導水裂隙帶法在貴州小型煤礦開采沉陷預測中的應用

劉 勇

(貴州六枝工礦集團有限責任公司,貴州省六盤水市,553400)

導水裂隙帶法在貴州小型煤礦開采沉陷預測中的應用

劉 勇

(貴州六枝工礦集團有限責任公司,貴州省六盤水市,553400)

根據貴州小型煤礦開采深度小、可采煤層少且較厚、開采后一般只出現冒落帶特點,采用導水裂隙帶法對煤礦開采后地表深陷面積進行預測,并以貴州某煤礦為例對導水裂隙帶法在開采沉陷地的應用進行說明。

煤礦開采 地表塌陷 導水裂隙帶

1 前言

貴州是我國產煤大省,地方煤礦較多,目前,在貴州2000多對礦井中大多數屬于中小型礦井,礦山資源的大規模開發和利用,既給人類帶來了巨大的經濟效益和社會效益,也對人類生存環境產生了一系列影響。礦山開采引起的地表移動和變形對位于下沉盆地范圍內的建筑物、河流、鐵路及耕地等產生一定的破壞,對礦區環境和經濟發展也造成嚴重的影響。“十一”五期間貴州省調查發現的采空塌陷區106處,按規模計有104處為小型礦井,按礦種計97處屬煤礦的采空塌陷區。按貴州省國土資源公報,2007年度礦山破壞土地4450.48 ha,采礦塌陷449.37 ha(占10.1%)。

今后大量的地下開采還會繼續形成采空區,但目前我國常用的地表移動和變形預計方法主要有典型曲線法、負指數法、概率積分法以及力學方法。概率積分法是應用最多的方法,但概率積分法公式復雜,引用時應具備相應的參數,如果一個參數用錯,就會產生較大的誤差,該方法適用于參數較少的平原地區,而山區巖石通常不是均勻介質,產生的參數很多,因此該方法一般不適用于山區。對貴州山區而言,因煤層的覆巖多以較堅硬的脆性巖石為主,且貴州小型煤礦開采深度小,可采煤層少,煤層厚度一般為中厚煤層,開采后一般只出現冒落帶,冒落帶可直達地表形成塌陷坑。因此,根據貴州特定的地質條件和小煤礦的特點可運用導水裂隙帶法來預測采煤塌陷區。

2 導水裂隙帶法分析

導水裂隙帶的高度與上覆巖層的巖石結構、煤層傾角、采高、厚煤層分層次數、采空區范圍大小和采煤方法等因素有關。

2.1 導水裂隙帶影響因素分析

(1)頂板巖性。當直接頂和基本頂都比較堅硬的條件下,基本頂由于堅硬而下沉緩慢,下沉量小,使垮落過程充分發展,導水裂隙帶高度較大。當直接頂和基本頂比較松軟破碎時,由于頂板穩定性差,在垮落發生和發展過程中,覆巖下沉量較大,開采空間和已垮落的空間由于覆巖下沉而不斷縮小 ,因此,垮落過程不能充分發展,導水裂隙帶高度均較低。

(2)煤層傾角。煤層傾角能引起兩帶高度變化,主要原因在于垮落巖塊隨傾角加大在采空區發生運動。煤層傾角小于35°時,垮落巖塊就地堆積,采空區各部分的導水裂隙帶高度基本相同;煤層傾角在35～54°時,垮落巖塊下滑到采空區下部,使采空區下部的導水裂隙帶高度小于采空區上部;當煤層傾角大于54°時,垮落的巖塊及煤向下滾動,采空區下部發展很小,上部很高,而且影響到采空區上部煤柱。

(3)采高及厚煤層分層次數。一次采全高或分層初次開采時,導水裂隙帶的高度與采高呈近似直線關系。水平至傾斜煤層分層開采或近距離煤層群開采條件下,導水裂隙帶高度隨分層次數增加而遞減。

(4)采空區范圍大小。采空區范圍決定了開采充分程度,當采空區范圍足夠大時,導水裂隙帶得到充分發展,反之將受到限制。

(5)采空區處理方法。我國普遍采用全部垮落法管理頂板,這種處理采空區的方法使上覆巖層破壞得最充分,充填法處理采空區時,一般不發生垮落性破壞,因而導水裂隙帶高度也就不明顯。

2.2 導水裂隙帶經典公式

到目前為止,采用長壁垮落采煤法開采后,導水裂隙帶高度計算大多采用經驗公式,這些公式是根據大量的鉆孔和巷道觀測資料用數理統計方法獲得。本文運用《礦區水文地質規程及勘探規范(GB127-19-91)》中導水裂隙帶最大高度經驗計算公式,見表1。

