復(fù)雜地質(zhì)體下開(kāi)采礦體引發(fā)地表移動(dòng)變形致災(zāi)的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)分析

曹存先　史晨曉

（山東設(shè)協(xié)勘察設(shè)計(jì)審查咨詢中心山東濟(jì)南250001）

復(fù)雜地質(zhì)體下開(kāi)采礦體引發(fā)地表移動(dòng)變形致災(zāi)的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)分析

曹存先史晨曉

（山東設(shè)協(xié)勘察設(shè)計(jì)審查咨詢中心山東濟(jì)南250001）

本文通過(guò)對(duì)礦體開(kāi)采地質(zhì)條件分析，概括總結(jié)了礦區(qū)地表移動(dòng)變形的影響因素，針對(duì)不同的地表破壞形式，結(jié)合地面塌陷變形的定量化計(jì)算方法，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體條件下采空區(qū)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，估算采空區(qū)移動(dòng)盆地影響范圍內(nèi)地表移動(dòng)變形量，預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)于礦區(qū)的安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

覆巖移動(dòng)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

0　前言

礦區(qū)采礦工程引發(fā)的地表移動(dòng)變形是礦區(qū)工程活動(dòng)存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，特別是復(fù)雜地質(zhì)體下開(kāi)采礦體引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)礦區(qū)地表穩(wěn)定性影響日趨嚴(yán)重。本文正是基于某煤礦區(qū)工程開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀與環(huán)境地質(zhì)條件來(lái)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體下開(kāi)采活動(dòng)引發(fā)地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1　礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1地質(zhì)條件

該礦區(qū)地處場(chǎng)地地貌類(lèi)型為沖洪積平原地帶，局部地形稍有起伏，地形地貌較為簡(jiǎn)單，地表上部為褐色黃土、砂礫層覆蓋，礦井揭露地層由老至新主要為：奧陶系馬家溝組，石炭系本溪組，二疊系山西組，二疊系石盒子組，侏羅系三臺(tái)組，古近系官莊組。區(qū)域內(nèi)巖漿活動(dòng)劇烈，分布主要受構(gòu)造控制。中生代晚期活動(dòng)最強(qiáng)烈，第三紀(jì)以來(lái)也有活動(dòng)，多以斷裂形式出現(xiàn)。

1.2水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水按賦存介質(zhì)類(lèi)型可分為松散巖類(lèi)孔隙潛水、碎屑巖裂隙水以及巖溶水。孔隙潛水主要分布在第四系覆蓋層內(nèi)，巖性主要由黏性土、中砂等組成，埋藏淺，該含水層富水性強(qiáng)，循環(huán)條件好，直接接受大氣降水補(bǔ)給，動(dòng)水補(bǔ)給循環(huán)條件較好，平時(shí)地下水水位埋深季節(jié)變化幅度一般為2～3m，一般埋深在6.50～10.50m，平均8.47m。裂隙水，埋藏較深，主要賦存于下伏基巖，為砂巖地層裂隙中，屬非可溶巖組。富水性差，水循環(huán)條件差，該層接受第四系潛水補(bǔ)給。巖溶水主要賦存太原組和本溪組薄層石灰?guī)r中，由于石灰?guī)r層隨著埋藏深度加大水頭壓力也相對(duì)增高。

2　采空區(qū)地質(zhì)及開(kāi)采煤層概況

該礦區(qū)內(nèi)礦井可采煤層為第2、4、7、9、15、19煤層，共6層，目前礦區(qū)主要開(kāi)采2、4、7、15煤層，估算深度為標(biāo)高-300～-500m，采煤方法采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。地下采礦活動(dòng)對(duì)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響，對(duì)采空區(qū)巖、土體的穩(wěn)定性影響較大。

3　采礦影響程度及地表移動(dòng)變形分析

3.1影響地表移動(dòng)過(guò)程的因素及程度分析

通過(guò)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)與開(kāi)采技術(shù)條件分析得出影響巖層與地表移動(dòng)過(guò)程的因素主要有：

