潘西煤礦全礦井資源量開(kāi)采后塌陷預(yù)測(cè)分析研究

林叢叢 曹利華 林基海

（1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250104；2.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104；3.山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司，山東 煙臺(tái) 264670）

1 礦山地質(zhì)環(huán)境

1.1 含煤地層

潘西煤礦地層自老而新分別為奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭-二疊紀(jì)月門(mén)溝群、二疊紀(jì)石盒子群、侏羅紀(jì)淄博群三臺(tái)組、古近紀(jì)官莊群、第四系。煤巖系為華北型石炭－二疊系[1]，屬華北型海陸交互相沉積。太原組含煤13 層(8 ～20 煤)，含煤總厚度7.18m。山西組含煤7 層(1 ～7 煤)，含煤總厚度4.86m[2]，可采煤層4 層，分別為3、4、7、19 煤層，可采煤層平均總厚度5.05m。3煤層為薄或中厚煤層，較穩(wěn)定；4 煤層為薄煤層，較穩(wěn)定；7 煤層為薄煤層，不穩(wěn)定；19 煤層為中厚煤層，全區(qū)穩(wěn)定可采。礦井內(nèi)3、4 煤層為氣煤，7、19 煤層為肥煤。可采煤層特征一覽表見(jiàn)表1。

1.2 構(gòu)造

潘西煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類型，屬簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造。煤礦范圍內(nèi)共有大中型斷層27 條，其中落差大于100m 的6 條，落差50 ～100m 的5 條，15 ～50m 的16 條。煤礦范圍內(nèi)以低角度正斷層為主，逆斷層少見(jiàn)，僅在東、西翼各有一條落差小于20m 的逆斷層。地層傾角由淺到深變大，局部地段受斷層影響變陡或變緩。礦井內(nèi)巖漿巖活動(dòng)比較強(qiáng)烈，但分布相對(duì)集中，且主要呈巖床侵入到侏羅系紅色砂巖和古近系地層中；在煤系地層中，多沿3、4 煤層頂?shù)装搴鸵换翼數(shù)装迩秩耄? 和19 煤層也有不同程度的侵入。

表1 可采煤層特征一覽表

2 礦區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀

礦井各可采煤層均有采動(dòng)。3、19 煤層采空區(qū)面積最大，3 煤層采空區(qū)位于礦井中部及西南、西北部，礦井西南部、東部、東北部井筒煤柱處尚未開(kāi)采。

4 煤層采空區(qū)分布于礦井西南部，礦井東部、西部及東北部尚未開(kāi)采。因停采多年，當(dāng)年采動(dòng)對(duì)地面建（構(gòu)）筑物造成的破壞已修繕處理，對(duì)現(xiàn)狀下地質(zhì)環(huán)境基本無(wú)影響。

7 煤層采空區(qū)分布于礦區(qū)南部主斜井東側(cè)，其他尚未開(kāi)采。因該煤層較薄，薄采空區(qū)面積小，已停采數(shù)年，對(duì)現(xiàn)狀下地質(zhì)環(huán)境基本無(wú)影響。

19 煤層采空區(qū)位于礦井中部及西部，礦井東部、西部及東北部礦井邊界處未開(kāi)采。

3 礦山塌陷現(xiàn)狀

潘西煤礦采礦活動(dòng)對(duì)土地資源的影響分為礦山建設(shè)對(duì)土地資源的壓占和采煤造成的地面塌陷對(duì)土地資源的破壞和影響。潘西煤礦已損毀土地面積1340.64hm2，其中壓占損毀面積53.90hm2，為重度損毀；塌陷損毀面積1286.74hm2。已經(jīng)損毀土地分布于礦區(qū)中部及南部，最大塌陷深度為1.17m，區(qū)內(nèi)無(wú)積水，為輕度損毀。

4 塌陷預(yù)測(cè)

井工煤礦地表塌陷的預(yù)測(cè)技術(shù)包括了經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)、函數(shù)預(yù)測(cè)和概率預(yù)測(cè)三種[3]。潘西煤礦主要采用概率積分法進(jìn)行地面變形預(yù)測(cè)，其原理是把整個(gè)開(kāi)采單元分成無(wú)數(shù)個(gè)微小單元，因此整個(gè)開(kāi)采過(guò)程對(duì)地表的影響等于各個(gè)微元開(kāi)采后對(duì)地表的影響之和。

計(jì)算最大下沉值公式：W=M×q×cosα，單位mm；

最大傾斜值：i= W/r，單位mm/m；

最大曲率值：K=1.52×W/r2，單位10-3/m；

最大水平移動(dòng)值：U=b×W，單位mm；

最大水平變形值：ε=1.52×b×i，單位mm/m。

式中：

W-最大下沉值，mm；

M-煤層開(kāi)采厚度，m；

i-最大傾斜值，mm/m；

α-煤層傾角，°；

r-開(kāi)采影響半徑，m；

q-下沉系數(shù)；

b-水平移動(dòng)系數(shù)[6]。

4.1 預(yù)測(cè)參數(shù)選取

該礦采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，已開(kāi)采區(qū)域一般采用全冒落法管理頂板，村莊及其保護(hù)范圍內(nèi)采用充填管理頂板。剩余可采區(qū)疊合面積約為6.59km2。因本礦剩余采區(qū)開(kāi)采影響村莊較多，均為充填法開(kāi)采。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的實(shí)測(cè)沉陷參數(shù)，考慮本礦地質(zhì)、煤層賦存條件、采煤方法及頂板管理方式等開(kāi)采技術(shù)條件，采用沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)與適用期預(yù)測(cè)參數(shù)相同，即下沉系數(shù)0.26，主要影響正切角2.2。沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 充填開(kāi)采法開(kāi)采時(shí)沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)匯總表

