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摘 要: 对五沟煤矿1013首采工作面地表移动观测站观测、数据处理和分析,采用线性最小二 乘估计和非线性最小二乘估计,求取了静态预计参数、动态预计参数经验公式,得出五 沟 煤矿厚松散表土层条件下的地表移动与变形规律,为预测未来地表塌陷的范围、损坏等级提 供了技术参数,为煤矿的安全生产、“三下”采煤与环境治理提供了科学依据。
关键词:厚松散表土层;静态预计参数;动态预计参数
中图分类号:TD325文献标识码:A 文章编号:1672-1098(2010)01-0017-04
Surface Subsidence Prediction Parameters of
Thick Loosen Surface Soil
KONG Yuan1,WANG Lie-ping1,HU Kui2
CHEN Yu-ping2,ZHANG Hao-zhao2
(1. School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui University ofScience and Technology, Huainan Anhui 232001,China; 2.Wanbei Coal and Electrici ty Group Company, Suzhou Anhui 234000, China)
Abstract:Surface substance of the first coalface 1013 of Wugou Coal Mine was ob served. The observation data were processed and analysed. By using linear leastsquares estimation and nonlinear least squares estimation, empirical formula o f the static prediction parameters and dynamic prediction parameters were establ ished. Surface movement and deformation regulation of thick loosen surface soilin Wugou Coal Mine was obtained. It provided technical parameters for predictingrange of surface subsidence and damage levels in the future, and a scientific b asis to coal mine safety, coal mining under objectives and environmental treatm ent.
Key words: thick loosen surface soil; static prediction parameters; dynamic pred iction parameters
五沟煤矿是皖北煤电集团开发建设的第十对矿井,位于濉溪县五沟镇境内,井田面积15 km2,可采储量3 897万吨,设计年产原煤60万吨,服务年限52年,2007年建成投 产。
1013工作面为五沟煤矿的首采工作面,走向长575 m,倾向斜长150 m,下山采深415 m,上山采深361 m, 平均采深为388 m, 平均倾角10°, 平均采厚3.1 m。
上部松散层厚度为270 m左右,工作面老顶为泥岩、粉细砂岩,岩性和厚度变化 大。直接 顶工作面外段为中、细粒砂岩,厚度为6.4~10 m;中段为粉砂岩,一般厚度为3 .7 m;里段直 接顶板为泥岩,含炭质,厚度为2.5 m。直接底板岩性变化不大,岩性 为粉、细砂岩或粉细砂 岩互层。覆岩岩性综合评价为中硬偏软。采用走向长壁垮落采煤法,综合机械化采煤,推进 速度2.6 m/d。工作面上方主要为农田和沟渠,地表地势平坦,地面标高+26.7 ～+27.5 m。
1 观测站布设与观测
1013首采工作面地表移动观测站由走向和斜向两条观测线组成。 走向观测线位于工作面 下山边界43 m, 斜向观测线位于距离切眼230 m左右, 斜向观测 线观测点布设在水渠上。 走向和斜向观测线长度分别为925 m和1 022.5 m,控制点和工作点分别为7个和71个。观测时间为2008年5月至2009年4月。分别 采用D级GP S网和三等附合水准网进行平面连接测量和高程连接测量[1], GPS网最弱点点位中 误差 为8.5 mm, 水准网每公里观测高差中误差为2.0 mm, 连接测量精 度 满足首级控制网的需求。 采前和采后分别独立进行了2次全面观测, 日常加密水准测量合 计 观测了9次。 采前点位中误差为2.9 mm,高程中误差为1.2 mm,采 中下沉中误差为1.6 mm,水平移动中误差为3.0 mm,采后点位中误 差为3.4 mm,高程中误差为1.3 mm,精度满足要求(见表1)。101 3首采工作面回采各个阶段的动态下沉曲线如图1和图2所示。表1 1013首采工作面推进位置及观测时间
观测期数采前ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ采后推进距离/m0154200295330480490509575575575图1 走向观测线动态下沉曲线图图2 斜向观测线动态下沉曲线图2 地表移动预计参数求取