3.1.1覆巖地質(zhì)體力學(xué)性質(zhì)及煤系地層傾角

煤層頂板以及上覆巖體為較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖體時(shí)，開(kāi)采條件下頂板可能發(fā)生碎塊狀冒落。在采空過(guò)程中，斷裂帶內(nèi)的巖體除了有垂直層面的裂縫發(fā)育外，還有大量的順層面發(fā)育的離層裂縫。因而，上覆巖層為堅(jiān)硬巖體時(shí)，采空區(qū)地表影響區(qū)內(nèi)下沉量要比軟弱巖層時(shí)小。采空層位上覆巖體為強(qiáng)度較低的性脆易碎巖體時(shí)，其開(kāi)采層位頂板將發(fā)生冒落，上覆巖層隨著開(kāi)采時(shí)間和空間的變化而發(fā)生位移變形，巖層變形下沉量較大將很快傳播到地表，一定條件的應(yīng)力釋放后下沉量不斷縮小，因此上覆巖層為強(qiáng)度較低的性脆易碎巖體不易產(chǎn)生離層裂縫，其地表下沉位移量要比堅(jiān)硬巖體下沉變形要大。

3.1.2重復(fù)采動(dòng)影響

礦區(qū)內(nèi)可采煤層共6層，可采煤層平均總厚度為8.18m，上層煤層開(kāi)采后，開(kāi)采下部煤層時(shí)，巖層及地表移動(dòng)過(guò)程比初次采動(dòng)劇烈，地表下沉值增大，地表移動(dòng)速度加大，移動(dòng)總時(shí)間縮短，地表移動(dòng)范圍擴(kuò)大。

3.2地表破壞形式

地下煤層開(kāi)采后，其上覆巖層與底板巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，從而產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞。根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、影響巖層與地表移動(dòng)過(guò)程的因素及程度分析，礦區(qū)地表破壞的形式分析有如下幾種。

3.2.1地表移動(dòng)盆地

受開(kāi)采影響，在采空區(qū)上方地表可能產(chǎn)生大面積沉陷，即移動(dòng)盆地或下沉盆地。確定“移動(dòng)盆地”影響范圍是根據(jù)《三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開(kāi)采規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合本礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及巖土工程地質(zhì)條件，采用圖解法按第四系巖移角45°，下伏煤系地層巖移角取65°進(jìn)行估算。據(jù)以上參數(shù)采用圖解法，圈定井下采空區(qū)形成后將嚴(yán)重引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的范圍。根據(jù)上述原則、方法和礦區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境條件及“移動(dòng)盆地”影響范圍，確定最大影響范圍為150m。

3.2.2裂縫

受采空區(qū)移動(dòng)盆地的影響，移動(dòng)盆地的外邊緣地帶將會(huì)出現(xiàn)不同程度的地裂縫，形態(tài)分布多平行于采空區(qū)的邊界。發(fā)育規(guī)模受復(fù)雜地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和采空邊界的位置影響較大。

3.2.3采空塌陷

采空區(qū)陷落將引發(fā)地面沉降，因開(kāi)采淺部煤層時(shí)，采空區(qū)頂板無(wú)法形成“雙拱”支撐結(jié)構(gòu)來(lái)支撐上覆巖體自重，易形成采空塌陷，主要在發(fā)育礦井淺部露頭附近，進(jìn)入深部開(kāi)采后，采空區(qū)塌陷將會(huì)越來(lái)越不明顯，如果地質(zhì)體構(gòu)造十分復(fù)雜，各煤層采動(dòng)不充分，采空區(qū)陷落的現(xiàn)象將不明顯，在局部地表平坦地段，有可能形成塌陷所致小規(guī)模的低洼地。地面沉陷按速率可分為三個(gè)階段，初始階段、活躍階段、衰退階段，受多層煤疊加開(kāi)采，礦區(qū)內(nèi)地表建筑物會(huì)不同程度受到影響。

