形量,仅JZ17、JZ18、JZ223个点后6个月内的垂向累积变形量大于前6个月的累积变形量,其中JZ17、JZ18位于白庄矿内,可能存在回采的影响,JZ22则是受小官庄煤窑开采的影响。由此我们可以得出结论:在正常开采的情况下,垂向累积变形量随时间的推移呈递减趋势。虽然有22个点达到了煤炭系统的稳定标准,但从上面的分析可以看出这种“稳定状态”中,各点的变形情况仍存在着差异。通过对各点变形观测结果(X、Y为水平位移的单月变形量,H为垂直位移单月的变形量;△X、△Y为水平位移的累积变形量,△H为垂直位移的累积变形量;正负号代表变形的方向,如垂直变形量向下为正)的进一步分析,其变形特征可细分为以下几类。4.1抗侧力点rga该类型观测点一般位于未采区、1998年以前形成的采空区且附近无新开采活动,包括JZ1～JZ5、JZ10、JZ16、JZ23、JZ24等9个点。各点的单月变形量较小,虽然最大单月变形量:X=10.2mm(JZ2点,2004年8月),Y=8.5mm(JZ2点,2004年3月),H=4mm(JZ24点,2004年11月),但大多数单月变形量均在观测误差范围内,且变形方向在不断变换。各点位移过程曲线呈波状起伏,至2004年11月,最大累计变形量:△X=10.2mm(JZ24点),△Y=5.8mm(JZ10点),△H=9mm(JZ10点)。典型稳定型点的单月变形量、位移过程线见图1、图2。此外,JZ9点虽位于2001年的复采区,但仍属稳定。原因可能有两个:①该点不在复采区内,复采一般是对巷道残留煤柱的采掘,与正规开采相比,其开采位置存在较多的不确定因素,一般通过访问、调查确定,难免存在一定的误差;②复采规模小,引起的变形范围小,地表稳定快,观测期间已经趋于稳定。4.2最大月变形量该类型观测点虽位于1998年以前形成的采空区内,但这些区域或为地方矿井的采空区,或附近存在复采区,由于种种原因,仍存少量变形,包括JZ8、JZ17、JZ18、JZ22、JZ26等5个点。各点的部分单月变形量超过观测误差范围,且垂向变形变化少。最大单月变形量:X=11.3mm(JZ8点,2004年11月),Y=9.5mm(JZ18点,2004年4月),H=4.8mm(JZ8点,2004年6月)。各点位移过程曲线中,垂直位移以及JZ8、JZ18点水平位移的曲线呈抬升状;JZ17、JZ26点水平位移的曲线呈波浪状。至2004年11月,最大累计变形量:△X=23.6mm(JZ22点),△Y=16.9mm(JZ18点),△H=24mm(JZ26点)。典型基本稳定型点的单月变形量、位移过程线见图3、图4。此外,由于JZ22点位于正在开采的采空区边缘,其变形有增大的可能。4.3大单晶变形量该类型观测点分布有两种情况:①位于浅埋煤层的正在开采区域内或附近;②位于刚刚停采的复采区内或附近。包括JZ6、JZ7、JZ11～JZ15、JZ25等8个点。其中JZ7点在观测结束时,仍未达到煤炭系统认为的稳定状态。各点的水平、垂直位移的变形方向基本无变化,观测初期单月变形量较大,随后逐步变小。最大单月变形量:X=21.1mm(JZ11点,2004年1月),Y=70.2mm(JZ12点,2004年1月),H=99.9mm(JZ11点,2003年10月)。2004年11月,JZ11点的X、H分别降至1.6、1mm;JZ12点的Y也降为3.4mm。各点的累积变形量较大,但位移过程曲线一般在观测初期出现陡坎,后期则较为平缓,趋于稳定。至2004年11月,上述各点中,JZ11点的累计变形量最大:△X=64.7mm,△Y=162.4mm,△H=243.8mm,但主要的变形量发生在2004年3月以前。该点在观测期最后6个月的累计变形量分别为:△X=5mm,△Y=3.1mm,△H=13.2mm。典型趋于稳定型点的单月变形量、位移过程线见图5、图6。据了解,JZ11～JZ15点下的复采于2003年8月结束。这些点的观测结果表明:因采深的不同,复采结束后的3～7月内,地表变形可达到煤炭系统认为的稳定状态,远小于正常开采情况下达到稳定所需要的时间。4.4点的累积变形量该类观测点位于正在开采的区域中,未达到煤炭系统认为的稳定状态,包括JZ19～JZ21等3点。各点的水平、垂向变形变化少,观测初期的单月变形量小,但中后期变大。最大单月变形量:X=11.9mm(JZ21点,2004年9月),Y=18.7mm(JZ19点,2004年9月),H=64.3mm(JZ19点,2004年11月)。各点累积变形量较大,位移过程曲线呈扩散的喇叭状。至2004年11月,上述各点中,JZ19点的累计变形量最大:△X=25.8mm,△Y=62.6mm,△H=192.7mm。而该点在观测初期6个月的累积变形量分别为:△X=12.4mm,△Y=4.5mm,△H=7.9mm,变形主要发生在观测末期的6个月中。典型活动型点的单月变形量、位移过程线见图7、图8。5面稳定系数及累积变形方向从上面的分析,可以得出以下几点认识:(1)焦作煤矿区1998年以前的采空区,在没有后期复采的情况下,已经没有明显的地表变形。因此5a以上的采空区在经过适当的地基处理后,可以作为水利工程的建设用地。(2)符合煤炭系统稳定标准的观测点的稳定状态存在着差异。①真正意义上的稳定,即单月变形量多在观测误差范围内,且变形方向不断变换,如JZ1等本文所定义的“稳定”点;②虽然观测点在6个月内的累积变形量不超过30mm,但变形始终朝着一个方向发展,累积变形量呈增大状态,如JZ14等本文所定义的“基本稳定”点和“趋于稳定”点。这种呈衰减特征的变形可能持续1～2a时