2.1 静态预计参数
预计参数是由回采工作面的地质采矿条件确定的。求参的方法很多,本文分别采用了线 性最小二乘估计和非线性最小二乘估计方法[2-3],基于VB 6.0编制了相应的求 参 程序[4],对双观测线、单观测线、半观测线的下沉、水平移动观测序列进行了迭 代求参,依据拟合中误差的最小原则,求得的静态预计参数如表2所示。表2 静态预计参数表
下沉系数
q主要影响角正切
tg β/tg β下/tg β上拐点移动距离m
(S左/S右/S下/S 上)水平移动系数
b/b下/b上影响传播角
θ/(°)0.982.16/2.49/2.16-37/-77/4/90.31/0.34/0.2786.3注:拐点移动距离是负值时为内移,正值时为外移。
用表2中的预计参数,计算走向观测线和斜向观测线各测点的下沉和水平移动,与实测 数据对比,如图3~图4所示。 图3 走向观测线预计与实测对比图 图4 斜向观测线预计与实测对比图
走向观测线拟合的下沉和水平移动中误差分别为33.1 mm和39.7 mm, 分别为最大值的1.3%和4.5%, 斜向观测线拟合的下沉和水平移动中误差分别为50.4mm和47.4 mm, 分别为最大值的2.1%和6.0%。
2.2 动态预计参数
由于静态预计参数反映的是下沉盆地稳定时的状态,而概率积分法预计模型[5]的 参数 在不同采动程度下(动态过程中) 并不是固定不变的,预计参数的好坏决定着开采沉陷的预 计精度。因此,需要求得动态预计参数,以掌握参数的变化规律。这里,引入一个开采因子 变量ρ,ρ=L/H,L为推进距离,m;H为采深,m。
根据各期观测数据求得的动态预计参数如表3所示。表3 动态预计参数及开采因子
期数qtg βtg β下tg β上S左/mS右/m S下/mS上/mρⅠ0.362.712.532.75-40-10-140.40Ⅱ0.522.652.542.76-5-14-15-210.52Ⅲ0.602.502.532.75-5-22-3-450.77Ⅳ0.662.402.532.75-10-315-200.86Ⅴ0.752.352.532.75-15-40-15-531.25Ⅵ0.762.302.532.75-15-42-20-501.27Ⅶ0.782.252.532.45-20-45-15-451.32Ⅷ0.852.202.302.55-25-66-10-401.49Ⅸ0.942.182.452.18-30-7010151.49采后0.982.162.492.16-37-77491.49
根据表3动态预计参数的变化规律,按最小二乘估计方法,运用Excel软件[6]拟合 了动态下沉系数q动、主要影响半径tg β动和拐点移动距S左动负 值的经验公式(见图5~图7)。
开采因子ρ
图5 开采因子ρ与q动关系图
开采因子ρ
图6开采因子ρ与tgβ动关系图
开采因子ρ
图7 开采因子ρ与-S左动关系图
得到q=0.388ρ+0.278; tgβ动=-0.45ρ+2.863;-S左动 =18.073ρ-5.427经验公式,适用范围为0.4<ρ<1.49。
开采因子ρ与q动、 tg β动、 S左动负值拟合效果较好。 动态下 沉系数q动随着工作面的推进越来越大, 它与开 采因子ρ呈线性关系,最大拟合差值为0.048,拟合中误差为0.036;走向主要影响半径 正切tg β动与开采因子ρ成反比关系,最大拟合差值为0.076,拟合中误差为0. 0 36;-S左动拟合的最大差值为3.5 m,拟合中误差为2.34 m。从表3还可以看出tg β下动和tg β上动在回采期间没有显著变 化,工作面停采后,显著变小;由于右半盆地没有基本稳定,S右动较大;S下 动、S上动较小。
3 结论
(1) 所求参数属于走向充分、倾向非充分采动,所求参数为初次采动条件下的地表移 动参数。
(2) 地表下沉系数q=0.98,比较大,但仍属于正常范围内[7]。松散层厚度 占整个覆岩 的三分之二,属于厚松散层下采煤,松散层岩性较软,密度偏低,相对软化,在开采引起的 覆岩移动过程和自重力作用下,易对自身产生密实作用;本区为富含水层地区,由于抽取地 下水,使得含水层的水位下降,在动水压力下,地下水流沿渗透通道带走细小颗粒,形成相 对稳定的较大通道和树枝状地下渗透网,导致松散层的自重应力增加,压缩变形量加大,从 而使松散层产生附加的沉降。
(3) 通过求得的动态预计参数以及引入的开采因子ρ,拟合了下沉系数q动、 主要影响半径tg β动和拐点移动距S左动的动态预计参数的经验公式,对 于掌握相似地质采矿条件下的动态地表移动规律具有一定的指导意义。
参考文献:
[1] 中国统配煤矿总公司生产局.煤矿测量手册[M].下册.北京:煤炭工业出 版社, 2001:400-410.
[2] 李德海,陈祥恩,李东升.厚松散层下开采地表移动预计及岩移参数分析[ J]. 矿山压力与顶板管理,2002, 1(1):90-92.
[3] 李庆扬,王能超,易大义.数值分析[M].4版.武汉:华中科技大学 出版社,2006:64-70.
[4] 刘炳文.Visual Basic程序设计教程[M].北京:清华大学出版社,2006:12 0-308.
[5] 何国清,杨伦,凌赓娣,等. 矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学 出版社,1991:127-140.
[6] 王斌,吴磊.中文版Excel 2003实用教程[M].北京:清华大学出版社,200 7:45-66.
