薄基巖厚松散層礦區地表開采移動對靈泉水庫的影響

曹廣遠，郟慧慧

(河南神火集團泉店煤礦，河南 許昌 461000)

應用研究·煤礦·

薄基巖厚松散層礦區地表開采移動對靈泉水庫的影響

曹廣遠，郟慧慧

(河南神火集團泉店煤礦，河南 許昌 461000)

泉店煤礦處于薄基巖厚松散層區域，當地下煤層開采后，其巖層與地表移動變形規律呈現出特殊性。14020工作面北部與靈泉水庫相鄰，14020、14040和14060工作面開采造成的地表移動會對水庫及其水利設施造成影響。基于薄基巖厚松散層條件，使用概率積分法預測4種開采方案導致的地表移動變形，分析地表移動對水庫的影響。總結了水庫移動變形的特征，通過綜合對比，建議按AB1B2C方案開采。

薄基巖； 厚松散層； 地表移動； 概率積分法

1 前言

地下煤炭資源開采后，開采區上覆地層的應力平衡狀態遭到破壞，應力重新分布，達到新的平衡。在此過程中，巖層和地表產生連續的移動、變形和非連續的破壞，這種現象稱為“開采沉陷”，其會對地面上的一些生產和生活設施產生影響。在薄基巖厚松散層條件下開采，巖層與地表移動變形規律呈現出特殊性，只有在充分掌握薄基巖厚松散層開采條件下巖層與地表內部的沉陷機理，才能有效指導礦區開采和生產活動。

河南神火興隆礦業有限公司泉店煤礦位于許昌市西16km，禹州市東21km。該礦設計生產能力120萬t/a，主采二1煤和二3煤。該區域基巖面和煤層傾角中等傾斜，煤層厚度大，覆巖厚度薄。礦區14020工作面北部與一總庫容為32.5萬m3的小(2)型水庫靈泉水庫相鄰，14020工作面與相鄰的14040和14060工作面開采后造成的地表移動必然會對水庫和其水利設施造成影響，所以在開采前需要對地表移動對水庫及其水利設施的影響程度進行預測，為煤層開采后水庫的治理和恢復提供指導。

2 研究區概況

2.1 礦區地質和地面條件

泉店煤礦位于禹州礦區東南部，許禹背斜東部南翼。礦井整體為一走向北西、傾向南西的單斜構造，西部發育一寬緩向、背斜構造，地層走向300°～330°，傾向210°～240°，傾角10°～29°，一般為25°。地層由老至新有寒武系、石炭系上統本溪組、石炭系上統太原組、二疊系下統山西組和下石盒子組、二疊系上統上石盒子組、新近系和第四系，其中太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組為含煤地層。

泉店井田位于禹州煤田東南的山前微傾斜平原區，為第四系全掩蓋區，地形平坦，地面標高+105～+125m，地勢北部稍高，南部稍低，沖溝較發育，深度一般不大于10m。本區屬于淮河水系，較大的穎河在本區西緣流過，河谷寬約300～50m，河曲十分發育，歷年最大流量1 720m3/s，年平均徑流量為1.776億m3，最高水位標高+105.15m(1955年8月20日)，最低水位標高+102.12m(1953年6月4日)，1929年8月12日曾發生一次洪泛，區內東北部有一條季節性小河流。

在井田西北部二1煤層隱伏露頭上的靈泉水庫，平面面積約4.9萬m2，庫容約32.5萬m3，水庫與庫底第四系連通，上游干渠不放水時水庫水位較淺，根據現場走訪最深時水深2.5m，庫內蓄水約13萬m3，主要接受大氣降水補給。水庫北側、西側與區內灌溉渠道相連，南側靠近泉店煤礦一側為高度約7m的堆土庫堤，可通車，庫堤外為農田。該水體是本區最大的地表水體，下距可采煤層最小垂直距離不足300m。

2.2 地表沉降范圍內工作面概況

本次地表沉降研究范圍主要受14020、14040和14060工作面開采的影響。其中14020工作面北側緊鄰二1煤層露頭，工作面切眼寬100m，推進長度920m，14040工作面切眼寬150m，推進長度1 470m，14060工作面切眼寬170m，推進長度1 560m，其采掘工程平面圖如圖1所示。

