桑樹坪煤礦北一采區淺部開采沉陷影響穩定性分析

李赟瑜

(陜西陜煤韓城礦業有限公司地質測量部，陜西 韓城 715400)

0 引言

桑樹坪煤礦北一采區淺部各采掘工作面曾于1997年前回采結束。2013年韓城市人民政府“關于盡快解決桑樹坪鎮崖岔村北山房屋(窯洞)裂縫問題的函”反映崖岔村33戶村民房屋出現裂縫系桑樹坪煤礦開采所致。為此，針對煤礦開采引起地面沉陷的范圍、影響程度以及穩定時間等進行調查研究。經過現場測量，結合國家有關開采沉陷規程、有關資料和研究成果，對該區域開采沉陷影響村莊煤柱的穩定程度進行了定性和定量分析。

1 采區概況

1.1 煤層開采情況

桑樹坪煤礦北一采區淺部依次開采了4301～4307等7個工作面，開采設計時留設了保安煤柱。從其開采時間上劃分為2組：4301～4304工作面為一組，其開采結束時間為1986年3月以前；4305～4307工作面為另一組，其開采結束時間為1992年4月～1996年4月。開采方法為分層炮采，一般為2～3個分層開采，分層采厚均在2 m以下，全部冒落法管理頂板。

4302、4303和4304工作面距離崖岔村村民房屋較近，其煤炭開采深度為135～278 m，煤炭開采深度變化較大，在山谷區域煤炭埋深較淺、山梁地段煤炭埋深較大，該區域黃土覆蓋層厚度隨著地形的起伏也存在較大的變化，該區域黃土覆蓋層厚度為6～33 m，平均厚度在15 m以下。桑樹坪煤礦北一采區淺部各工作面開采情況見表1。

表1 北一采區淺部開采工作面情況

該區域建筑物依據地形而建，一般建設在地形較為平緩的地帶。建筑物有桑樹坪煤礦醫院、職工宿舍樓以及崖岔村的村民房屋。村民房屋大多為2002年以后建設，建筑結構多為磚石基礎，木屋頂或空心樓板屋頂，一般無圈梁、地梁。村莊還有一類建筑為黃土窯洞，分布在土坡的山腳下，大多已廢棄，有的在原窯洞位置平整后建設了平房，目前僅個別窯洞仍在使用，如圖1所示。

圖1 桑樹坪煤礦北一采區工作面布置圖

1.2 小煤礦開采情況

根據相關資料，位于崖岔村和桑樹坪工業廣場北側的禹昌煤礦在桑樹坪煤礦北一采區淺部進行煤炭開采，開采2#、3#和11#煤層，經過多年的開采，其淺部資源早已枯竭，近年來主要復采桑樹坪煤礦采空區的殘余煤炭、留設的煤柱資源以及桑樹坪未開采的2#和11#煤層，禹昌煤礦部分采掘巷道分布圖如圖2所示。

圖2 禹昌煤礦部分采掘巷道分布圖

2011年8月7日，陜西陜煤韓城礦業公司桑樹坪煤礦發生透水事故，造成礦井被淹。國家安監總局【安委辦〔2011〕29號】明確事故原因是禹昌煤礦11#煤層底板發生突水，通過采空區進入桑樹坪煤礦北一采區，在280大巷密閉墻處潰入礦井。從其突水事故及調查資料看，禹昌煤礦在桑樹坪煤礦北一采區淺部的4303、4304工作面區域對2#煤、3#煤和11#煤進行開采。

2 礦井開采影響分析

2.1 地表移動穩定時間

開采引起的地表移動隨著開采的結束，采空區垮落的巖石被逐漸壓實，巖層內部應力重新達到平衡，地表移動也逐漸穩定，開采沉陷帶來的對地表及其建筑物的影響也逐漸減小。采動影響依據地表移動特征一般可分為移動初始期、移動活躍期和地表移動衰退期3個階段。開采引起的地表移動一般以下沉10 mm時作為地表移動期的開始時間，連續6個月下沉值不超過30 mm時，可認為地表移動結束。因此，地表移動的延續時間是判定地表移動穩定與否的依據。地表移動的延續時間可根據下式計算

T=2.5H0(d)

式中：H0—工作面平均采深，m；T—地表移動延續時間，d。

桑樹坪煤礦北一采區淺部的4302、4303和4304工作面，依據其開采結束時間和開采深度，其地表延續時間計算結果詳見表2。

表2 桑樹坪煤礦北一采區工作面地表移動延續時間表

由表2可以看出，桑樹坪煤礦北一采區淺部的4302、4303和4304工作面最晚于1986年3月開采結束，最長地表移動延續時間為688天，其對相應區域地表的移動于1988年初已結束。經調查，該村村民房屋裂縫均在2002年后產生，與桑樹坪煤礦北一采區淺部開采無關。

2.2 影響范圍計算

煤炭開采引起的地表下沉、變形程度及范圍與開采方法、開采深度以及煤層賦存條件等相互關聯。為了掌握煤層開采和地表影響范圍的關系，采用邊界角法和概率積分法2種方法進行煤炭開采地表影響范圍計算。

邊界角法：邊界角法是利用在煤炭開采過程中，通過巖層移動觀測取得的開采影響邊界角，劃分采動影響區和不受采動影響區邊界，如圖3所示。參照桑樹坪煤礦北一采區的4310工作面地表移動觀測站的實際觀測結果，綜合邊界角為56°～61°，取綜合邊界角56°劃定開采影響范圍，如圖4所示。位于影響范圍線以內(開采側)的房屋會受到開采的影響，而位于影響線以外的房屋不會受到開采的影響。

