金雞灘煤礦首采工作面地表移動規(guī)律研究”項目實施方案

1、“金雞灘煤礦首采工作面地表移動規(guī)律研究” “金雞灘煤礦首采工作面地表移動規(guī)律研究”1. 項目研究的必要性（50字以上）煤炭是我國第一大能源。我國原煤生產(chǎn)95%來自井工開采，每年由井工開采引起的地面沉陷區(qū)面積達2000km2以上，造成了日益嚴重的地面破壞及生態(tài)環(huán)境損害。因此,煤礦開采引起的地表移動規(guī)律研究已成為煤礦安全生產(chǎn)和煤礦企業(yè)科學研究的重要課題。我國開采沉陷的系統(tǒng)研究始于上世紀60年代，劉寶琛院士、劉天泉院士、張玉卓院士、錢鳴高院士等在開采沉陷研究領(lǐng)域均取得了重要成果。在開采沉陷預(yù)計方面，先后發(fā)展和完善了典型曲線法、負指數(shù)函數(shù)法和概率積分法等，基本解決了簡單條件下的地表移動預(yù)計問題。 上世

2、紀80年代以來，我國開采沉陷理論與實踐研究取得了重要進展，如郝慶旺（1988）發(fā)展了開采沉陷的孔隙擴散模型；余學義（1997）在克諾特理論基礎(chǔ)上推出巖層與地表移動變形的極坐標普適模型表達式；王金莊（2000）、顏榮貴（1995）、李永樹（1997）、戴華陽（2000）、郭增長（2002）、賀躍光（2003）、湯伏全（2005）等都發(fā)展了傳統(tǒng)的概率積分法，使之適用于不同地質(zhì)采礦條件的地表移動預(yù)計。在開采沉陷機理研究方面，近十多年來國內(nèi)外學者取得了重要進展，其主要表現(xiàn)在三個方面：將彈塑性理論、斷裂、損傷力學和巖層控制的最新研究成果，用于覆巖變形與破壞機理的研究，取得了許多應(yīng)用成果；同時，分形幾何、

3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同論、突變論、人工智能等非線性科學也被引入開采沉陷研究中。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法因其周期短、成本低等優(yōu)勢，已經(jīng)成為研究開采沉陷的重要技術(shù)手段。近十年來，我國學者在開采沉陷的計算機數(shù)值模擬方面也取得了許多研究成果。如謝和平院士等通過應(yīng)用有限差分數(shù)值模型快速拉格朗日分析方法(FLAC)進行采煤沉陷數(shù)值模擬，王衛(wèi)華等將FLAC模擬技術(shù)和誤差反傳(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，建立了沉陷反分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)開采沉陷量測值反演巖體力學參數(shù)，并建立拉格朗日快速計算法（FLAC）模型，對地表沉陷進行預(yù)測，取得了比較理想的預(yù)測結(jié)果。國內(nèi)外現(xiàn)有的開采沉陷研究成果表明，煤礦開采引起的地表移

4、動特征主要取決于開采工作面上方的覆巖地質(zhì)及開采條件，每個礦井的地質(zhì)采礦環(huán)境千差萬別，其開采沉陷與地表移動規(guī)律主要通過實地觀測研究來獲取。幾十年來，許多礦區(qū)建立了完整的地表移動觀測站，對開采引起的地表移動特征進行了系統(tǒng)的研究，獲取了本礦區(qū)開采沉陷的規(guī)律。可以說，現(xiàn)有的開采沉陷理論和“三下”采煤成功經(jīng)驗都是基于大量實測資料分析所建立的。同時，理論研究和室內(nèi)模擬研究結(jié)果亦有賴于實測資料來進行對比驗證。當前，地表移動實地觀測的技術(shù)手段也在不斷進步，全站儀測量、GPS技術(shù)、電子水準測量、三維激光掃描技術(shù)、數(shù)字攝影測量技術(shù)、雷達遙感技術(shù)和GIS技術(shù)等，先后應(yīng)用于煤礦區(qū)開采沉陷與地表移動的現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理