圖1 靈泉水庫及臨近區域采掘工程平面圖

根據鉆孔資料二1煤層厚度最大5.76m(5001孔)，最小2.13m(K2孔)，煤厚分布不均勻，工作面附近4個鉆孔統計平均值為3.57m。本區處于二1煤層的露頭帶附近，靈泉水庫附近二1煤層埋深297～450m。14020工作面二1煤層上部覆蓋基巖厚度0～120m，其中淺部30～40m為風化帶，煤系及上部地層與礦區基本一致。二1煤層埋深366～450m，煤系上部為新近系、第四系所覆蓋，新生界厚度不足300m，根據補勘可劃分為3個含水層和3個隔水層。

3 地表移動變形規律及預測

3.1 地表變形基本規律與預測途徑

地表移動是指采空區面積擴大到一定范圍后，巖層移動發展到地表，使地表產生移動和變形，在地表形成沉陷盆地。煤層的賦存條件和采空區大小直接影響地表沉陷盆地的形態和發育范圍。煤層開采的下沉盆地范圍外邊界一般呈橢圓形(采空區為矩形時)。水平煤層開采沉陷盆地位于采空區正上方，傾斜煤層開采沉陷盆地偏向采空區下山方向一側。如果充分采動，盆地呈盤形，非充分采動則為碗形或槽形。

目前較為成熟的預測地表移動規律的數學方法稱為概率積分法，其基本原理是預測矩形工作面開采時地表任意點下沉值，當工作面非矩形時，可將任意形狀工作面順煤層走向劃分成若干矩形工作面，用一個或多個矩形工作面代替任意形工作面來預測地表移動規律。

3.2 地表移動變形預測參數

由于14020、14040和14060工作面為待預測工作面，尚未開采，地表變形破壞規律未可知。而在本礦12采區首采面又恰好曾經進行過地表變形破壞觀測。兩處在地表地貌、地層條件、采面布置等均存在高度的相似性，如圖2所示。因此，根據現有資料提煉出預測參數，采用概率積分法預測靈泉水庫周邊地表變形破壞，存在比較高的可靠性。

圖2 實測區與預測區對比圖

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及《神火集團泉店煤礦12采區巖移觀測報告》，綜合考慮采空區回采情況，考慮覆巖巖性，選取的地面變形計算參數見表1。

表1 地表變形預測計算參數

注：α為煤層傾角；H為工作面平均采深。

3.3 地表移動變形預測

3.3.1 開采方案設計

根據目前開采布局，14采區臨近露頭需要留設邊界煤柱、西風井煤柱且考慮靈泉水庫安全問題，因此根據原設計邊界煤柱線、西風井預留煤柱線和水庫位置，可以對比分析14020工作面4種開采范圍的地表變形破壞趨勢。按照礦井5年采掘規劃，14060工作面為已經回采工作面，14040在14020開采完畢后接續，根據14020的4種開采范圍涉及了本區4種開采順序，如圖3所示。按開采順序將工作面按A(14060工作面)、B(14020工作面)、C(14040工作面)命名，工作面A、C按設計全部開采，工作面B由于離水庫距離近，開采造成的地表沉降對水庫影響較大，將工作面B按距水庫距離進行分區，設計4個開采方案，具體分為AB1C、AB1B2C、AB1B2B3C、AB1B2B3B4C，按不同方案預計地表變形。

圖3 煤層厚度與開采范圍分區示意圖

3.3.2 地表移動變形與分析

采用概率積分法，按本區煤厚等值線圖做近似分區，取最大值作為分區的開采厚度，分別計算獲得14020工作面4種不同開采方案在開采結束后的沉降等值線、最大傾斜等值線、最大水平移動等值線、最大水平變形等值線。可以得出在工作面開采充分變形后，地表將形成非對稱的沉降盆地，主要與工作面的地質條件和開采布置有關，受其影響，下沉盆地長軸向煤層傾向和新生界厚度大的方向偏移，導致靈泉水庫北東側沉降變形相對減小，對水庫的影響主要集中在南側和西南側，主要破壞的堤壩為南堤。水庫整體處于由東北向西南的拉伸狀態，沉降后庫體南側總體下沉，形成南低北高的簸箕地形，庫內水體將向南部低洼區遷移，同時不均勻沉降和水平移動造成南堤和西堤處于拉伸變形，會對堤壩產生破壞，南堤將形成東西向延展、臺階狀的拉伸裂縫，西堤南段將形成南北向延展、臺階狀的拉伸裂縫。

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，開采變形影響范圍按開采導致的沉降、水平移動超過10mm的范圍較大者確定，水庫范圍內地表允許最大水平拉應變為4.0mm/m，極限拉應變值為6.0mm/m。根據預測結果統計出不同開采方案的影響范圍如表2所示。

