专利名称：煤矿充填开采的岩移观测方法
技术领域：
本发明涉及一项与煤矿充填开采有关的岩移变化规律的观测方法。
背景技术：
伴随着煤炭开采技术、开采水平的提高，人们的开采理念也在更新变化，适时的提出绿色开采这一概念。其中，充填开采作为一种安全、高效、环保的绿色采煤方法现正得到大力推广应用。充填开彩是将煤炭采出后，用充填体及时充填，充填体不仅能控制上覆岩层移动，而且能降低支承压力，减小底板的破坏深度和范围，防止底板突水。充填开采后围岩移动对周围环境及地表村庄影响的程序及范围等等一系列课题伴随而生。因此，对岩层移动的观测成为充填开采技术发展的关键。
发明内容
本发明是根据充填开采生产实际，在分析研究陷落法煤层开采岩层变化规律的基础上，提出对矸石充填工作面开采期间的地表岩层变化规律进行观测研究的方法。为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下在工作面开采初期，在井上地面、井下主要涉及区按工作面走向和倾向范围内设置监控点，工作面开采期间定时对各个监控点进行观测，对检测数据采用概率积分法通过计算机程序进行地表移动与变形量进行计算，将各个时间段的变形量进行比较分析，通过得出岩移变形规律；比较分析时可按照现有的陷落法开采岩移分析方法进行。然后根据变形规律采取措施以实现对充填开采的动态监控，实现安全高效开采。岩移变形观测包括以下内容井下岩移观测和地面工业广场地表点下沉与水平位移移动测量，其中(—)所述的井下岩移观测首先在井下观测区埋设观测桩，布置测量网，并按照工程地质的要求进行；观测内容包括顶、底板下沉量与水平位移量，巷道两帮位移量。观测时要求如下要求导线测量时按7秒精度计算出各点坐标值，每2-3周观测一次；要求井下高程测量时往返测高差小于(R为水准路线长度，以km单位)； 用两次仪器高(或其它观测方法)观测，其互差小于5mm ；每周观测1 2次；要求底板下沉观测点与顶板点上下对应，在同一铅垂线上，所埋设的点要能够长期保存；要求导线和水准路线长度从开采区延长至副井附近，确保导线和水准线，起算点的稳定性；要求每次观测同时记录工作面开采位置和开采速度、充填情况。( 二)所述的地面工业广场地表点下沉与水平位移移动测量方法是首先在工业广场上布设观测点，以副井或主井为中心布设成射线状的三条线上，至少第一条(A线和B 线及C线)，布设在大巷保护煤柱上方，测点间距25-30米。
3
在工业广场上布设加密监测网，3个月测量一次平面位置；1个月测量一次高程； 测点间距根据地面建筑物而定，具体位置根据地形条件确定。在井塔上布设4个监测点，测量坐标和高程，3个月测量一次；要求按一级导线测量要求测角中误差5秒，测回数4，方位角闭合差秒(η 为测站数)；距离观测2测回，一测回最大互差IOmm ；要求四等水准仪器级别DS3型，用2次仪器高(或其它观测方法)观测，其互差小于5mm ；本发明的优点是通过本发明岩移观测方法，可以使充填开采后围岩移动对周围环境及地表村庄影响的程序及范围有了一定的依据，节省了排干费，减少了投入矿车费用； 开采期间，工作面仅呈现小量底板裂隙渗水，降低了水害威胁，提高了资源采出率，实现了安全、高效、绿色开采。
图1是本发明实施例观测网布置图；图中以万祥矿业潘西煤矿4197工作面地表移动观测为例。图2是巷道变形观测点布设图；图3是井塔上与地面监测点布设图。