[7] 李德海,苏美德,宋常胜.巨厚松散层下开采地表移动特征研究[J].煤矿 开采,2002,7(3):50-52.
(责任编辑:宋晓梅)
关键词:厚松散表土层;静态预计参数;动态预计参数
中图分类号:TD325文献标识码:A 文章编号:1672-1098(2010)01-0017-04
Surface Subsidence Prediction Parameters of
Thick Loosen Surface Soil
KONG Yuan1,WANG Lie-ping1,HU Kui2
CHEN Yu-ping2,ZHANG Hao-zhao2
(1. School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui University ofScience and Technology, Huainan Anhui 232001,China; 2.Wanbei Coal and Electrici ty Group Company, Suzhou Anhui 234000, China)
Abstract:Surface substance of the first coalface 1013 of Wugou Coal Mine was ob served. The observation data were processed and analysed. By using linear leastsquares estimation and nonlinear least squares estimation, empirical formula o f the static prediction parameters and dynamic prediction parameters were establ ished. Surface movement and deformation regulation of thick loosen surface soilin Wugou Coal Mine was obtained. It provided technical parameters for predictingrange of surface subsidence and damage levels in the future, and a scientific b asis to coal mine safety, coal mining under objectives and environmental treatm ent.
Key words: thick loosen surface soil; static prediction parameters; dynamic pred iction parameters
五沟煤矿是皖北煤电集团开发建设的第十对矿井,位于濉溪县五沟镇境内,井田面积15 km2,可采储量3 897万吨,设计年产原煤60万吨,服务年限52年,2007年建成投 产。
1013工作面为五沟煤矿的首采工作面,走向长575 m,倾向斜长150 m,下山采深415 m,上山采深361 m, 平均采深为388 m, 平均倾角10°, 平均采厚3.1 m。
上部松散层厚度为270 m左右,工作面老顶为泥岩、粉细砂岩,岩性和厚度变化 大。直接 顶工作面外段为中、细粒砂岩,厚度为6.4~10 m;中段为粉砂岩,一般厚度为3 .7 m;里段直 接顶板为泥岩,含炭质,厚度为2.5 m。直接底板岩性变化不大,岩性 为粉、细砂岩或粉细砂 岩互层。覆岩岩性综合评价为中硬偏软。采用走向长壁垮落采煤法,综合机械化采煤,推进 速度2.6 m/d。工作面上方主要为农田和沟渠,地表地势平坦,地面标高+26.7 ～+27.5 m。
1 观测站布设与观测
1013首采工作面地表移动观测站由走向和斜向两条观测线组成。 走向观测线位于工作面 下山边界43 m, 斜向观测线位于距离切眼230 m左右, 斜向观测 线观测点布设在水渠上。 走向和斜向观测线长度分别为925 m和1 022.5 m,控制点和工作点分别为7个和71个。观测时间为2008年5月至2009年4月。分别 采用D级GP S网和三等附合水准网进行平面连接测量和高程连接测量[1], GPS网最弱点点位中 误差 为8.5 mm, 水准网每公里观测高差中误差为2.0 mm, 连接测量精 度 满足首级控制网的需求。 采前和采后分别独立进行了2次全面观测, 日常加密水准测量合 计 观测了9次。 采前点位中误差为2.9 mm,高程中误差为1.2 mm,采 中下沉中误差为1.6 mm,水平移动中误差为3.0 mm,采后点位中误 差为3.4 mm,高程中误差为1.3 mm,精度满足要求(见表1)。101 3首采工作面回采各个阶段的动态下沉曲线如图1和图2所示。表1 1013首采工作面推进位置及观测时间
观测期数采前ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ采后推进距离/m0154200295330480490509575575575图1 走向观测线动态下沉曲线图图2 斜向观测线动态下沉曲线图2 地表移动预计参数求取
2.1 静态预计参数