4.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)“三下”規(guī)程、煤層開(kāi)采厚度、采深及表2 各個(gè)參數(shù)，運(yùn)用地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)系統(tǒng)軟件模擬預(yù)測(cè)，計(jì)算出全礦井資源開(kāi)采后產(chǎn)生的地表移動(dòng)變形最大值見(jiàn)表3。最大塌陷下沉值為1168.52mm，最大傾斜值為2.76mm/m，最大水平變形值為1.36mm/m。

表3 全礦井開(kāi)采后地表變形最大值

參照水澆地?fù)p毀程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)評(píng)價(jià)因子對(duì)塌陷土地的損毀程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，把土地?fù)p毀等級(jí)圖疊加到土地利用現(xiàn)狀圖，通過(guò)CAD 繪圖計(jì)算后，預(yù)測(cè)塌陷影響的面積約1276.83hm2，土地下沉值≤500mm 的塌陷區(qū)面積為745.45hm2，土地下沉值大于500mm 的塌陷區(qū)面積為531.38hm2，地表水平變形小于4.0mm/m，地表傾斜小于6.0mm/m，地表下沉值小于1.5m，地表變形程度較輕，無(wú)中重度損毀。

4.3 預(yù)測(cè)塌陷影響程度分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，本區(qū)第四系正常潛水位埋深約6～8m，雨季潛水位埋深約4～6m。而經(jīng)預(yù)計(jì)，礦井剩余儲(chǔ)量開(kāi)采后最大沉陷深度約1.17m，因此，礦井剩余儲(chǔ)量開(kāi)采后地表一般不會(huì)形成沉陷積水區(qū)。

由于地表沉陷影響造成的地表坡度變化在0～0.0035 之間，礦井地形為山間盆地低緩丘陵，地形本身存在一定坡度，因此，沉陷對(duì)地表坡度影響較小。

根據(jù)以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)拉伸變形大于6mm/m時(shí)，地表可能產(chǎn)生地表裂縫。本礦井剩余儲(chǔ)量開(kāi)采產(chǎn)生的最大拉伸變形4.55mm/m，因此，一般不會(huì)因采動(dòng)沉陷產(chǎn)生地表裂縫。

另外，本礦井剩余可采塊段面積小，煤層埋藏深度大，煤層厚度小，采動(dòng)后，地面下沉平穩(wěn)緩慢，因此，未充分采動(dòng)區(qū)域沉陷影響變形值不大。地形地貌景觀的影響為較輕，大多經(jīng)過(guò)村民簡(jiǎn)單平整處理，與原地貌幾無(wú)差別。村莊受采動(dòng)影響較小，村莊建筑物破壞等級(jí)為Ⅰ級(jí)，大部屬極輕微損壞，不需維修，少量房屋經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修整即可正常居住。因此，塌陷區(qū)損毀程度為輕度損毀。

5 治理措施

按照“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則，要求礦山嚴(yán)格按開(kāi)采設(shè)計(jì)留設(shè)工廣、礦界和斷層煤柱，在保證開(kāi)采安全的同時(shí)，也起到一定減輕地面塌陷的作用。對(duì)下步將要?jiǎng)佑玫拿簩硬捎贸涮罘ü芾眄敯澹M(jìn)一步研究充填工藝，保證充填效果，降低對(duì)地面影響，對(duì)地面建構(gòu)筑物進(jìn)行最大程度的保護(hù)。

礦山閉坑后，對(duì)地面沉陷區(qū)采取削高填低、回填整平、植被重建措施，以求地面沉陷區(qū)與周?chē)匦蔚孛簿坝^盡可能的協(xié)調(diào)。對(duì)沉陷區(qū)土地進(jìn)行平整，恢復(fù)原土地資源的使用功能，減少經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)受損的村莊進(jìn)行維修，要定時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)維修，保證人員安全和居民生產(chǎn)生活的正常進(jìn)行。

地面沉陷區(qū)所影響的礦區(qū)公路，要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行維修，保證交通暢通、安全，道路兩側(cè)栽植護(hù)路林。

6 結(jié)論

本礦山煤炭開(kāi)采主要引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害為地面沉陷，造成土地資源、村莊建筑物等受到影響或損壞，因此地質(zhì)災(zāi)害恢復(fù)治理工程主要為地面塌陷治理。預(yù)測(cè)礦井煤層開(kāi)采塌陷影響的面積約1276.83hm2，最大塌陷深度小于1.5m，屬于輕度損毀，經(jīng)簡(jiǎn)單平整后，即可消除破壞影響，恢復(fù)土地使用功能。