具体实施例方式万祥矿业潘西煤矿4197工作面上部为苗家庄村庄，下部受底板奥灰水威胁，而且部分采面处于副立井保护煤柱之内；该工作面的开采，将对苗家庄、工业广场、立井保护煤柱造成不同程度的影响；其上部4194、4195、4196工作面开采期间均出现不同程度的涌水， 最大涌水量达847m7min。为遏制和预防底板涌水，减少地面塌陷及对村庄建筑物和立井煤柱的影响，减少排矸占地、塌陷赔偿费用，避免环境污染，增加资源回收率，响应国家号召， 决定对该面实施以矸换煤风动充填法试采。1、工作面概况4197面是-740水平后四下山采区第一个工作面，位于_740水平井底车场附近，利于矸石运输和充填。该面平均走向长930米，倾斜宽平均91m，开采19煤层，为一稳定的中厚煤层，煤厚0. 74 4. 65m (纯煤厚度)，平均2. 50m左右，含夹矸0 3层，厚0 0. 58m， 为复杂结构煤层，走向275 310°，倾向5 40°，倾角23 32°。水文地质4197工作面底板充水含水层为五灰、六灰和奥灰，其距煤19底板分别为18. 7m、35m和61m ；五灰厚5. 5m，六灰厚8m，因五、六灰间距较近，一般认为是一个统一的含水层。五灰与六灰的突水性较差，一般通过构造裂隙接受奥灰水的补给，其水量有限，仅 0. lm3/h，初始水压2. IMPa，易疏水降压；奥灰厚800余米，以质纯石灰岩为主，露头位于东泉庄至里辛庄以南，出露面积15Km2，接受大气降水和第四系潜水补给，补给条件好，由于断裂构造的存在，对工作面安全开采造成极大的威胁。2、矸石充填开采技术(1)采煤方法工作面采用走向长臂采煤法开采，以矸石充填采空区控制顶板。采用MG180/415-W型采煤机落煤、装煤，SGZ630/264型刮板输送机运煤，采用ZC4000/16/32型液压充填支架支护顶板，以矸石充填采空区组织生产；工作面平均采高2. 3m，每刀循环进度0. 6m,采用“三八”制循环作业；工作面每推采两刀进行一次拉架充填，充填走距1. 2m,倾向长平均 91m，按此顺序周而复始进行。(2)风动充填技术风动矸石充填技术由三部分组成。第一部分是矸石破碎及输送系统，由两台40t 溜子、一台鄂式破碎机(75KW电机)、两台锤式破碎机(30KW电机)、储矸仓和两台SD-80 型运输皮带组成，其作用是将矸石粉碎、存储并运至工作面上头的自制充填机；第二部分由 ZG-65型罗茨风机和6寸钢管组成，其作用是为工作面上头的自制充填机供风；第三部分由自制充填机(改造的喷浆机)和6寸PVC输料管组成，其作用是向采空区输送粉碎的矸石， 以实现充填。具体操作步骤①工作面割煤两刀后，整个工作面自下向上推移溜子至煤壁，当煤层顶板破碎时， 应先打锚杆支护顶板，然后进行移架和组装充填管路，移液压充填支架时根据充填需要， 每次移四个，充填四个，依次循环往复；②当首次四个液压支架移到位，即充填步距达到 1. 2m，工作面上的充填管路也组装完善时，发出充填信号，准备充填；③开动ZG-65型罗茨风机向风动充填机供风和启动自制充填机；④开动皮带运输机向充填机供粉碎的矸石料， 同时继续粉碎矸石，以保证有充足的充填料；⑤实施向采空区充填，并根据充填状况，对充填的矸石实施推压，达到充填密实的效果。⑥当充填完成第一组4个支架后，应缩减充填管路，同理实施第二组充填，直至完成该次循环；3、岩移动态观测采煤工作面上覆悬露岩层破坏的运动形式决定着矿山压力的显现及对控制的要求。采空区上覆岩层自悬露发展到破坏，基本上有两种运动形式，即弯拉破坏和剪切破坏。 而剪切破坏相比弯拉破坏强烈，破坏形式运动范围大、速度快。而悬露的岩层是否发生破坏、冒落，由其下部允许运动的空间高度所决定。只有其下部允许运动的空间高度大于沉降岩层的可沉降值时，岩层运动才会发展至冒落。因此，制止采空区冒落的有效措施是充填采空区，且充填的越密实效果越理想。同时，充填法开采条件下和全陷法相比，能降低支承压力，减小采矿压力对底板的破坏深度和范围，使底板防隔水能力有所提高，突水可能性及涌水量将有所减少。