表1 導水裂隙帶高度計算公式

3 導水裂隙帶法預測塌陷區步驟

(1)采空區影響移動角及影響范圍的確定。

根據我國現行《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》確定上山、走向邊界角,下山方向邊界角取[δ0-0.6α]。

(2)確定煤礦主采煤層的頂板和底板巖性。

(3)根據可采煤層的頂板和底板巖性、傾角等在表1中選用適合的最大導水裂隙帶高度計算公式。在計算過程中,可采煤層層數n為1層,煤層平均厚度小于2.2 m,可采煤層的累計厚度M取巷道高度2.2 m

(4)在礦區范圍內作相應的傾向剖面圖、走向剖面圖,將最大導水裂隙高度、下山移動角、走向移動角投影到剖面上。

(5)將剖面確定范圍投影到礦區平面圖上,去除礦區內禁采的部分即為礦山開采塌陷范圍。

4 應用實例

4.1 預測礦井基本情況

貴州省福泉市某礦為一新建礦井,設計生產能力為9萬t/a,主采M1#煤層。M1#煤層平均厚度為1 m,傾角50°,屬急傾斜煤層。開采方式為井下開采,采用走向長壁采煤法(偽斜布置)開采、全部陷落法管理頂板。M1#煤層的頂板和底板均為灰-深灰色的中-厚層燧石泥晶灰巖。

4.2 塌陷區預測

(1)采空區影響移動角的確定。礦區覆巖為堅硬巖礦層,傾角小于50°,煤層傾角為50°,因此上山及走向邊界角采用75°,下山方向邊界角取[δ0-0.6α]=30°。

(2)M1#煤層的頂板和底板均為灰-深灰色中-厚層燧晶灰巖。據此選用表1中的H=100 M/(2.4n+2.1)+11.2公式計算其最大導水裂隙帶高度,可采煤層層數n為1層,煤層最厚約1.08 m,最薄為0.95 m,平均厚度1.00左右;可采煤層的累計厚度M取巷道高度2.2 m,則導水裂隙帶的最大高度:

H=100×2.2/(2.4×1+2.1) +11.2=60.09 m

(3)做礦區傾向剖面圖、走向剖面圖,將最大導水裂隙高度、下山移動角、走向移動角投影到剖面上,見圖1。

(4)將礦區內的地形地質圖、井上和井下對照圖進行疊加對照。根據剖面圖,結合上山和下山移動角,先圈定出塌陷區投影的平面位置;然后在塌陷區投影的平面內,結合導水裂隙帶最大高度,在開采深度小于導水裂隙最大高度的區域內畫出煤層埋煤較淺,地形低洼,頂底板巖性差的區域。扣除禁采區面積后,即為煤礦塌陷區預測面積,通過以上方法,經AutoCAD2007軟件計算得塌陷區域面積為9.3545 hm2。

圖1 某礦塌陷區預測剖面圖

5 結論

導水裂隙帶計算公式簡單、易操作,根據貴州山區可采煤層的覆巖多以較堅硬的脆性巖石為主,且小煤礦數量較大、開采深度小、可采煤層少且厚度一般為中厚煤層,開采后一般只出現冒落帶,冒落帶可直達地表形成塌陷坑的特點,因此,運用導水裂隙帶高度預測開采煤層少、頂板巖石堅硬、開采深度小的貴州小煤礦塌陷區有一定的可適用性和操作性。

[1]杜計平,汪理全.煤礦特殊開采方法[M].徐州:中國礦業大學出版社,2005

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003

[3]工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[4]煤行管字[2000]第81號文通知《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[M].北京.煤炭工業出版社,2004

(責任編輯 張艷華)

Prediction ofmining subsidence by calculating the height of water flowing fracture zone applied in smallmines in Guizhou Province

Liu Yong
(Guizhou Liuzhigong Mining(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui,Guizhou 553400,China)

Small coalmines in Guizhou Province are generally characterized by shallowmining depths,thick but fewerminable seams and only caving zones occurring as a result ofmining.Based on these characteristics,the area of surface subsidence resulting frommining is predicted by calculating the height of water flowing fracture zones,with a case study to demonstrate the application of the method at a coalmine in Guizhou Province.

coalmining,surface subsidence,water flowing fracture zone

TD997.1

B

劉勇(1969-),男,1993年畢業于貴州工學院采礦系,現就職于貴州六枝工礦集團公司有限責任公司安全監察部。