煤層開采引起的地表移動變形預計

季鯤鵬，孫炳鑫

（河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038）

在煤炭開采的過程中，隨著工作面的不斷推進，勢必會對地表造成一定影響，例如使地表產生裂縫，沉陷，發生邊坡滑坡等災害。因此，為對開采后導致的地表影響程度進行評估，對煤炭開采造成的沉陷進行預計便具有十分重要的意義。

在開采沉陷的多種預計方法中，概率積分法以其理論基礎堅實、計算形式簡單、公式便于推導、計算速度較快等諸多特點而成為對開采沉陷進行精確預計的主要方法[1～3]。針對該方法，國內外許多學者進行了大量研究[4～6]。本文利用概率積分法，對某礦區工作面開采后地表變形規律進行預計，為開采工作提供理論基礎。

1 預計參數與采動程度分析

該工作面走向L=1200m。傾向L=180m，煤層D=3m，平均采深H 約為280m。通過收集本礦區及周圍礦區的相關資料，確定概率積分法的5 個預計參數：下沉系數q=0.8，主要影響正切tanβ=2.2，開采影響傳播角θ=90°，拐點偏距s=0.01H，水平移動系數b=0.26。基于以上預計參數，通過概率積分法對開采后的地表移動規律進行預計，繪制出開采后地表移動變形曲線圖。

首先應該判斷該工作面是否達到充分采動，充分采動程度可以用采動系數n1、n3來表示。采動系數計算公式如下：

式中：n1——傾斜方向采動系數；n3——走向方向采動系數；

K1，K3——＜1 的系數，由實測資料確定，主要與覆巖性質有關，一般是堅硬巖層時為0.7，中硬巖層時為0.8，軟弱巖層時為0.9。

通過n1和n3判別地表是否達到充分采動：當n1＜1，n3＜1 時，雙向均為非充分采動；n1＜1，n3＞1時，傾向未達充分采動，走向超充分采動；n1＞1，n3＜1 時，傾向已達充分采動，走向為非充分采動；n1=1，n3=1 時，雙向均為充分采動。

根據該工作面的實際布設長度，參照上式進行計算，可以發現該工作面走向方向達到超充分采動，因此可視為半無限開采；而工作面傾向方向為非充分采動。因此在通過概率積分法進行計算時，傾向方向需要計算非充分采動系數。

2 地表移動變形規律分析

參照上述概率積分法預計參數，考慮充分采動程度，通過計算得出地表傾向變形曲線如圖1～4 所示。

圖1 中0 點位置為工作面開切眼上方考慮了拐點偏距的計算邊界處，由圖1 可知，工作面開采完畢后，地表傾向方向最大下沉值約達到2000mm，由于未達到充分采動，下沉曲線呈現漏斗形，且曲線關于采空區中心對稱。由圖2 可知，地表傾斜曲線最大值為15mm/m。最小值約為12mm/m。工作面左側地表向右側傾斜，右側地表向左側傾斜，地表變形均指向采空區中心。由圖3可知，水平移動最大值約為500mm 左右，最小值為460mm。由圖4 可知，地表最大水平變形值為7mm/m，最小為10.5mm/m。由于煤層接近水平煤層，地表地形為平地，因此上述圖1～4 地表變形曲線較為對稱。

圖1 工作面傾向主斷面下沉值曲線

圖2 工作面傾向主斷面傾斜值曲線

圖3 工作面傾向主斷面水平移動值曲線

圖4 工作面傾向主斷面水平變形值曲線

3 采動對地表的影響及治理

根據上文的預計結果，開采工作會對地表產生較為嚴重的影響，會造成地面沉陷，產生地表裂縫，對耕地，既有建筑物、構筑物等設施產生影響，可能會產生墻體開裂，樓房傾斜等問題。除此之外，煤礦開采的過程中，當頂板突然發生斷裂，會產生類似于一次小型地震的震動，可能會使地表的巖石開裂，導致崩塌，滾石。針對工作面開采可能產生的問題，可井上、井下分別采取治理措施。

對于井上，可采取對塌陷區進行回填的措施。回填時應按照規范分層回填，分層壓實。首先開挖至塌陷坑的頂部，將混凝土板等較為堅硬的物質填入，再在其上方填入碎石等，最后進行填土，并形成一定的坡度，避免后期采空區發生殘余變形導致地表繼續下沉，同時方便排水。此外，可根據恢復生態環境的需要，對地表進行綠化和生態恢復處理。對于井下，可考慮采用充填開采法，或采取保留煤柱的措施、或進行離層注漿等，控制煤層頂板壓力，減弱煤層開采對地表帶來的影響。

4 結束語

本文通過收集礦區相關資料、考慮項目區地質條件、工作面概況，利用概率積分法對礦區工作面開采造成的地表移動規律進行預計，得出工作面傾向方向最大下沉值、最大傾斜值、最大水平移動值及水平變形值。為以后進行采動帶來的地表災害評價提供了切實可行的參考和依據。