煤礦地下開采引發地面塌陷的危險性評估

馬曉艷 田 宇 王寅冬

1 概述

煤層井下開采引發的地面塌陷是煤層開采普遍存在的環境工程地質問題,它對城市、交通等會產生嚴重的影響,對耕地的破壞也不容忽視。在礦山開采前,應做好開采可能引發地面塌陷的評估工作,對開采時采取有效控制地面塌陷工作有一定的指導意義。長嶺煤礦位于雙陽區北東29°方向的長嶺鄉前雙頂子村境內,與雙陽區直距 16 km 處,中心地理位置為:東經 125°45′39″;北緯43°36′35″。礦山開發于 1993年,1995年1月正式投產。礦井原設計能力為6×104t/年,2006年核定生產能力為7×104t/年,屬小型礦山。開拓方式為片盤斜井,采煤方法為走向長壁后退式,全部塌落法管理頂板。井田面積約為0.550 4 km2。礦區地表大部分為耕地,少部分為居民地。

2 自然環境條件及地質環境條件

礦區位于長白山系吉林哈達嶺低山丘陵區,屬中溫帶東亞大陸性季風氣候區。區內水系不發育,多為降雨后的地表徑流。地勢總體北高南低,海拔217 m～264 m,自然植被不發育,多為灌木和人工林,農作物以玉米為主。

礦山含煤地層主要為侏羅系上統二道梁子組(J3r),走向近北東～南西,傾向南東,淺部傾角45°左右,向深部變緩,一般在25°～35°。含四個可采煤層,按從上到下為①,②,③,④煤層。巷道控制長度706 m～819 m,寬度142 m～213 m,垂直深度376 m～408 m,可采煤層平均厚度1.79 m～2.91 m。平均埋深280 m左右。

煤層頂、底板巖石均屬于層狀結構類型,抗壓強度分別為:頂板28.06 MPa,底板41.49 MPa。按建工系統標準分類,頂板屬于軟質巖石,底板屬于中等硬度巖石。

礦區建設初期經地質勘測發現兩條斷層。F1斷層為一推測整斷層,走向北東～西南,傾向130°,傾角70°,斷距大于70 m。F2斷層為一實測正斷層,處于井田深部,呈北北東～南西西向延伸,傾向300°,傾角62°,斷距大于130 m,斷層帶被同期侵入輝綠巖脈所充填。

區內含水層自上而下分為第四系松散巖類孔隙水,白堊系碎屑巖孔隙水和侏羅系碎屑巖孔隙水三種。

3 礦區開采引發地面塌陷的危險性預測

煤礦采空區造成地面塌陷的激勵主要有三種情況:1)采空區安全頂板厚度不夠,采空區引發頂板坍塌冒頂造成地面塌陷;2)地下采空引起地下水位下降造成上覆土體失去定托后,發生的地面塌陷;3)地下大面積采空后,巖層上部失去支撐,巖體自下而上產生變形,最終在地面形成下沉變形的位移盆地。

長嶺煤礦含煤地層主要為二道梁子組(J3r),埋深平均280 m左右。煤層頂板屬于軟質巖石,底板屬于中等硬度巖石。礦井現為斜井開拓方式,走向長壁式(崩落法)采煤方法。

現場調查發現在井田采空區上方已經出現了長約500 m,寬約2 cm～5 cm,深約10 cm～20 cm的非構造性地裂縫,已對當地的耕地和房屋造成了破壞,影響了當地農民的正常生產和生活。

3.1 地面塌陷范圍的計算

由于煤層走向長度受斷層控制,預測塌陷區北西側以F1斷層為界,北東側和南西側以儲量邊界外推影響半徑為界,南東側以儲量邊界外推影響角范圍為邊界。

依據工程地質手冊中的主要影響角正切tanβ公式來計算:

其中,H為走向主斷面上走向邊界采深;R為地面塌陷影響半徑;β為移動角。

依據經驗數據,上述各參數如下:移動角 β=75°。平均采深H=280 m。計算求得影響半徑R=75 m。塌陷區的中心點傾斜角為37°。推算南東側邊界以儲量邊界外推373 m。

根據以上原則,經計算預測塌陷面積約為0.526 km2。

3.2 未來塌陷的地表變形特征

礦區塌陷災害主要是由于采空區上覆巖土體發生變形、破裂和冒落而造成的,其強度與煤層厚度、傾角、采深、采厚、上覆巖層厚度和性質、松散層厚度、開采方式等密切相關。根據我國多數礦區塌陷規律的研究,可以用深厚比來概略評估塌陷的程度,該比值越小,越容易產生地面塌陷。通過井田范圍的控煤鉆孔統計,計算其深厚比為34.6,預測區內可能出現中等程度的地表變形。

4 采空塌陷的危害性評估

采空塌陷是一個動態變化的過程,要經歷起始階段、活躍階段和衰退階段。塌陷區隨采空區的擴大而擴大,沉陷盆地在出現后也有一個自小到大的水平擴展的過程,其危害性表現在盆地擴展過程中引起的地表傾斜和彎曲變形會引起其上的建筑產生傾斜、不均勻沉降而發生損害。采空塌陷對農田的危害主要表現在兩方面:1)因地裂縫引起水土流失,土壤砂化導致土壤肥力下降,使作物減產;2)因塌陷引起農田積水,因而喪失耕作條件。因區內地下水位較深,危害主要表現在第一方面。

5 采空塌陷的防治措施

5.1 采用合理的采煤方式和頂板管理方法

1)留設保護煤柱。在需要保護的對象如村莊、井筒等的下部留出足夠尺寸的煤柱,使建筑物處于開采影響范圍之外。這種方法被認為是一種比較安全可靠的方法。2)消除開采邊界的影響。地下開采影響地面最嚴重的地方是沉陷盆地的邊緣,它位于開采邊界兩側的上方。所以在建筑物下布置回采工作面時,垂直走向的工作面應有足夠的長度,使地表出現充分采動,從而使建筑物位于移動盆地的平底部分。此外,當回采工作面通過建筑物下部時,應盡量加快回采速度,不能停采,尤其不得留殘柱。

5.2 建筑物結構保護措施

1)變形縫。在井田范圍內修建新的建筑物時將建筑物自屋頂至基礎分成若干個彼此互不相連、長度較小、剛度較好、自成變形體系的獨立單體,以減少地基反力分布的不均勻對建筑物的影響,提高建筑物適應地表變形的能力,減少作用于建筑物的附加應力。2)鋼筋混凝土圈梁。設置鋼筋混凝土圈梁是提高建筑物抵抗地表變形能力的有效措施。圈梁的作用在于增強建筑整體性和剛度,提高磚石砌體的抗彎、抗剪和抗拉的強度,可在一定程度上防止或減少裂縫等破壞現象的出現。

6 結論與建議

1)根據計算結果預測塌陷區面積約為0.526 km2,主要分布在井田及其外圍影響范圍內。2)井田內村莊應搬遷,地面塌陷在井田內主要危害耕地,地質災害危險性中等。3)加強對預測塌陷區內地質災害監測工作,若有災害發生跡象,應及時向有關部門報告,做好防災救災工作,在預測塌陷區內應設立警示標志。4)采礦棄石應合理堆放和加強管理。

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