5、工作中，取得了較好的效果。金雞灘煤礦位于陜北榆神府煤田南部，地處毛烏素沙漠邊緣與黃土高原的過渡地帶，地表為厚松散風積沙覆蓋，煤層埋藏深度較淺，平均采深246米，開采厚度超過5.5米，深厚比小于50倍，首采工作面開采寬度300米，開采長度4548米，按照現(xiàn)有的開采沉陷基本理論推算，工作面開采后，地表移動將達到超充分開采程度，采動覆巖裂縫帶有可能發(fā)展到地面，將在地表形成大面積的塌陷區(qū)。由于本礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件不同于其它煤礦，其開采引起的地表沉陷變形分布特征及各項移動參數(shù)，并不能參照現(xiàn)有的開采沉陷理論和類似礦區(qū)的經(jīng)驗來確定，而這些參數(shù)對于今后的礦井保護煤柱設(shè)計和安全采煤工作卻有著十分重要的意義。因此

6、，在礦井投產(chǎn)初期迫切需要開展地表移動規(guī)律研究，否則將制約煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)及其長遠發(fā)展。眾所周知，實地監(jiān)測是獲取地表移動規(guī)律的主要手段之一，因此，有必要在首采工作面上方建立地表移動觀測站，通過實地監(jiān)測獲取地表沉陷變形的基本規(guī)律，求取各種移動參數(shù)。同時，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合來確定礦區(qū)開采沉陷預(yù)計模型的參數(shù)取值，實現(xiàn)地表開采沉陷的準確預(yù)測，通過室內(nèi)計算機數(shù)值模擬手段來揭示淺埋煤層開采引起的上覆巖層變形破壞機理，這將為礦井安全生產(chǎn)提供第一手開采沉陷資料，為大型綜合機械化放頂煤工作面開采的地面環(huán)保、生態(tài)復墾、建筑物保護及安保煤柱設(shè)計等提供可靠的技術(shù)依據(jù)。項目研究將為金雞灘煤礦豐富集團公司在開采沉陷方面的科

7、技成果，有利于促進煤炭資源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展，提升企業(yè)的科學研究水平，樹立集團公司良好的社會形象。2. 項目研究內(nèi)容及方案2.1 項目研究內(nèi)容 項目研究的主要內(nèi)容為：（1）根據(jù)首采工作面地形、地質(zhì)開采條件，設(shè)置首采工作面地表移動觀測站，并進行地表移動觀測；（2）分析工作面開采地表穩(wěn)定后的走向和傾向主斷面上的移動角和邊界角；2.2 地表移動觀測站設(shè)計2.2.1 監(jiān)測的目的和條件（100字以上）首采的101工作面位于一盤區(qū)東南部，地處工業(yè)廣場東北部，204省道西北，相鄰區(qū)域沒有已采工作面。工作面西南方向為輔助運輸聯(lián)絡(luò)巷；西北方向為輔助運輸順槽、輸送機順槽；東北方向為切眼；東南方向為1#回風順

8、槽、2#回風順槽。首采面主采2-2及2-2上煤，煤層厚度8.7912.49m，平均9.40m；分層開采，設(shè)計上分層采厚5.5m5.8m。煤層傾角0.30.8，平均0.5。工作面標高+991.7+1010.4m，平均+1001.0m，整體西南高，東北低。地面標高+1229.8+1263.7m，平均+1246.7m。工作面地表為厚風積沙所覆蓋，屬于沙丘地貌，地形略有變化，但起伏程度不大。地面相對位置無地表水系通過，僅在切眼往停采線29003200m段地面相對位置局部有小水塘。首采工作面寬度為300米，長度為4548米，采厚5.8m-5.5m，平均開采深度為246米。屬于水平煤層綜放工作面充分開采條

9、件。在首采工作面開采后，預(yù)計地表將發(fā)生嚴重的變形破環(huán)，其規(guī)律性則有待于深入研究。2.2.2 觀測站設(shè)計原則（1）通用原則（2）觀測站布設(shè)的形式（兩條線）（3）觀測線位置和長度的確定（圖，計算公式）（4）測點數(shù)目及其密度2.2.3 觀測線設(shè)計圖2 走向斷面圖圖3 傾向斷面圖圖4 觀測站布置圖（詳見觀測站布置圖4。）2.2.4 地表觀測線布設(shè)（1）觀測點實地標定方法（2）測點制作和埋設(shè)方法2.3 地表移動觀測站的實地觀測2.3.1 點位標定與測點埋設(shè)(列出5個點測點設(shè)計坐標)2.3.2 連接測量（畫出礦區(qū)控制點位置及聯(lián)網(wǎng)方案圖）2.3.3 全面觀測（說明測量方法，技術(shù)，儀器，精度，要求等）2.3.4 加密高程測量與地表破壞記錄2.3.5 監(jiān)測站觀測程序安排（12次，每次的工作面推進距離，移動開始前2次-活躍期6次衰退