梁北煤礦改擴建工程采空區地面積水范圍預測探討

孫宇昕

（中國煤炭科工集團武漢設計研究院 湖北 武漢 430064）

0 引言

當井工煤礦煤層開采后，采空區上覆巖層的原始應力平衡狀態受到破壞，地表將發生沉陷，如果這種情況發生在平原高潛水位地區，沉陷區則可能發生積水。地面積水區土地將部分或完全喪失原有使用功能，如處置不當還會引發土壤鹽漬化、水體富營養化等生態環境問題。如能準確預測積水區位置和面積，不僅可以為建設項目可行性研究提供決策依據，還可以指導礦井進行綠色開采設計。本文以梁北煤礦改擴建工程為例，對煤礦積水區預測方法進行初步探討。

1 項目簡介

河南神火集團有限公司梁北煤礦位于河南省禹州市，原設計生產規模0.90Mt/a，于2004年12月投產，現擬實施2.40Mt/a改擴建，井田東西長8.5～13.0km，南北寬1.2～4.9km，面積約43.8km2，主采煤層二1煤平均厚4.47m，設計采用大采高一次性采全高的綜合機械化采煤方法。

井田地勢大體上西高東低、南高北低，井田北部及東部屬山前微傾平原，地形平坦，西南部為丘陵，呈東西走向的剝蝕地貌，剝蝕殘丘兩側沖溝發育。地面標高+105m～+325m。

2 采空區地表沉陷預測

2.1 預測模式

本次預測采用的是根據原國家煤炭局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中所推薦的概率積分法，任意一點的地表移動變形預測模式：

在充分采動的情況下，最大移動變形預測模式如下：

最大下沉值：

最大傾斜值：

最大水平移動值：

最大水平變形值：

最大曲率值：

式中：

Wcoi(x,y)——i單元開采引起地表(x,y)點的下沉值，m；

W(x,y)——地表(x,y)點的下沉值，mm；

D——開采煤層區域；

Kx——走向方向曲率值(10-3/m)；

Ky——傾斜方向曲率值(10-3/m)；

Ux(x,y)——走向方向水平移動值(mm)；

Uy(x,y)——傾斜方向水平移動值(mm)；

εx——走向方向水平變形值(mm/m)；

εy——傾斜方向水平變形值(mm/m)；

θo——開采影響傳播角，°；

M——煤層開采厚度，mm；

α——煤層傾角。

q——下沉系數；

b——水平移動系數；

r——主要影響半徑，m，r=H/tgβ；

H——煤層埋深,m；

k——開采影響傳播系數。

2.2 預測方法與結果

2.2.1 預測方法及參數的選取

地表沉陷預測是采用根據概率積分法編制的“地表移動與變形計算”程序，輸入相關參數，程序自動計算各種變形數據，然后采用制圖軟件成圖。

梁北煤礦井田地質構造較復雜，斷層多，且邊界形狀不規整，工作中根據井田采區劃分、接替及采煤方法設計，并結合各類保護煤柱留設情況，將整個井田劃分為31個預測區塊，然后根據井田勘探報告確定每個區塊的煤層傾角、厚度、埋深、方位角等特異性參數，各區塊參數整合后參與預測。

預測過程中，下沉系數、水平移動系數、開采影響傳播系數、主要影響角正切、拐點偏移距等預測參數的準確選取至關重要。目前，梁北煤礦井下采空面積不大且間隔分布，地表尚未出現大面積沉陷，礦方雖已開展了地表移動變形觀測工作，但實測數據不足以指導本次預測參數的選取。為使預測盡可能準確，本次預測采用理論計算與收集周邊礦井實測數據的方式選取。

2.2.2 預測結果

通過預測，梁北煤礦全井田煤炭開采后，地表移動變形影響范圍約43.70km2，地表最大下沉值約4.05m，地表下沉等值線圖見圖1。

圖1 井田地表下沉等值線圖

3 井田淺層地下水埋深調查

3.1 淺層地下水埋深數據的獲取

項目井田內除南部三峰山～白沙山一帶有基巖出露外，其余地段均被第四系所覆蓋，最大厚度為288m，淺層地下水主要為第四系上部砂～礫石含水層，當地農村飲用水，以及農業灌溉用水多取自該含水層，井田內分布有眾多的民用水井。

為了調查井田內淺層地下水埋深變化情況，工作中采用均布法（兼顧民井分布情況）在井田范圍內布置了17個調查點位，然后在各點位及附近，視情況選取2眼或2眼以上的民井測量其水位埋深，最后取平均值作為該點位的水位埋深值，本次總共調查民井41眼。