圖3 邊界角劃定開采影響邊界示意圖

概率積分法：①計算模型確定—概率積分法預計地表移動變形是以正態分布函數為影響函數用積分式表示地表下沉盆地的方法，適用于常規的地表移動與變形計算，由多個工作面引起地表點P(x，y)的移動與變形值是各單一工作面影響值的代數和;②計算參數選取—結合該區域的地質采礦條件，確定概率積分法計算參數；③計算結果—依據4302、4303、4304工作面開采厚度、采深等實際情況，對地表變形進行了預計，經過計算地表最大下沉為4.1 m，出現在開采區域工作面中部、崖岔村北部斜坡的上端，最大傾斜42.3 mm/m、最大水平拉伸變形23.0 mm/m、最大水平壓縮變形27.0 mm/m。一般以煤炭開采引起的地表下沉10 mm作為地表開始移動的界限，根據地表變形的預計結果，以預計地表下沉等值線10 mm線作為開采影響外邊界，邊界線以內為開采沉陷影響區受采動影響，邊界線以外為非開采沉陷影響區不受采動影響，圖4為采用邊界角和概率積分法確定的開采影響邊界線，邊界線由14個坐標點圈定，具體坐標見表3。由上述分析可以看出，桑樹坪煤礦北一采區淺部開采時留設的工業廣場和崖岔村保安煤柱是可靠的，4302、4303、4304工作面的開采不會對崖岔村村民房屋造成任何影響。

表3 桑樹坪煤礦對崖岔村及工廣區域開采影響邊界拐點坐標表

圖4 桑樹坪煤礦對崖岔村及工廣區域開采影響范圍圖

2.3 坡體地形穩定性分析

為了更加科學地對工廣和崖岔村區域地形結構進行分析，依據桑樹坪煤礦的地質鉆孔和地形圖，對桑樹坪煤礦北一采區淺部開采是否對坡體的穩定性產生影響進行分析。為此繪制了沿煤層走向和傾斜的2條剖面線：剖面線位置如圖5所示，沿煤層傾向的剖面圖如圖6所示，沿煤層走向的剖面圖如圖7所示。

圖5 工廣和崖岔村區域剖面線位置及對照圖

圖6 工廣和崖岔村區域沿煤層傾向剖面圖

圖7 工廣和崖岔村區域沿煤層走向剖面圖

從剖面圖可知，影響區域內的坡體坡度為16°，基巖巖層坡度較緩，與煤層傾角基本一致，一般在3°～5°之間，由于受強烈的剝蝕、地表水的長期沖蝕切割和風化作用影響，部分基巖巖層缺失，形成了目前的坡體地形，坡體表層為薄層黃土覆蓋，黃土層厚度為6～33 m。

桑樹坪煤礦北一采區淺部的開采區域位于坡體的中上部，開采方向與坡體傾斜方向一致，在地表下沉盆地形成過程中，從坡頂往坡腳方向逐漸下沉，崖岔村位于坡體的底部，桑樹坪煤礦在崖岔村及工業廣場區域留設的保安煤柱，使在靠近煤柱區域下沉量逐漸減小，最終形成以坡頂區域為盆底的下沉盆地，坡體與地下開采下沉的關系如圖8所示。

圖8 坡體與煤地下開采關系圖

從圖8可以看出，桑樹坪煤礦北一采區淺部的開采影響范圍為坡體的中上部，未對坡腳產生開采影響，即不會影響崖岔村村民的房屋。

桑樹坪煤礦北一采區淺部的開采已于1986年前開采結束，在無其他采掘擾動條件下，老采空區經過了多年的沉積、壓實，采空區上覆巖層應力處于平衡狀態，地表穩定。

3 小煤礦采動影響評價

禹昌煤礦在桑樹坪煤礦北一采區淺部的老采空區區域進行煤炭的復采和下層11#煤層的開采，并于2011年8月7日發生奧灰巖溶水的突水事故。新的采掘活動將導致原來已穩定的巖層應力平衡被打破，采空區上方巖層再次發生移動，出現地表變形并不可避免地活化或生成了新的地表裂縫。

崖岔村村民房屋一般建設在山腳及土崖的邊緣，屬于高陡削坡后所建，高陡削坡會引起坡體失穩，從而對村民房屋造成破壞。從房屋裂縫形態及地表裂縫關系看，裂縫成因十分復雜，大多數房屋裂縫與房屋結構、質量、地基以及高陡削坡等有關。禹昌煤礦在該區域的采掘活動，對該區域地表移動產生了活化影響，導致上覆巖層再次移動，并產生了一系列的開采損害影響，與房屋產生裂縫有關系。詳見地表裂縫分布及開采如圖9所示。

圖9 地表調查裂縫分布及開采對照圖

4 結論

(1)桑樹坪煤礦在開采4302、4303和4304等工作面時留設了保護煤柱且1986年3月停止開采，其開采影響的地表移動已于1988年2月結束。當時村民房屋也未產生裂縫，之后更不會對村民房屋及坡體產生任何影響。

(2)禹昌煤礦在桑樹坪煤礦北一采區淺部的已采區域進行復采和11#煤層的開采，曾經于2011年8月7日發生奧灰巖溶水的突水事故，禹昌煤礦在該區域的采掘活動，對其地表移動產生了活化影響。

(3)崖岔村村民房屋一般建設在山腳土崖附近，多為高陡削坡后所建。從房屋裂縫形態及地表裂縫分布情況看，裂縫成因十分復雜，其裂縫與房屋結構、質量、地基以及高陡削坡失穩等有關。