采煤沉陷影響范圍確定的研究

王 芳

(山西省地質工程勘察院，山西太原 030024)

1 概述

在我國的一次能源結構中，煤炭是我國的基礎能源和原料，并在國民經濟中具有重要的戰略地位。改革開放以來，煤炭工業取得了巨大的發展，對國民經濟的增長及社會發展發揮了重要作用。但是在煤炭工業發展過程中還存在地面沉陷等地質災害問題，并且隨著煤炭需求總量不斷增加，沉陷問題還將進一步加大，采煤沉陷引起的地質災害也越來越多的影響到礦區廣大居民的生產及生活，影響了社會的和諧穩定。據統計，我國每采萬噸煤沉陷面積為4畝～5畝，在最近的50年中，采煤沉陷的土地面積約為950萬畝，直接影響了當地居民的生產生活，礦區的生態環境形勢也十分嚴峻。目前，我國國民經濟正處在快速、持續、穩定的發展階段，對煤炭資源的需求將持續快速增長，加強煤炭礦山環境的保護刻不容緩。為此，通過各種綜合技術措施，最大限度地開采煤炭資源，同時使地表損害控制在允許范圍內，探討科學、合理的方法，確定開采影響范圍則十分必要。

2 采煤沉陷影響范圍的定界標準

簡單地說，采煤沉陷地就是開采沉陷破壞的土地。我國各地對采煤沉陷地的認同因地表附著物的不同而存在差異，對采煤沉陷地的恢復治理也因采煤沉陷破壞土地分類的不同，采用不同的標準。各地定界采煤沉陷地標準的實質主要是對土地的破壞程度，如是否影響耕作，影響地面建筑物及具體破壞情況等。在《建筑物、水體、鐵路以及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》第十六條中明確規定:確定建筑物保護煤柱的允許地表變形值采用下列數值:傾斜i= ±3 mm/m、曲率 k= ±0．2×10－3、水平變形 ε=±2 mm/m，要求按地表變形標準確定沉陷損害邊界。

3 采煤沉陷影響范圍的劃定

本文以山西省A村為例，以實際調查為基礎，提出了確定采煤沉陷影響范圍的方法，如下所述。

3．1 煤礦采空邊界的確定

根據收集煤礦采掘資料及實際調查，可以確定該煤礦在A村附近只開采15號煤層。煤礦與A村相鄰開采區主要位于村西邊和西南邊，西邊與A村相鄰有四采區的三個采掘工作面，開采時間依次為1992年，1992年和1990年，西南邊與A村相鄰有二采區的三個采掘工作面，開采時間為1986年，1987年，1987年。

為準確確定這些采區的開采邊界，進而客觀、公正的評判采煤影響范圍，本次勘查除收集了煤礦采掘資料外，還布置了地面物探工作，采用瞬變電磁和測氡的方法，確定了該煤礦采空邊界，另外還布置了一個驗證勘探孔，驗證孔的位置重點考慮了以下幾個因素:孔位選取應具隨機性，盡量靠近物探劃定的采空區邊界線。最后經論證，將驗證勘探孔定在里溝渠西側山坡上，孔口高程為998．302 m，坐標為:X=4 195 729．34，Y=644 068．14，驗證結果為未采空。因此，本次以物探確定的煤礦采空區邊界為準。

3．2 采動影響帶高度(垂向)的計算

該煤礦開采太原組15號煤層，該煤層傾角較平緩，一般為8°～10°，煤層頂板為灰巖、細砂巖、泥巖，屬中硬類巖石。

3．2．1 垮落帶高度計算

垮落帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中附表6-1公式計算。

其中，Hm為垮落帶高度;∑M為累計采厚。

15號煤垮落帶高度計算如下:

3．2．2 導水裂隙帶高度計算

導水裂隙帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》附表6-2中公式計算。

其中，Hli為導水裂隙帶高度;∑M為累計采厚。

代入上述公式，將15號煤導水裂隙帶高度計算如下:

3．2．3 采深采厚比分析

國內外采礦經驗認為:當采深及采厚之比小于30時，煤炭采出一定面積之后，將會引起巖層移動并波及到地表，其地表變形及沉陷在時間及空間上都會有明顯的不連續特征，地表變形劇烈，煤礦采空區上方形成較大的裂縫或者塌陷坑;當采深與采厚之比介于30～100之間，在地層中沒有較嚴重地質破壞情況之下，煤炭采出一定的面積之后，將會引起巖層移動并波及到地表，其地表變形及地表沉陷在時間及空間上都有較明顯的連續性，并具有一定的分布規模，表現為地表移動。當采深與采厚之比大于100時，地表變形程度輕微。只有在拉伸區可能出現輕微小裂縫。

煤礦采區A村西部采深采厚比小于或接近30，易引起地面變形，因此15號煤層開采后其采動影響會引起上覆巖層移動變形，波及地表引發地表彎曲變形和張性裂縫的產生，從而對地表建筑物造成損害。西南部采區比值為40左右，其地表變形沒有西部嚴重，地裂縫，塌陷坑較少。以上與實際調查結果相符，本次調查的地表裂縫、塌陷絕大部分位于西部采區，西南部采區除地表沉陷外，地裂縫、地表塌陷較少。

3．3 采動影響帶寬度(平面范圍)計算

本次計算以《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱《規程》)為依據。

計算方法采用垂直剖面法，具體計算如下:

1)松散層厚度L及移動角的確定。

附近有CK1，驗證孔，CK12'，Ⅱ-3等鉆孔剖面資料，此外還布置了探井并進行了環境地質調查，據此確定松散層厚度L(見表1)。

按《規程》要求該地區參照陽泉礦區標準執行，圈定保護煤柱線時選用以下巖層移動角值:

δ=γ =72°，β =72°－0．5α，φ =45°。

其中，δ，γ，β分別為走向方向，下山方向和上山方向的巖層移動角;α為巖層傾角;φ為松散層移動角。

2)根據采空邊界特征作橫向垂直剖面圖，共作7個。

3)在平面圖上，根據煤層底板等高線求出各剖面線與煤礦采空邊界線交點下方煤層埋藏深度。

4)在平面圖上量出各剖面處采空邊界線與煤層走向的夾角θ，并列于表1。計算各剖面上的斜交剖面移動角β'，γ'值，計算方法如下:

其中，β'，γ'分別為上山方向和下山方向斜交剖面的移動角。

將計算結果列于表1。

5)作A—A'橫向垂直剖面圖，作采空邊界線與剖面線的交點投影到煤層底板上，從煤層底板上的投影點以上山β'或下山γ'巖層移動角作直線到基巖松散層界面，然后以松散層移動角φ作直線與地面相交，得交點，該點即為該剖面上影響范圍的邊界。

6)用同樣方法作出 B—B'，C—C'，…，G—G'剖面上的影響范圍邊界(計算結果見表1)。

7)將所有各點轉繪到平面圖上，過這些點作與采空邊界的平行線，交點處即為影響帶折線的拐點，此線即為影響范圍邊界線。

另據《規程》第十四條規定:村莊磚瓦結構應列為Ⅲ級保護對象，《規程》第十七條規定:Ⅲ級建(構)筑物圍護帶寬度為10 m，考慮到圍護帶范圍內的建筑物有可能受到影響，故將影響帶范圍增加10 m。

表1 采動影響帶寬度(平面范圍)計算

4 結語

1)本次勘查除收集了煤礦采掘資料外，還布置了地面物探工作，采用瞬變電磁和測氡的方法，確定了煤礦采空邊界。

2)垮落帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中附表6-1公式計算，結果為(12．71±2．2)m。

3)導水裂隙帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中附表6-2公式計算，結果為58．99 m。

4)采動影響帶寬度計算以《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》為依據，方法采用垂直剖面法，確定各剖面上的影響范圍邊界，并考慮到圍護帶范圍內的建筑物有可能受到影響，將影響帶范圍增加10 m。

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