3.2 繪制井田淺層地下水埋深等值線圖

將現場采集的數據進行處理，并繪制井田淺層地下水埋深等值線圖，可直觀的反映水位埋深分布情況，以便于后續地表積水區范圍的預測。工作中，利用軟件先將離散數據網格化，然后再用繪圖軟件采用內插法繪圖。

根據繪制的淺層地下水埋深等值線圖（圖2），梁北煤礦井田淺層地下水埋藏深度最淺不足3.0m，分布在井田中北部，以最淺點向東西兩側埋深逐步增加，最深處埋深達18m。

圖2 井田淺層地下水位埋深分布圖

4 地面積水范圍預測

從梁北煤礦所處地區流域范圍來看，其流域面積是遠遠大于井田下沉盆地面積的，也就是說流域中的水源接近于無限，流域中淺層地下水總體積Q和下沉盆地體積V之間存在如下關系：Q＞＞V。在這種情況下，淺層地下水處于等值靜水位的狀態，預測水位埋深等于原始水位埋深與地表下沉值之差，這表明當地表下沉值大于原始水位深度時，地面就會出現積水現象。

將地表下沉等值線圖（圖1）與淺層地下水位埋深分布圖（圖2）疊加后，地表下沉值大于淺層地下水位埋深的區域即為沉陷區由于淺層地下水埋深變化而預測形成的積水區范圍，見圖3。

圖3 初步預測形成的積水區范圍圖

5 對預測結果進行修正

就地面積水而言，由地下水位變化而導致地面積水只是原因之一。除此之外，造成地面積水的因素還包括地表水或大氣降水匯入沉陷盆地而形成積水區，積水范圍和積水量取決于下沉盆地的形狀、坡度、地基透水性、降雨量及降雨強度、地表蒸發強度、地表水體規模及距離等因素。

梁北煤礦位于河南省中部，屬北暖溫帶季風氣候區，熱量資源豐富，光照充足，歷年年平均降水量為743mm，最大年蒸發量1527.9mm、最小年蒸發量1490.15mm，蒸發量大于降雨量。大部分地區地基透水性也較好。根據井田原始地形，井田地表沉陷后，僅會在東部和北部形成交淺的沉陷盆地，井田內除一條季節性溝溪（小泥河外）無其他地表徑流，根據當地自然及地質條件，預測不會在前述圖3所示其他區域形成積水區。

井田內唯一季節性溝溪小泥河從圖3所預測的積水區通過，經調查，一般僅在雨季有水，且徑流量很小，在雨季，將對圖3預測的積水區范圍有一定的影響，按照最不利情況小泥河水注入使積水范圍充滿整個沉陷盆地考慮，對圖3所預測的積水區進行合理修正，得到最終預測積水范圍包括兩部分，即永久積水范圍和季節性積水范圍，見圖4。

6 存在的問題與探討

（1）地表沉陷預測結果的準確性與預測參數的選取密切相關，因此在參數選取上應盡可能收集已有的周邊地質條件類似礦井的實測數據，再結合本項目地質條件進行科學選取，使預測結果更加準確。

（2）淺層地下水埋深等值線圖的準確性是與所調查水井的數量呈正相關的，因此，在可能的情況下，應盡量多地布置水位埋深采集井，在已有井位及數量不能滿足調查要求時，必要時應布設鉆探井。

圖4 最終預測積水區范圍圖

（3）淺層地下水位具有動態性，即淺層地下水位隨著雨季和旱季的交替是持續變化的，然而在多數勘察設計中由于時間限制無法持續整個水文年的調查，這一定程度上會影響預測結果的準確性，這就要求建設單位及咨詢服務單位認真做好基礎數據調查工作。

（4）梁北煤礦積水區范圍預測工作中沒有收集到實測地形圖資料，由于現有1:10000地形圖精度不高，未能實現預測地表標高等高線圖和預測地下水位標高等高線圖的制作，在有實測地形圖的情況下，應該在制作前述圖件的基礎上，將地表預測等高線與地下水位預測標高等高線疊加，其交點即為沉陷區由于地下水位變化而預測形成的積水區范圍，這樣使預測過程更為直觀，結果更為準確。

（5）在最后對預測結果修正步驟中，由于各種影響積水的因素相當復雜，僅能憑經驗進行判斷，因此預測結果存在經驗性和個人差異性。

[1]蔡子剛.波蘭采空區地面塌陷與積水預測的理論和方法.煤礦環境保護.1990年03期.

[2]國家煤炭工業局.《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》.2000年5月.