预计参数是由回采工作面的地质采矿条件确定的。求参的方法很多,本文分别采用了线 性最小二乘估计和非线性最小二乘估计方法[2-3],基于VB 6.0编制了相应的求 参 程序[4],对双观测线、单观测线、半观测线的下沉、水平移动观测序列进行了迭 代求参,依据拟合中误差的最小原则,求得的静态预计参数如表2所示。表2 静态预计参数表
下沉系数
q主要影响角正切
tg β/tg β下/tg β上拐点移动距离m
(S左/S右/S下/S 上)水平移动系数
b/b下/b上影响传播角
θ/(°)0.982.16/2.49/2.16-37/-77/4/90.31/0.34/0.2786.3注:拐点移动距离是负值时为内移,正值时为外移。
用表2中的预计参数,计算走向观测线和斜向观测线各测点的下沉和水平移动,与实测 数据对比,如图3~图4所示。 图3 走向观测线预计与实测对比图 图4 斜向观测线预计与实测对比图
走向观测线拟合的下沉和水平移动中误差分别为33.1 mm和39.7 mm, 分别为最大值的1.3%和4.5%, 斜向观测线拟合的下沉和水平移动中误差分别为50.4mm和47.4 mm, 分别为最大值的2.1%和6.0%。
2.2 动态预计参数
由于静态预计参数反映的是下沉盆地稳定时的状态,而概率积分法预计模型[5]的 参数 在不同采动程度下(动态过程中) 并不是固定不变的,预计参数的好坏决定着开采沉陷的预 计精度。因此,需要求得动态预计参数,以掌握参数的变化规律。这里,引入一个开采因子 变量ρ,ρ=L/H,L为推进距离,m;H为采深,m。
根据各期观测数据求得的动态预计参数如表3所示。表3 动态预计参数及开采因子
期数qtg βtg β下tg β上S左/mS右/m S下/mS上/mρⅠ0.362.712.532.75-40-10-140.40Ⅱ0.522.652.542.76-5-14-15-210.52Ⅲ0.602.502.532.75-5-22-3-450.77Ⅳ0.662.402.532.75-10-315-200.86Ⅴ0.752.352.532.75-15-40-15-531.25Ⅵ0.762.302.532.75-15-42-20-501.27Ⅶ0.782.252.532.45-20-45-15-451.32Ⅷ0.852.202.302.55-25-66-10-401.49Ⅸ0.942.182.452.18-30-7010151.49采后0.982.162.492.16-37-77491.49
根据表3动态预计参数的变化规律,按最小二乘估计方法,运用Excel软件[6]拟合 了动态下沉系数q动、主要影响半径tg β动和拐点移动距S左动负 值的经验公式(见图5~图7)。
开采因子ρ
图5 开采因子ρ与q动关系图
开采因子ρ
图6开采因子ρ与tgβ动关系图
开采因子ρ
图7 开采因子ρ与-S左动关系图
得到q=0.388ρ+0.278; tgβ动=-0.45ρ+2.863;-S左动 =18.073ρ-5.427经验公式,适用范围为0.4<ρ<1.49。
开采因子ρ与q动、 tg β动、 S左动负值拟合效果较好。 动态下 沉系数q动随着工作面的推进越来越大, 它与开 采因子ρ呈线性关系,最大拟合差值为0.048,拟合中误差为0.036;走向主要影响半径 正切tg β动与开采因子ρ成反比关系,最大拟合差值为0.076,拟合中误差为0. 0 36;-S左动拟合的最大差值为3.5 m,拟合中误差为2.34 m。从表3还可以看出tg β下动和tg β上动在回采期间没有显著变 化,工作面停采后,显著变小;由于右半盆地没有基本稳定,S右动较大;S下 动、S上动较小。
3 结论
(1) 所求参数属于走向充分、倾向非充分采动,所求参数为初次采动条件下的地表移 动参数。
(2) 地表下沉系数q=0.98,比较大,但仍属于正常范围内[7]。松散层厚度 占整个覆岩 的三分之二,属于厚松散层下采煤,松散层岩性较软,密度偏低,相对软化,在开采引起的 覆岩移动过程和自重力作用下,易对自身产生密实作用;本区为富含水层地区,由于抽取地 下水,使得含水层的水位下降,在动水压力下,地下水流沿渗透通道带走细小颗粒,形成相 对稳定的较大通道和树枝状地下渗透网,导致松散层的自重应力增加,压缩变形量加大,从 而使松散层产生附加的沉降。
(3) 通过求得的动态预计参数以及引入的开采因子ρ,拟合了下沉系数q动、 主要影响半径tg β动和拐点移动距S左动的动态预计参数的经验公式,对 于掌握相似地质采矿条件下的动态地表移动规律具有一定的指导意义。
参考文献:
[1] 中国统配煤矿总公司生产局.煤矿测量手册[M].下册.北京:煤炭工业出 版社, 2001:400-410.
[2] 李德海,陈祥恩,李东升.厚松散层下开采地表移动预计及岩移参数分析[ J]. 矿山压力与顶板管理,2002, 1(1):90-92.
[3] 李庆扬,王能超,易大义.数值分析[M].4版.武汉:华中科技大学 出版社,2006:64-70.
[4] 刘炳文.Visual Basic程序设计教程[M].北京:清华大学出版社,2006:12 0-308.
[5] 何国清,杨伦,凌赓娣,等. 矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学 出版社,1991:127-140.
[6] 王斌,吴磊.中文版Excel 2003实用教程[M].北京:清华大学出版社,200 7:45-66.
[7] 李德海,苏美德,宋常胜.巨厚松散层下开采地表移动特征研究[J].煤矿 开采,2002,7(3):50-52.
(责任编辑:宋晓梅)