萍鄉(xiāng)安源煤礦地表移動(dòng)變形分析

劉地福，陳富貴

（江西省煤田地質(zhì)勘探研究院，江西 南昌 330001）

1 礦區(qū)位置和自然地理

安源煤礦位于萍鄉(xiāng)市南東120°方位，直距6 km，隸屬于江西煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司。

礦區(qū)為低山丘陵地形，西南高，東北低，山脈走向NE～SW，山形成排，天子山最高，海拔+596.75 m，最低點(diǎn)+120 m。礦區(qū)屬于大陸性亞熱帶，四季溫度相差很大，年平均溫度18.93℃，年平均降雨量1 570.4 mm，年平均蒸發(fā)量為1 242.4 mm。礦區(qū)無(wú)常年性地表水體，間歇性沖溝一般無(wú)水，雨時(shí)有水，雨后短時(shí)間內(nèi)即被疏干。

2 礦井地質(zhì)及煤層

2.1 礦井地質(zhì)

本區(qū)出露地層有第四系、白堊系上統(tǒng)南雄組、三疊系上統(tǒng)安源組、三疊系下統(tǒng)大冶組、二疊系中茅口組［1］，分述如下：

（1）第四系（Q）：厚度0～20 m，一般5 m。由粘土、亞粘土、砂粒及卵石組成，分布于沖溝及低洼處。

（2）白堊系上統(tǒng)南雄組（K2n）：厚度0～155 m，一般75 m。紅色或棕紅色砂礫巖，夾條帶或透鏡狀泥巖，分布于井田以北外圍大片地區(qū)。

（3）三疊系上統(tǒng)安源組（T3a）：平均總厚度710 m，是區(qū)內(nèi)含煤地層。自上而下分三丘田段（T3a3），三家沖段（T3a2）及紫家沖段（T3a1）。三丘田段分二個(gè)亞段，上下亞段合稱(chēng)上煤組；三家沖段（T3a2）分為上、中、下三個(gè)亞段，該段不含煤；紫家沖段分二個(gè)亞段，上亞段（T3a12），又稱(chēng)下煤組，下亞段（T3a11）為底部礫巖。以南翼地層分述如下：

①三丘田段（T3a3）：

厚度135～390 m，一般270 m。灰色石英砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及炭質(zhì)泥巖，上亞段含煤三層（上煤組一煤層、二煤層及三煤層）；下亞段中部含上煤組四煤層

②三家沖段（T3a2）： 厚度10～366 m，一般厚220 m。深灰色粉砂巖、細(xì)粉砂巖、泥巖。

③紫家沖段（T3a12）：厚度107～445 m，一般200 m。上亞段為灰色細(xì)至中粒石英砂巖、深灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖，含大槽、硯子槽及硬子槽煤層；下亞段為底部礫巖。

（4）三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）

厚度不詳，小坑到紫家沖一帶出露。泥巖與粉砂巖互層，局部為泥灰?guī)r。

（5）二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）

井田范圍內(nèi)，出露在北翼煤系底部。厚度100～280 m，一般200 m。上部淺灰色厚層狀灰?guī)r，下部黑灰色泥灰?guī)r。

2.2 煤層

安源井田以RF2斷層為界，分為南北兩翼：南翼含煤5 層，其中下煤組可采3 層，上煤組可采2 層；北翼下煤組可采4 層。各可采煤層由上往下敘述如下：

（1）南翼上煤組煤層：

①三煤層：煤層全層厚度3.3～10 m，平均厚5.6 m，平均計(jì)量煤厚2.52 m，煤層結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，全區(qū)可采，為不穩(wěn)定煤層。

②四煤層：煤層全層厚度6.3～12 m，平均厚8.6 m，平均計(jì)量煤厚4.05 m，煤層結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，全區(qū)可采，為不穩(wěn)定煤層。

（2）南翼下煤組煤層：

南翼下煤組為紫家沖段，地層平均厚220 m，可采煤層厚6.17 m。

①硯子槽：層位較穩(wěn)定，全層厚0～5.05 m，一般厚2.17 m，平均計(jì)量煤厚1.12 m。往西變薄，全區(qū)大部可采，為較穩(wěn)定煤層。

②硬子槽：層位較穩(wěn)定，全層厚0～4.9 m，一般厚3.5 m，平均計(jì)量煤厚1.2 m。全區(qū)基本可采，為較穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。

③大槽：層位穩(wěn)定，全層厚2.02～29.2 m，一般8.47 m，平均計(jì)量煤厚3.85 m，全區(qū)可采，為較穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（3）北翼下煤組煤層

①列皮槽：煤層厚度0.24～2.35 m，平均0.75 m，平均計(jì)量煤厚0.91 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為局部可采的不穩(wěn)定煤層。

②一號(hào)大槽： 厚度為0.17～2.54 m，平均為0.83 m，平均計(jì)量煤厚1.02 m。結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，為大部可采的較穩(wěn)定煤層。