根据开采目的，为及时了解和掌握4197面开采期间底板奥灰水压、附近巷道、地表建筑物等周围环境的变化情况，我们分别在地面及井下布设了三处岩移动态观测网，按设计要求分别对各观测网按时进行量测、记录，及时对观测数据进行总结、比较、分析，同时与工作面不同时期的开采状况相比较，找出差异点，针对具体问题，采取积极的方法、措施， 以提高充填开采效果。观测网布置如图1所示(1)地面岩移观测网的设置地面岩移观测网设置了两处，一处设在4197工作面正上部，一处设在工作面东侧的工业广场。①4197工作面正上部地表观测网共设A、B、C、D、E 5条观测线，其中A、B、C三条线沿走向布置，D、E两条线沿倾向平行布置。A线设于工作面下部，长450m，距工作面下平巷最远处为40m(平距)，与工作面走向夹角为14°，共设18个点，测点间距沈米左右；B线布设在工作面的中部，长480m，与工作面走向夹角为14°，共设20个点，测点间距25米左右；C线沿走向布设在工作面的上部，长360m，距工作面上平巷最远处120m，与工作面走向夹角为34°，共设18个点，测点间距20m左右。D、E两线位于工作面中部，间距80m。每条测线长^Om,分别设11个和12个观测点，测点间距2 !左右。考虑到下一个工作面开采，把位于苗家庄的观测线延长至FlO 断层位置。②工业广场岩移观测网共设Ap B1, Q3条观测线，布设成射线状，其中C1线布设在大巷保护煤柱上方，长 900m,设21个测点，测点间距4 !左右^线位于立井工厂南边位置，长500m，设15个测点， 测点间距3 !左右办线与A1线平行相距150m，且横穿立井井筒，长^Om,设8个测点，测点间距30m左右。另外，在井塔上布设4个加密监测点，测量坐标和高程，3个月测量一次，如附图3。(2)井下巷道变形观测该观测网设在-740m西大巷，全长1200m。走向上包括了整个4197面的开采范围， 平面位置最远处距4197运输巷120m、最近处60m，其底板标高与4197上巷标高相差5_10m 米，与运输巷标高相差30-70m，极易受到4197面开采的影响。该处自东向西约每30m布设一组观测点，共设置40个观测点，巷道变形观测点如附图2。(3)测量标准及计算方法①采用导线、水准、距离测量法对各观测网内的监控点进行水平和竖直位移观测， 及时统计、比较各观测点的空间位移变化量。要求每次观测均为同型号的仪器、相同的观测方法及施工人员。②导线测量精度按7秒或按一级导线测量要求；测角中误差5秒，测回数4(DJ2)， 方位角闭合差秒(η为测站数)；根据生产进度，每2 3周观测1次；每次观测同时记录工作面开采位置及其他相关数据；③井下高程控制测量精度往返测高差较差小于士 5(^mm (R为水准路线长度，以km单位)；用2次仪器高(或其它观测方法)观测，其互差小于5mm;每周观测1 2 次；④采用地表移动与变形计算方法采用概率积分法计算机程序进行地表移动与变形计算，计算在微机上进行，运用 run运行主体计算程序及前后处理系统通过项目总结鉴定，具有多年的实践经验验证。该矿地表移动变形参数根据矿井实测及参考临近矿井资料选取，并保留一定安全系数，确定长臂开采地表移动和变形预计岩移参数如下下沉系数q= 0. 66 ；主要影响角正切tg3 = 2. 2 ；水平移动系数b = 0. 32 ；开采影响传播系数k = 0.5。按照经验公式计算，预计地表最大移动和变形值地表最大下沉值252mm ；地表最大倾斜1. 2mm/m ；地表最大水平变形值-1. 8 1. lmm/m范围；由此得出充填开采对地面构筑物的影响不大，但部分构筑物可能受到II级破坏。4、效果分析(1) 4197面于08年7月开始充填开采，截至2010年底安全推采720m。作为试采工作面，平均月推采35m左右。通过对各监控网的岩移观测资料的整理、统计分析得出，苗家庄村有所变化，最大沉降值0. 047m ；倾斜变形值0. 