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【摘 要】通过在成庄矿5303综放工作面建立地表移动观测站获取地表移动数据，获取该类地质条件和采矿条件下地表移动规律，能够提前预测地表塌陷范围和程度，从而采取相关措施保证煤层气管道不受塌陷影响。
【关键词】煤层气管道；地表移动；观测站；应用
近年来，随着晋煤集团的煤层气产业规模不断扩大，运输方式也由槽罐车运输升级为管道运输。通常情况下，煤层气运输管道中运送的瓦斯浓度达到90%以上，一旦出现泄漏极易造成极为严重的后果。为了保证这些管道安全运行，必须确保井下开采形成的地表塌陷对其不造成明显的影响。2009年，晋煤集团成庄矿首次遇到了5303综放工作面上方有煤层气管道通过的特殊情况，为此，研究建立地表移动观测站研究开采沉陷对地表煤层管道的影响规律就显得十分必要。
1、5303工作面概况以及开采可能产生的问题
1.1 5303工作面概况
成庄矿5303综放工作面位于一水平五盘区，工作面走向长度1855米，纵向宽度为200米。地面标高为809～1058米，工作面煤层底板标高为513.6～586.4米。从地表看，该工作面位于李街、司家山村以北，刘河村以南，穿越刘河村保安煤柱；地面有一趟晋煤集团西气东输煤层气管道通过，和该工作面走向斜交，煤层气管道在5303工作面范围内的长度218.5，管道距5303工作面设计停采线最近距离为52，最远距离138。
1.2 开采可能产生的问题
结合5303工作面的实际情况，位于该工作面上方的西气东输煤层气管道要保证安全运行，至少要以管道为中心向两边各延伸100米，使煤层管道有200米宽的保护范围。但对于5303工作面来说，设计停采线距管道最近只有50米，井下开采引起的地表塌陷可能使管道弯曲、变形，甚至断裂，给供气安全带来极大危险。（见图1）
2、采煤塌陷引起的地表移动规律研究
为了确保成庄矿5303放顶煤工作面在回采过程中，其地表上方的煤层气管道能够安全运行，必须建立地表移动观测站，通过监测技术分析，掌握采煤塌陷引起的地表移动规律。
2.1 建立地表移动观测站
根据晋煤集团矿井地质条件的分析，5303工作面回采位置与管道在平面图上的投影之间的距离小于100米的保护距离时，将会对输气管线产生影响，为了保证安全，必须建立地表移动观测站在5303工作面回采过程中进行地表移动观测。为此，决定本监测区域采用剖面线状观测站，设置3条观测线，即：在工作面宽度范围内地表上方沿煤层气管道（煤层倾向）设置一条倾向观测线，再向停采线方向偏移20m沿管道方向设置第二条倾向观测线，同时在工作面走向上设置第三条走向观测线。
2.2 数据采集
地表移动观测数据采集的内容是：在采动过程中，定期、重复测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化情况。观测站的观测程序按表1进行。
表1 观测站观测内容及要求
观测内容 观测时间 要 求
连接测量（控制点） 设站后、至停采线150m影响前15～20天 与控制网连测，独立进行2次，2次观测点位误差小于7cm，高程不低于三等水准测量的精度。
全面观测
（工作测点） 至停采线150m影响前10天 独立观测2次，两次观测时间间隔小于5天。坐标不低于5”导线的精度，高程不低于三等水准测量的精度，同一点坐标、高程差小于10mm。
高程巡视测量（工作测点） 工作面推进至停采线150m左右时 每5天进行一次，四等水准测量。
日常高程观测（工作测点） 地表点下沉达到10mm后 每5天进行一次，四等水准测量。
全面觀测
（工作测点） 工作面推进至停采线100m左右时 每10天进行一次。
全面观测
（工作测点） 工作面停采后（2个月内地表各点的下沉值均小于30mm） 独立观测2次，坐标不低于5”导线的精度，高程不低于三等水准测量的精度。
同一点坐标、高程差小于10mm。
补充观测 地表移动稳定后（4个月时间内）。 每月观测1次，监测是否完全移动。
2.3 数据分析
2.3.1为确保观测成果的正确性，在进行数据分析之前，必须对野外采集的数据进行检查校验合格后再进行分析研究。采集的数据经整理改正后，进行变形观测线上各测点和各测点之间的移动和变形计算。
2.3.2走向线下沉动态变化规律
图2给出了走向方向不同时间下沉分布规律，从图中可以看出：随着5303工作面的推进，地表下沉逐渐增大，到2009年10月23日地表最大下沉达到3034mm。
2.3.3走向线倾斜动态变化规律
图3给出了走向方向不同时间倾斜曲线图，从图中可以看出：随着5303工作面的推进，倾斜逐渐增大，并趋于稳定。