③二號(hào)大槽：煤層厚度0～1.38 m，平均0.65 m，平均計(jì)量煤厚0.88 m，灰分26.69%，為局部可采的不穩(wěn)定煤層。

④四頁(yè)槽：煤層厚度0.80～1.48 m，平均1.12 m。結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。

3 礦井開(kāi)采技術(shù)條件

3.1 水文地質(zhì)

礦區(qū)含水層分為孔隙含水層、基巖裂隙含水層、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層，本礦屬基巖裂隙充水的水文地質(zhì)條件中等礦床。安源組煤系地層抽水試驗(yàn)q=0.008 8～0.51 L/s·m，k=0.012 3～0.163 m/d，富水性較差。北翼茅口灰?guī)r穩(wěn)定水位為+155.12 m，q=0.30 L/s·m；礦井東鄰高坑煤礦：茅口灰?guī)r抽水試驗(yàn)q=1.14 L/s·m，Q=420 m3/h，為中—強(qiáng)富水，但對(duì)煤層開(kāi)采影響不大。

3.2 工程地質(zhì)

礦井開(kāi)采主要是安源組紫家沖段，煤層頂板多為灰黑色致密粉砂巖、砂巖及礫巖透鏡體，局部夾泥巖；底板為灰黑色泥質(zhì)砂巖、細(xì)粒砂巖。屬半堅(jiān)硬巖層，圍巖類(lèi)別屬Ⅲ類(lèi)，礦井工程地質(zhì)條件為中等。

3.3 環(huán)境地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)無(wú)危巖、崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象。因開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)，部分地段出現(xiàn)了地面開(kāi)裂、塌陷，系采煤造成地表移動(dòng)所致。堆放的煤矸石栽種了松木，并長(zhǎng)有雜草；礦坑排水由于煤層含硫較低，對(duì)環(huán)境影響不大；地表水、地下水水質(zhì)較好；礦井屬瓦斯礦井，煤層具有自然發(fā)火傾向；煤塵具有強(qiáng)爆炸危險(xiǎn)性。本礦井地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬于復(fù)雜類(lèi)型，地表裂縫、塌陷和礦井瓦斯是影響開(kāi)采技術(shù)條件的主要問(wèn)題。

4 礦井開(kāi)采歷史、生產(chǎn)規(guī)模及開(kāi)拓系統(tǒng)

安源煤礦于1898年5月建礦，1906年投產(chǎn)，1938年因日本侵華停產(chǎn)，解放后1954年10月復(fù)礦建井，1956年5月投產(chǎn)至今。

礦區(qū)面積為12.816 5 km2，開(kāi)采深度+320 m至-450 m，生產(chǎn)規(guī)模0.78 Mt/a。分四個(gè)水平開(kāi)采，+150 m、±0 m已開(kāi)采結(jié)束，現(xiàn)集中開(kāi)采南翼-150水平和-300 水平的大槽煤。

安源煤礦為平峒、暗立井、暗斜井的綜合開(kāi)拓方式，采煤方法采用傾斜分層，走向長(zhǎng)壁，頂板全陷落采煤方法。

5 開(kāi)采地表移動(dòng)變形分析

安源煤礦現(xiàn)在主要開(kāi)采為第三、四水平大槽煤層，開(kāi)采標(biāo)高為-150～-300 m，本礦計(jì)劃最低開(kāi)采標(biāo)高為-450 m。本次對(duì)-450 m標(biāo)高以上煤層采完時(shí)地表移動(dòng)變形進(jìn)行研究。

當(dāng)煤層被采空后，上覆巖層的原始狀態(tài)遭到破壞，覆巖上部的地表各點(diǎn)向采空區(qū)方向移動(dòng)，形成地表下沉盆地。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，評(píng)價(jià)地表采動(dòng)影響的指標(biāo)有下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形［2］。由于煤層的厚度及分布的不均勻性，則不同位置引起的最大下沉值和最大水平變形不同。根據(jù)以下公式計(jì)算相應(yīng)的各指標(biāo)值。

5.1 地表下沉系數(shù)的確定

充分采動(dòng)時(shí)，地表最大移動(dòng)下沉值Wcm與煤層法線采厚M在鉛垂方向投影長(zhǎng)度的比值稱(chēng)為下沉系數(shù)：

式中：q為地表下沉系數(shù)，α為煤層傾角, M為煤層厚度。

參考相鄰高坑煤礦采礦條件下實(shí)測(cè)下沉系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 參考的實(shí)測(cè)下沉系數(shù)

煤層開(kāi)采后，地表下沉系數(shù)主要與上覆巖層的性質(zhì)、開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度、重復(fù)采動(dòng)次數(shù)等因素有關(guān)。地表下沉系數(shù)隨煤層上覆巖層巖性硬度增加而減小，隨采深增大而減小，隨開(kāi)采厚度的增加而加大，隨采動(dòng)次數(shù)增加而增加。參考高坑煤礦實(shí)測(cè)，結(jié)合理論和經(jīng)驗(yàn)及安源煤礦的實(shí)際情況，以主采的大槽煤和煤層厚度較大的硬子槽為主，計(jì)算地表下沉系數(shù)取值，見(jiàn)表2。