表2 4種開采方案對水庫的影響范圍

開采完B1范圍內的煤，水庫受地表變形的影響很小，可以繼續向前開采。B4為預留的風井煤柱，不開采。開采完B2后，水庫最大下沉值100～300mm，水庫南側逐漸向西南傾斜，最大約3～5mm/m，水平移動值和水平變形最大分別約為150～170mm和3～4mm/m，開采變形影響范圍內水庫的面積約為12 000m2，堤壩長度約為340m，其中南堤190m，西堤100m，東堤50m，庫盆底部水平拉應變沒有大于4mm/m的區域。開采完B3后，水庫最大下沉值400～500mm，水庫南側逐漸向西南傾斜，最大約8～10mm/m，水平移動值和水平變形最大分別約為300～320mm和4mm/m，開采變形影響范圍內水庫的面積約為17 000m2，堤壩長度約為370m，其中南堤190m，西堤130m，東堤50m，庫盆底部水平拉應變大于4mm/m的區域為4 000m2，沒有大于6mm/m的區域。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》和《煤礦采空區巖土工程勘察規范》中地表變形破壞標準和場地穩定性評價標準，并取2倍的安全系數，將水庫范圍內的傾斜和水平變形分別控制在5mm/m和3mm/m內，綜合對比后，建議按AB1B2C方案開采。

4 結論

(1)以12采區的開采致地表移動變形觀測數據為依據，總結出了適用于14采區進行地表變形預測的地面變形計算參數，并對14020、14040和14060工作面開采對地表的移動變形進行預測。

(2)在工作面開采充分變形后，地表將形成非對稱的沉降盆地，主要與工作面的地質條件和開采布置有關，受其影響，下沉盆地長軸向煤層傾向和新生界厚度大的方向偏移。

(3)14020工作面北部與靈泉水庫相鄰，14020、14040和14060工作面開采后造成的地表移動變形對水庫造成了一定的影響，預測了4種不同的開采方案對水庫造成的影響，總體上由于下沉盆地長軸向煤層傾向和新生界厚度大的方向偏移，導致靈泉水庫北東側沉降變形相對減小，對水庫的影響主要集中在南側和西南側，主要破壞的堤壩為南堤。

(4)對比4種開采方案的地表變形對靈泉水庫的影響，認為AB1B2C為最合適開采方案。

[1] 張鮮妮,王 磊.巨厚松散層薄基巖煤層開采沉陷規律實測研究[J].礦業安全與環保,2015,(5):50-53.

[2] 張 凡.東鄉銅礦深部開采地表沉降監測與預測[D].贛州:江西理工大學,2014.

[3] 王開元.厚松散含水層下薄基巖采場覆巖移動與開采參數研究[D].淮南：安徽理工大學,2013.

[4] 王建華,康志強,呂廣忠,等.開采引起地表沉降的神經網絡預測研究[J].現代礦業,2009,(5):66-69.

[5] 穆偉剛,孫世國,馮少杰.地下開采誘發地表沉降預測方法的研究[J].金屬礦山,2010,(10):10-12.

[6] 郭啟琛,李文平,王啟慶,等.薄基巖淺埋深礦區地表開采沉降預測及影響因素分析[J].金屬礦山,2015,(12):161-164.

[7] 陳俊杰,陳 勇,郭文兵,等.厚松散層開采條件下地表移動規律研究[J].煤炭科學技術,2013,(11):95-97.

Study on the influence of mining subsidence on Lingquan Reservoir in the mining area of thick loose layer with thin bedrock

Quandian Coal Mine is located in the thin bedrock thick loose layer area, the strata and surface movement and deformation law is special when the underground coal seam is mined. The 14020 working face borders on Lingquan Reservoir in the north, so the surface subsidence caused by 14020, 14040 and 14060 working face mining will affect the reservoir and its water facilities. The surface subsidence caused by 4 mining schemes had been forecasted by using probability integral method based on the condition of thick loose layer with thin bedrock. The influence of surface movement on reservoir was analyzed, and the characteristics of reservoir deformation were summarized. Through the comprehensive contrast, AB1B2C mining program was suggested.

thin bedrock; thick loose layer; surface subsidence; probability integral method

1672-609X(2017)05-0035-04

TD325

A

曹廣遠(1970-)，男，河南永城人，工程師，現任河南神火集團泉店煤礦礦長，一直從事礦井安全與技術管理工作。