2.3.4地表移动变形最大值
由于倾向线没有布设在5303工作面的主断面上，而是布设在工作面边界保安煤柱上方，故本项目只能根据观测数据确定走向观测线的地表移动变形最大值（表2）。
走向线最大下沉3034mm，倾斜32.4mm/m，曲率为-1.00～ +0.65mm/m2，水平移动444mm，水平变形-5.9～+8.9mm/m。
表2 地表移动变形最大值
观测线 Wm（mm） Im（mm/m） Km（mm/m2） Um（mm） εm（mm/m）
走 向 3034 32.4 -1.00～0.65 444 -5.9～8.9
2.3.5参数综合分析
根据上面求参结果，结合5303综放工作面地质采矿条件，综合分析其概率积分法参数为：
2.3.5.1按采厚6.95m：下沉系数q=0.6 水平移动系数b=0.3 主要影响角正切tanβ=2.0
2.3.5.2按采厚6.0m：下沉系数q=0.64 水平移动系数b=0.34 主要影响角正切tanβ=2.1
3、取得的应用结论
通过对大量实测资料的整理、计算和分析，主要取得了以下成果：
3.1 根据相关检测数据分析，5303工作面回采所引起的地表沉降和所形成的沉降盆地没有波及和影响到煤层气管道的安全运行。确保了安全生产。
3.2 初步获得了本区地表移动盆地的走向综合边界角为64.570，走向综合移动角76.180。
3.3 获得了矿区动态移动参数：超前影响角为74.160；最大下沉速度100.25mm/d，平均最大下沉滞后角为79.20；衰退期为51天。
3.4 5303工作面回采后，走向线地表移动变形最大值为：下沉3034mm，倾斜32.4mm/m，曲率为-1.00～+0.65mm/m2，水平移动444mm，水平变形-5.9～+8.9mm/m。
3.5 通过求参和综合分析：按采厚6950mm计算时，最终确定概率积分法预计参数为：下沉系数q=0.60，主要影响角正切tan=2.0，水平移动系数b=0.3；按采厚6000mm计算时，最终确定概率积分法预计参数为：下沉系数q=0.64，主要影响角正切tan=2.1，水平移动系数b=0.34。
3.6 对观测数据进行分析与研究，确定地表移动的主要参数，从而达到为煤炭开采科学、合理的留设保护煤柱，节约煤炭资源的目的。
参考文献
[1]袁亮等.《煤矿总工程师技术手册》上册.煤炭工业出版社，2010年11月.
[2]何国清等.《矿山开采深陷学》[M].中国矿业大学出版社，1991年.
【关键词】煤层气管道；地表移动；观测站；应用
近年来，随着晋煤集团的煤层气产业规模不断扩大，运输方式也由槽罐车运输升级为管道运输。通常情况下，煤层气运输管道中运送的瓦斯浓度达到90%以上，一旦出现泄漏极易造成极为严重的后果。为了保证这些管道安全运行，必须确保井下开采形成的地表塌陷对其不造成明显的影响。2009年，晋煤集团成庄矿首次遇到了5303综放工作面上方有煤层气管道通过的特殊情况，为此，研究建立地表移动观测站研究开采沉陷对地表煤层管道的影响规律就显得十分必要。
1、5303工作面概况以及开采可能产生的问题
1.1 5303工作面概况
成庄矿5303综放工作面位于一水平五盘区，工作面走向长度1855米，纵向宽度为200米。地面标高为809～1058米，工作面煤层底板标高为513.6～586.4米。从地表看，该工作面位于李街、司家山村以北，刘河村以南，穿越刘河村保安煤柱；地面有一趟晋煤集团西气东输煤层气管道通过，和该工作面走向斜交，煤层气管道在5303工作面范围内的长度218.5，管道距5303工作面设计停采线最近距离为52，最远距离138。
1.2 开采可能产生的问题
结合5303工作面的实际情况，位于该工作面上方的西气东输煤层气管道要保证安全运行，至少要以管道为中心向两边各延伸100米，使煤层管道有200米宽的保护范围。但对于5303工作面来说，设计停采线距管道最近只有50米，井下开采引起的地表塌陷可能使管道弯曲、变形，甚至断裂，给供气安全带来极大危险。（见图1）
2、采煤塌陷引起的地表移动规律研究
为了确保成庄矿5303放顶煤工作面在回采过程中，其地表上方的煤层气管道能够安全运行，必须建立地表移动观测站，通过监测技术分析，掌握采煤塌陷引起的地表移动规律。
2.1 建立地表移动观测站
根据晋煤集团矿井地质条件的分析，5303工作面回采位置与管道在平面图上的投影之间的距离小于100米的保护距离时，将会对输气管线产生影响，为了保证安全，必须建立地表移动观测站在5303工作面回采过程中进行地表移动观测。为此，决定本监测区域采用剖面线状观测站，设置3条观测线，即：在工作面宽度范围内地表上方沿煤层气管道（煤层倾向）设置一条倾向观测线，再向停采线方向偏移20m沿管道方向设置第二条倾向观测线，同时在工作面走向上设置第三条走向观测线。
