煤礦區土地復墾中塌陷預測分析

趙存維 劉吉磊

(1．邯鄲市廣凱土地規劃設計有限公司，河北邯鄲 056000; 2．邱縣國土資源局，河北邱縣 057450)

煤礦區地下煤層開采時，井下將出現大面積的采空區，破壞了圍巖原有的應力平衡狀態，發生了指向采空區的移動和變形。當開采活動停止后，覆巖和地表的移動、變形、塌陷和破壞亦將在一定時間逐漸終止于一定范圍之內。這個范圍可以通過現場勘測和預測的方法確定［1，2］。采煤塌陷可使地表發生移動與變形，嚴重的情況下，地表會出現裂縫及塌陷坑等不連續破壞，使土地本身可利用性及其附著物受到破壞。因此，對土地損毀的預測主要為地表塌陷的預測。

1 研究區概況

峰峰集團有限公司(原峰峰礦務局)小屯礦位于河北省峰峰礦區和磁縣境內，地理坐標為東經 114°16'10″，北緯 36°31'32″。于1958年建井，經過多年的開采，煤炭資源面臨枯竭，為了延長小屯礦的生產服務年限，需要擴大礦區范圍，2002年經峰峰礦務局煤總［2002］308號文件，批準《小屯礦擴大區開拓延深工程初步設計》，同意對小屯礦擴大區進行開采。原小屯礦面積為408．78 hm2，擴大區面積為 432．21 hm2。

2 塌陷預測方法

2．1 預測模型選擇

目前，我國常用的地表移動和變形預測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。經過多年的實踐，概率積分法逐漸成為應用最多的方法，這主要是因為和其他的方法相比，概率積分法的預測模型相對簡單，預測參數比較穩定，預測精度能滿足一般工程的需要，同時，更容易實現電算。因此，本研究采用概率積分法對本井田的地表移動變形進行預測［3，4］。概率積分法預測模型如下:

下沉:

傾斜:

曲率:

水平移動:

水平變形:

其中，Wcm為地表充分采動時最大下沉值;Ucm為地表充分采動時最大水平移動值;r為主要影響半徑;θ0為主要影響傳播角;D為開采區域;x，y均為計算點的相對坐標(考慮了拐點偏移距)。

地表最大移動、變形值估算公式如下:

最大下沉值:Wcm=qmcosα。

最大水平移動值:Ucm=bWcm。

其中，q為下沉系數;m為開采厚度;α為煤層的傾角;b為水平移動系數。

本次預測計算均在計算機上進行，采用根據上述預測模型編制的“地表移動與變形計算”程序，輸入相關參數，程序自動計算各種移動變形數據。

2．2 預測參數的確定

地表移動和變形預測參數確定的是否準確直接關系到預測的精度，根據小屯礦擴大區煤層頂底板巖石的巖性，結合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，可確定本礦區范圍內煤層覆巖為中性巖性。根據煤層賦存條件，頂底板巖性及地質構造特征，2號煤層頂板管理采用垮落法，4號煤層采用緩慢下沉法管理頂板[5］。依據臨近礦井羊渠河礦的預測參數如下:

下沉系數q=0．78;水平移動系數b=0．3;主要影響角正切tanβ =2．1;拐點偏距 s=0．08H;開采影響傳播角取 θ=90 －0．6α。

主要開采煤層有兩層，先開采下部的4號煤層，后開采2號煤層。在重復采動條件下，地表移動變形預測參數要做修改，重復采動與初次采動主要體現在復采時覆巖的下沉系數q要增大，對于中硬巖層，地表受下層煤開采的下沉系數較初次采動增大10%。

3 預測結果分析

小屯礦擴大區劃分2個采區，即東一采區、東二采區。采區開采順序本著先近后遠的原則，原則上先采上山采區，后采下山采區。根據礦井開拓布置方案，礦井投產一個采區一個綜采工作面保證礦井產量。礦井采用立井開采，首采區為淺部的東一采區。由于該礦地質構造比較復雜，設計根據煤層賦存條件和開采技術條件，采用傾向長壁采煤法分層開采，全部冒落法管理頂板。

由于礦井擴大區面積較大，服務年限為9年，因此，結合井田開拓設計和采區布設情況，運用編制的“地表移動與變形計算”程序，對該礦井分采區進行地表移動變形預測。

首采區(東一采區)位于工業廣場西側，－750水平以上，主要開采煤層為4號，2號煤層。

1)對東一采區4號煤層開采的移動變形預測。4號煤層平均煤厚1．6 m，開采深度750 m～900 m，除去前塔子村、東西佛店、西古佛、梁莊和東古佛村莊保護煤柱線，可采面積約為1．4 km2。

地表變形預測內容包括地表下沉等值線圖、開采后地表移動和變形最大值等數據。由于受煤層傾角影響，地下開采引起的下沉盆地形狀是非對稱性的，下山方向的影響范圍大于上山方向的影響范圍。經用概率積分法計算，東一采區4號煤層開采后地表移動和變形最大值如表1所示，開采后地表下沉盆地面積約為327．14 hm2。

表1 首采區4號煤層開采后地表移動和變形最大值

2)對東一采區4號，2號煤層開采的移動變形預測。東一采區兩個煤層服務年限為5年，開采深度為750 m～900 m，其中2號煤層較厚，平均5．5 m。地表下沉盆地面積約為386．45 hm2。不同下沉深度區面積詳見表2。

表2 東一采區地表不同下沉深度區面積統計結果表

3)對擴大區全開采預測。根據可行性研究報告的設計，東二采區是東一采區的接替采區，位于東一采區的深部，煤層傾角平均為14°，開采深度為900 m～1 150 m。根據預測待東二采區開采完畢后，地表移動和變形最大值如表3所示，地表下沉盆地面積為 560．85 hm2。

表3 擴大區全開采后地表移動和變形最大值

4)擬破壞土地預測結果。綜上所述，小屯礦擴大區擬塌陷破壞土地面積為560．95 hm2，由于原小屯礦矸石場在擴大區開采過程中繼續使用，所以把矸石場作為擬破壞類型，矸石場占地面積為3．12 hm2，小屯礦擬破壞土地總面積為564．07 hm2。具體破壞土地類型詳見表4。

表4 小屯礦擬破壞土地面積統計表

4 結語

本文對煤礦區地表塌陷原理進行了分析，在此基礎上，對煤礦區塌陷預測模型與方法進行了研究。并以河北省峰峰集團有限公司小屯煤礦為例，采用概率積分法進行了塌陷預測。結果表明，小屯礦擴大區擬塌陷破壞土地面積為560．95 hm2，這些區域需要納入礦區土地復墾的責任范圍。

[1] 于大鵬，覃秋雅，馬秉智，等．礦山采空區地面塌陷危險性預測[J］．工礦自動化，2010(3):78-81．

[2] 朱勝利．礦山采空區塌陷預測方法研究[J］．價值工程，2010(25):124-125．

[3] 肖 冬，趙紅芳，李林虎，等．礦井采空區塌陷預測及土地復墾適宜性評價——以鄂爾多斯市灣圖溝礦井工程為例[J］．生態建設，2011(2):99-101．

[4] 陳紅江，李夕兵，高 科．突變級數法在采空區塌陷預測中的應用[J］．安全與環境學報，2008，8(6):108-111．

[5] 白云飛，鄧 建，董隴軍，等．費歇判別分析方法在采空區塌陷預測中的應用[J］．礦業研究與開發，2008，28(5):74-76．