煤礦礦層埋深及開采方式引起地面塌陷的特征分析
——以杉樹堡煤礦為例

徐再賢，戴自然，吳福飛，徐一帆

(1.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省地質(zhì)工程勘察院，貴州 貴陽 550004)

0 前 言

貴州煤資源豐富，面積占全省土地面積約40%，高達(dá)70 000 km2。20世紀(jì)80年代以來，亂開亂采嚴(yán)重，21世紀(jì)以來，在煤礦的大規(guī)模治理與管理滯后情況下，在地下煤層大面積采空后，采空區(qū)的圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，隨著時間的推移，開采引起的“地面塌陷”為開始凸顯，破壞了地形地貌、地表耕地、林地及地面建(構(gòu))筑物，造成了環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的巨大破壞及損失。本文對已發(fā)生地面塌陷的礦山現(xiàn)場實地調(diào)查，分析地面塌陷形成原因，研究討論了礦層埋深引起地面塌陷的特點，為簡化礦山開采計算力學(xué)模型和數(shù)值模擬分析提供一些啟發(fā)。

1 井田地質(zhì)特征及礦層埋深

杉樹堡煤礦井田及附近出露地層有二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m);二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P31),巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主,及4層可采煤層(C4、C5、C9、C15),厚度95～120 m； C4煤層位于龍?zhí)督M中上部，上距長興組灰?guī)r底界15～25 m，厚1.50～2.20 m，平均厚1.80 m；C5煤層位于龍?zhí)督M中部，上距C4煤層4～8 m，厚1.28～1.52 m，平均厚1.40 m； C9煤層位于龍?zhí)督M中部，上距C5煤層4～15 m，厚1.30～1.60 m，平均1.40 m； C15煤層位于龍?zhí)督M底部，上距C9煤層50～65 m，下距茅口組灰?guī)r頂界3～5 m，厚1.80～2.20 m，平均厚2.00 m;長興大隆組(P3c)；三疊系下統(tǒng)大冶組(T1y)、第四系(Q)。本礦含煤地層為二疊系龍?zhí)督M(P3l)。杉樹堡煤礦綜合柱狀圖如圖1所示，礦層埋深為0～233.5 m。計算得出C4煤層垮落帶高度為8.8 m、導(dǎo)水裂縫帶高度為33.4 m，C5和C9煤層垮落帶高度為7.7 m、導(dǎo)水裂縫帶高度為29.6 m，C15煤層垮落帶高度為9.2 m、導(dǎo)水裂縫帶高度為35 m。如圖1所示。

圖1 綜合柱狀圖及導(dǎo)水裂縫帶高度示意圖

礦區(qū)大地構(gòu)造位置為楊子準(zhǔn)地臺黔北臺隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)安底背斜北西翼，地層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀較穩(wěn)定，傾向350°～10°，傾角一般6°～10°，平均傾角8°，無區(qū)域性斷裂構(gòu)造發(fā)育，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單；地震基本烈度為Ⅵ度；礦區(qū)主要巖土工程地質(zhì)特征為硬質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組、軟質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組及松散巖類工程地質(zhì)巖組三類。

2 地表沉陷預(yù)測模型

地表沉陷預(yù)測采用概率積分法模型。該模型穩(wěn)定態(tài)預(yù)計模型，即在傾斜煤層中開采某單元i，按概率積分法的基本原理，單元開采引起地表任意點(x，y)的下沉( 最終值 )為：

We0i(x,y)=(1/r2)×exp(-π(x-xi)2/r2)×
exp(-π(y-yi+li)2/r2)

(1)

式中，r為主要影響半徑，r=H0/tgβ；H0為平均采深；tgβ為主要影響角β之正切；li=Hi×Ctgθ，θ為最大下沉角；(xi,yi)為 i單元中心點的平面坐標(biāo)；(x,y)為地表任意一點的坐標(biāo)。