4　地表移動(dòng)變形致災(zāi)預(yù)測(cè)分析

根據(jù)對(duì)研究區(qū)開(kāi)采煤層與覆巖地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特征分析，得出礦井開(kāi)采后地表變形以形成沉陷盆地為主。同時(shí)不排除將來(lái)礦井生產(chǎn)過(guò)程中在礦井范圍內(nèi)及邊緣地帶出現(xiàn)伴生地裂縫和塌陷坑的可能性。采空塌陷盆地的形成總是通過(guò)垂直方向的下沉和水平方向上的移動(dòng)引起地表產(chǎn)生傾斜、彎曲，伸張或壓縮而完成的。根據(jù)國(guó)內(nèi)相似煤田礦井開(kāi)采地表沉陷變形的經(jīng)驗(yàn)，尤其是參考附近礦區(qū)采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析該礦井采空區(qū)地表最大沉陷量、傾斜位移和水平位移變形量十分重要。

因此對(duì)煤礦采空塌陷趨勢(shì)的預(yù)測(cè)可以通過(guò)地表的下沉量W、傾斜T、曲率K、水平位移u和主要影響半徑r等地表形變值來(lái)進(jìn)行分析評(píng)判。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》，對(duì)緩傾斜（傾角小于25°）的礦層地表移動(dòng)和地表變形預(yù)測(cè)按表1中所列相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算分析。

表1　地表移動(dòng)和地表變形預(yù)測(cè)計(jì)算公式

表中：η—下沉系數(shù)：地表最大下沉值Wmax與煤層法線采厚（m）在垂直方向投影長(zhǎng)度的比值，取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.2，α—煤層傾角，一般小于25°；b—水平移動(dòng)系數(shù)：最大水平移動(dòng)值(Umax)與最大下沉值Wmax的比值，本礦區(qū)取0.30；m-煤層的開(kāi)采厚度（m）；r=H/tgβ，r—主要影響半徑（m），H—開(kāi)采深度，β—移動(dòng)角，tgβ一般為1.5～2.5，本區(qū)取2.0。

通過(guò)上述一系列計(jì)算，得出該礦井采空區(qū)煤層開(kāi)采后地面預(yù)測(cè)結(jié)果，詳見(jiàn)表2。

表2　采空區(qū)疊加范圍內(nèi)地表變形量計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)采空區(qū)地表變形量預(yù)測(cè)值，按照《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》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)礦區(qū)內(nèi)地表建筑物及采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)進(jìn)行級(jí)別分類(lèi)劃定，詳見(jiàn)表3、表4。

結(jié)合以上分析，依據(jù)計(jì)算結(jié)果參照采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值表，對(duì)比磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)表，預(yù)測(cè)采空區(qū)地表變形及建筑物的損壞級(jí)別最大區(qū)域?qū)儆冖蠹?jí)，損壞程度為中度損壞，危險(xiǎn)性級(jí)別為中等。

表3　磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)

表4　采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值表

5　結(jié)論

對(duì)礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)體下開(kāi)采活動(dòng)引發(fā)地表變形致災(zāi)的預(yù)測(cè)分析是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文通過(guò)分析采空區(qū)的地質(zhì)特征以及開(kāi)采過(guò)程中頂板穩(wěn)定性受自然和人為因素的綜合影響作用，對(duì)地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，預(yù)測(cè)內(nèi)容及分析方法是把地基基礎(chǔ)工程與礦山工程技術(shù)中的相關(guān)理論相結(jié)合應(yīng)用于礦層井下采空區(qū)地表變形計(jì)算分析中，有針對(duì)性的對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體下開(kāi)采礦體引發(fā)地表移動(dòng)變形致災(zāi)預(yù)測(cè)內(nèi)容及分析過(guò)程進(jìn)行論述，其預(yù)測(cè)方法能否精確，是礦區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)與防災(zāi)治理的關(guān)鍵，為將來(lái)礦區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)提供了重要依據(jù)。

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P694[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-376-2