表2 安源煤礦各煤層下沉系數(shù)取值

5.2 水平移動(dòng)系數(shù)的確定

充分采動(dòng)時(shí)，走向主斷面上地表最大水平移動(dòng)值Ucm與地表最大下沉值Wcm的比值稱(chēng)為水平移動(dòng)系數(shù)：

根據(jù)萍鄉(xiāng)礦區(qū)的地表移動(dòng)實(shí)測(cè)資料，見(jiàn)表3。確定本區(qū)的地表水平移動(dòng)系數(shù)取0.3。

表3 參考的實(shí)測(cè)水平移動(dòng)系數(shù)

5.3 主要影響角的確定

煤層開(kāi)采后，地表沉陷區(qū)內(nèi)的移動(dòng)變形主要集中在采空區(qū)邊界上方寬度為2rz的范圍之內(nèi)，該范圍稱(chēng)為主要影響范圍。連接主要影響范圍邊界點(diǎn)與開(kāi)采邊界的直線，與水平線所成的夾角β稱(chēng)為主要影響角。安源煤礦主要影響角取值為65°［2］。

5.4 分析計(jì)算結(jié)果

最大傾斜I、最大曲率K、最大水平變形ξ的計(jì)算公式如下：

I=Wcm/（H/tgβ）

K=±1.52 Wcm/( H/tgβ)2

ξ=±1.52 bI

式中：采深H（所在水平標(biāo)高+該點(diǎn)標(biāo)高）。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各孔采動(dòng)變形分析計(jì)算

鉆孔編號(hào)最大水平變形（ξ）/mmⅤ0325.004.00342.702 302.02214.4050.1376.569Ⅴ01135.004.00625.002 080.6477.1390.0373.255Ⅴ01215.002.00480.801 226.7265.4720.0372.495Ⅵ0455.001.10505.28400.6441.7000.0110.775Ⅵ0240.002.20625.001 070.1653.6720.0191.674煤層傾角（α）煤層厚度/m煤層到地表的垂深（H）/m最大下沉（η）/mm最大傾斜（I）/mm最大曲率（K）/mm

5.5 地表移動(dòng)變形規(guī)律

將上述計(jì)算結(jié)果繪制成地表下沉和地表水平變形等值分析圖（見(jiàn)圖1、圖2）。據(jù)圖可知，由于本區(qū)煤層采厚、采深均較大，井下工作面開(kāi)采在地表形成的下沉盆地，均為連續(xù)變形形式，但其下沉情況存在一定的起伏，且呈波浪狀；下沉盆地的形成是一個(gè)緩慢的發(fā)展過(guò)程，一般一個(gè)工作地表變形會(huì)在2.0～5.5年時(shí)間里完成。礦區(qū)西南部為上世紀(jì)80年代以前開(kāi)采，歷經(jīng)30年，地表已經(jīng)達(dá)到下沉及變形的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)圖示，地表最大下沉區(qū)域集中在平坡里、豬圓心這些區(qū)域，對(duì)照該區(qū)域開(kāi)采情況，主要是由于煤層厚度大于4 m所致；最大的水平變形集中在八方井、錫坑、燕子窩、炭沖附近，主要由于采深、采厚比偏小所致（〈60）。

圖1 安源煤礦開(kāi)采影響地面下沉分析等值線

圖2 安源煤礦開(kāi)采影響地表水平變形分析

6 結(jié)語(yǔ)與建議

1）安源煤礦終采后，地表發(fā)生不同程度的移動(dòng)變形，最大下沉區(qū)域?qū)⒓性谄狡吕铩⒇i圓心等地，最大水平變形將集中在八方井、錫坑、沈廟里、燕子窩、炭沖附近。地表移動(dòng)變形主要取決于采深、采厚比［3］，在采深、采厚比〈60 的地段，變形值較大，反之較小。

2）受采掘影響，地表建筑物可能出現(xiàn)不同等級(jí)的移動(dòng)變形。礦區(qū)內(nèi)大部分建筑物分布在距離下沉盆地中心較遠(yuǎn)的位置，下沉值和水平變形值較大的區(qū)域多數(shù)為空地，采煤活動(dòng)對(duì)建筑物的破壞影響總體較小。

3）建議礦山加強(qiáng)地表和建筑物變形監(jiān)測(cè)，對(duì)變形預(yù)測(cè)較大的地區(qū)設(shè)置警示牌及防護(hù)柵欄，發(fā)生破壞的建筑，應(yīng)及時(shí)加固處理。沈廟里、燕子窩、長(zhǎng)窩里等地區(qū)地面變形值大于6 mm/m，不可新建地面建筑，避免引發(fā)人身危害及財(cái)產(chǎn)的損失。