設(shè)工作面范圍為：0～p(p為工作面走向長，m)，0～a(a為工作面沿傾斜方向的水平距離組成的矩形，m)。

變形與移動的最大值分別由下式計算：

最大地表下沉值Wmax=η× m×cosα

(2)

最大地表傾斜值imax=Wmax/r

(3)

最大地表曲率值Kmax=±1.52Wmax/r2

(4)

最大水平移動值Umax=b×Wmax

(5)

最大水平變形值εmax=±1.52 b×Wmax/r

(6)

式中，m為煤層法線采厚， m；η為下沉系數(shù)；α為煤層傾角；b為水平移動系數(shù)；H為開采煤層距地表垂深(采深)， m；r為主要影響半徑，r=H/tgβ， m；tgβ為主要影響角正切。

杉樹堡煤礦煤礦平均煤層傾角8°。開采后地表沉陷預(yù)測采用礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)hpMSPS軟件參數(shù)取值下沉系數(shù)η =0.665(根據(jù)覆巖評價系數(shù)P和巖性系數(shù)D對應(yīng)關(guān)系取值)，主要影響角正切：tgβ =(1-0.0038α)×(D+0.0032H)；主要影響半徑：γ = H/tgβ， m；水平移動系數(shù)：b = 0.35；拐點偏移距：S覆巖屬中硬性質(zhì)，其拐點偏移距S =0.177H；影響傳播角：θ = 90°-0.68α(α<45°)。

杉樹堡煤礦煤礦海拔高程+880～+1013.5 m，高差133.5 m。礦區(qū)煤層4層最低開采標(biāo)高為+780 m，開采煤層厚度6.60 m，礦區(qū)淺部采深30 m，深部采深233.5 m。根據(jù)煤層開采厚度、采深及有關(guān)預(yù)測參數(shù)，計算礦井礦層開采后產(chǎn)生的地表移動變形最大值見表1。

表1 煤礦礦層開采后地表移動變形預(yù)測模型的最大計算值

杉樹堡煤礦煤礦全部可采煤層開采后地表移動變形預(yù)測最大下沉值5 490 mm，最大水平移動值為1 760 mm，最大傾斜值imax=54.65～393.19 mm/m，最大曲率值Kmax=0.82～42.8(10-3/m)，最大水平變形值εmax=26.63～191.63 mm/m。對于同一煤層，隨著深度的增加其地表變形最大值逐漸減小。

3 礦區(qū)地面塌陷特征

杉樹堡煤礦地面塌陷特征表見表2。

從表2可知，其中TX1～TX8、TX13～TX14主要為開采C4煤層采空區(qū)和原有采煤巷道所致。TX9塌陷是開采C5煤層形成采空區(qū)所致。TX10、TX12塌陷系原有老采煤巷道和開采C5煤層形成采空區(qū)所致。TX11則為原主井巷道頂板塌落所致。

表2 杉樹堡煤礦地面塌陷特征表

4 結(jié) 論

礦區(qū)范圍內(nèi)已發(fā)生的地面塌陷標(biāo)高為+950～980 m，C4、C5、C15礦層埋深14～118 m，屬于淺部開采；在采空區(qū)頂板覆巖厚小于煤層安全深度(Hδ=220 m)范圍內(nèi)極易發(fā)生地面塌陷，除TX11因原主井巷道頂板塌落導(dǎo)致塌陷深度為9 m；其余塌陷現(xiàn)場調(diào)查塌陷深度均在3 m左右，預(yù)測最大下沉值為5.49 m，最大水平移動值為1.76 m，其塌陷深度在預(yù)測最大下沉值范圍。

礦區(qū)地面塌陷的影響因素與煤層厚度、開采深度(頂板覆巖厚)、地形地貌、水文地質(zhì)條件、上覆巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、采礦等因素有關(guān)，其問題復(fù)雜；通過大量礦山地面塌陷調(diào)查，建立簡化計算力學(xué)模型和數(shù)值模擬分析，為礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、防治提出科學(xué)依據(jù)，防患于未然。

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