02mm/m，最大倾斜变形值位于村庄北面， 成东西走向；水平变形值0. 04mm/m，村庄受采动影响很小，有几户房屋，因属于拉伸区域有一定程度上的断裂，按照标准属于小修，基本不影响。立井工业广场、立井井塔通过资料分析基本没有变化。(2)将-740西大巷实测岩移数据与其他采区正常开采时附近巷道变形量分析、 比较，得出-740西大巷两帮位移量较大，基本在0. 15mm 0.四讓，局部最大处达0. 35mm ； 巷道顶、底板移近量在0.05mm 0. 18mm，基本不用修复就可继续使用。若采用陷落法开采，-740西大巷需要大修。(3)井下产出矸石就地消耗，节省了排干费，减少了投入矿车费用；开采期间，工作面仅呈现小量底板裂隙渗水，降低了水害威胁，提高了资源采出率，实现了安全、高效、绿色开采。
权利要求
1. 一种煤矿充填开采的岩移观测方法，其特征在于，它是在工作面开采初期，在井上地面、井下主要涉及区按工作面走向和倾向范围内设置监控点，工作面开采期间定时对各个监控点进行观测，对检测数据采用概率积分法通过计算机程序进行地表移动与变形量进行计算，将各个时间段的变形量进行比较分析，通过得出岩移变形规律；然后根据变形规律采取措施以实现对充填开采的动态监控，实现安全高效开采；其中岩移变形观测包括以下内容井下岩移观测和地面工业广场地表点下沉与水平位移移动测量，其中(一)所述的井下岩移观测首先在井下观测区埋设观测桩，布置测量网，并按照工程地质的要求进行；观测内容包括顶、底板下沉量与水平位移量，巷道两帮位移量；观测时要求如下要求导线测量时按7秒精度计算出各点坐标值，每2-3周观测一次； 要求井下高程测量时往返测高差小于±50λ/ ^ ，R为水准路线长度，以km单位；用两次仪器高或其它观测方法观测，其互差小于5mm ；每周观测1 2次；要求底板下沉观测点与顶板点上下对应，在同一铅垂线上，所埋设的点要能够长期保存；要求导线和水准路线长度从开采区延长至副井附近，确保导线和水准线，起算点的稳定性；要求每次观测同时记录工作面开采位置和开采速度、充填情况；(二)所述的地面工业广场地表点下沉与水平位移移动测量方法是首先在工业广场上布设观测点，以副井或主井为中心布设成射线状的三条线上，至少第一条布设在大巷保护煤柱上方，测点间距25-30米；在工业广场上布设加密监测网，3个月测量一次平面位置；1个月测量一次高程；测点间距根据地面建筑物而定，具体位置根据地形条件确定；在井塔上布设4个监测点，测量坐标和高程，3个月测量一次； 要求按一级导线测量要求测角中误差5秒，测回数4，方位角闭合差秒，n为测站数；距离观测2测回，一测回最大互差IOmm ；要求四等水准仪器级别DS3型，用2次仪器高或其它观测方法观测，其互差小于5mm。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿充填开采的岩移观测方法，它是在工作面开采初期，在井上地面、井下主要涉及区按工作面走向和倾向范围内设置监控点，工作面开采期间定时对各个监控点进行观测，对检测数据采用概率积分法通过计算机程序进行地表移动与变形量进行计算，将各个时间段的变形量进行比较分析，通过得出岩移变形规律；然后根据变形规律采取措施以实现对充填开采的动态监控。通过本发明岩移观测方法，可以使充填开采后围岩移动对周围环境及地表村庄影响的程序及范围有了一定的依据，节省了排干费，减少了投入矿车费用。
文档编号G01C5/00GK102426009SQ20111027372
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者孟宪宝, 张仕同, 张庆和, 李勇, 段元帅, 秦光柱, 赵鹏, 郝勇 申请人:新汶矿业集团有限责任公司