2.2 数据采集
地表移动观测数据采集的内容是：在采动过程中，定期、重复测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化情况。观测站的观测程序按表1进行。
表1 观测站观测内容及要求
观测内容 观测时间 要 求
连接测量（控制点） 设站后、至停采线150m影响前15～20天 与控制网连测，独立进行2次，2次观测点位误差小于7cm，高程不低于三等水准测量的精度。
全面观测
（工作测点） 至停采线150m影响前10天 独立观测2次，两次观测时间间隔小于5天。坐标不低于5”导线的精度，高程不低于三等水准测量的精度，同一点坐标、高程差小于10mm。
高程巡视测量（工作测点） 工作面推进至停采线150m左右时 每5天进行一次，四等水准测量。
日常高程观测（工作测点） 地表点下沉达到10mm后 每5天进行一次，四等水准测量。
全面觀测
（工作测点） 工作面推进至停采线100m左右时 每10天进行一次。
全面观测
（工作测点） 工作面停采后（2个月内地表各点的下沉值均小于30mm） 独立观测2次，坐标不低于5”导线的精度，高程不低于三等水准测量的精度。
同一点坐标、高程差小于10mm。
补充观测 地表移动稳定后（4个月时间内）。 每月观测1次，监测是否完全移动。
2.3 数据分析
2.3.1为确保观测成果的正确性，在进行数据分析之前，必须对野外采集的数据进行检查校验合格后再进行分析研究。采集的数据经整理改正后，进行变形观测线上各测点和各测点之间的移动和变形计算。
2.3.2走向线下沉动态变化规律
图2给出了走向方向不同时间下沉分布规律，从图中可以看出：随着5303工作面的推进，地表下沉逐渐增大，到2009年10月23日地表最大下沉达到3034mm。
2.3.3走向线倾斜动态变化规律
图3给出了走向方向不同时间倾斜曲线图，从图中可以看出：随着5303工作面的推进，倾斜逐渐增大，并趋于稳定。
2.3.4地表移动变形最大值
由于倾向线没有布设在5303工作面的主断面上，而是布设在工作面边界保安煤柱上方，故本项目只能根据观测数据确定走向观测线的地表移动变形最大值（表2）。
走向线最大下沉3034mm，倾斜32.4mm/m，曲率为-1.00～ +0.65mm/m2，水平移动444mm，水平变形-5.9～+8.9mm/m。
表2 地表移动变形最大值
观测线 Wm（mm） Im（mm/m） Km（mm/m2） Um（mm） εm（mm/m）
走 向 3034 32.4 -1.00～0.65 444 -5.9～8.9
2.3.5参数综合分析
根据上面求参结果，结合5303综放工作面地质采矿条件，综合分析其概率积分法参数为：
2.3.5.1按采厚6.95m：下沉系数q=0.6 水平移动系数b=0.3 主要影响角正切tanβ=2.0
2.3.5.2按采厚6.0m：下沉系数q=0.64 水平移动系数b=0.34 主要影响角正切tanβ=2.1
3、取得的应用结论
通过对大量实测资料的整理、计算和分析，主要取得了以下成果：
3.1 根据相关检测数据分析，5303工作面回采所引起的地表沉降和所形成的沉降盆地没有波及和影响到煤层气管道的安全运行。确保了安全生产。
3.2 初步获得了本区地表移动盆地的走向综合边界角为64.570，走向综合移动角76.180。
3.3 获得了矿区动态移动参数：超前影响角为74.160；最大下沉速度100.25mm/d，平均最大下沉滞后角为79.20；衰退期为51天。
3.4 5303工作面回采后，走向线地表移动变形最大值为：下沉3034mm，倾斜32.4mm/m，曲率为-1.00～+0.65mm/m2，水平移动444mm，水平变形-5.9～+8.9mm/m。
3.5 通过求参和综合分析：按采厚6950mm计算时，最终确定概率积分法预计参数为：下沉系数q=0.60，主要影响角正切tan=2.0，水平移动系数b=0.3；按采厚6000mm计算时，最终确定概率积分法预计参数为：下沉系数q=0.64，主要影响角正切tan=2.1，水平移动系数b=0.34。
3.6 对观测数据进行分析与研究，确定地表移动的主要参数，从而达到为煤炭开采科学、合理的留设保护煤柱，节约煤炭资源的目的。
参考文献
[1]袁亮等.《煤矿总工程师技术手册》上册.煤炭工业出版社，2010年11月.
[2]何国清等.《矿山开采深陷学》[M].中国矿业大学出版社，1991年.