煤礦礦層埋深及開采方式引起地面塌陷的特征分析
——以杉樹堡煤礦為例

徐再賢，戴自然，吳福飛，徐一帆

(1.貴州師范大學 材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省地質工程勘察院，貴州 貴陽 550004)

0 前 言

貴州煤資源豐富，面積占全省土地面積約40%，高達70 000 km2。20世紀80年代以來，亂開亂采嚴重，21世紀以來，在煤礦的大規模治理與管理滯后情況下，在地下煤層大面積采空后，采空區的圍巖應力發生改變，地質災害頻發，隨著時間的推移，開采引起的“地面塌陷”為開始凸顯，破壞了地形地貌、地表耕地、林地及地面建(構)筑物，造成了環境與經濟的巨大破壞及損失。本文對已發生地面塌陷的礦山現場實地調查，分析地面塌陷形成原因，研究討論了礦層埋深引起地面塌陷的特點，為簡化礦山開采計算力學模型和數值模擬分析提供一些啟發。

1 井田地質特征及礦層埋深

杉樹堡煤礦井田及附近出露地層有二疊系中統茅口組(P2m);二疊系上統龍潭組(P31),巖性以泥質粉砂巖為主,及4層可采煤層(C4、C5、C9、C15),厚度95～120 m； C4煤層位于龍潭組中上部，上距長興組灰巖底界15～25 m，厚1.50～2.20 m，平均厚1.80 m；C5煤層位于龍潭組中部，上距C4煤層4～8 m，厚1.28～1.52 m，平均厚1.40 m； C9煤層位于龍潭組中部，上距C5煤層4～15 m，厚1.30～1.60 m，平均1.40 m； C15煤層位于龍潭組底部，上距C9煤層50～65 m，下距茅口組灰巖頂界3～5 m，厚1.80～2.20 m，平均厚2.00 m;長興大隆組(P3c)；三疊系下統大冶組(T1y)、第四系(Q)。本礦含煤地層為二疊系龍潭組(P3l)。杉樹堡煤礦綜合柱狀圖如圖1所示，礦層埋深為0～233.5 m。計算得出C4煤層垮落帶高度為8.8 m、導水裂縫帶高度為33.4 m，C5和C9煤層垮落帶高度為7.7 m、導水裂縫帶高度為29.6 m，C15煤層垮落帶高度為9.2 m、導水裂縫帶高度為35 m。如圖1所示。

圖1 綜合柱狀圖及導水裂縫帶高度示意圖

礦區大地構造位置為楊子準地臺黔北臺隆遵義斷拱畢節北東向構造變形區安底背斜北西翼，地層呈單斜產出，產狀較穩定，傾向350°～10°，傾角一般6°～10°，平均傾角8°，無區域性斷裂構造發育，礦區地質構造簡單；地震基本烈度為Ⅵ度；礦區主要巖土工程地質特征為硬質巖類工程地質巖組、軟質巖類工程地質巖組及松散巖類工程地質巖組三類。

2 地表沉陷預測模型

地表沉陷預測采用概率積分法模型。該模型穩定態預計模型，即在傾斜煤層中開采某單元i，按概率積分法的基本原理，單元開采引起地表任意點(x，y)的下沉( 最終值 )為：

We0i(x,y)=(1/r2)×exp(-π(x-xi)2/r2)×
exp(-π(y-yi+li)2/r2)

(1)

式中，r為主要影響半徑，r=H0/tgβ；H0為平均采深；tgβ為主要影響角β之正切；li=Hi×Ctgθ，θ為最大下沉角；(xi,yi)為 i單元中心點的平面坐標；(x,y)為地表任意一點的坐標。

設工作面范圍為：0～p(p為工作面走向長，m)，0～a(a為工作面沿傾斜方向的水平距離組成的矩形，m)。

變形與移動的最大值分別由下式計算：

最大地表下沉值Wmax=η× m×cosα

(2)

最大地表傾斜值imax=Wmax/r

(3)

最大地表曲率值Kmax=±1.52Wmax/r2

(4)

最大水平移動值Umax=b×Wmax

(5)

最大水平變形值εmax=±1.52 b×Wmax/r

(6)

式中，m為煤層法線采厚， m；η為下沉系數；α為煤層傾角；b為水平移動系數；H為開采煤層距地表垂深(采深)， m；r為主要影響半徑，r=H/tgβ， m；tgβ為主要影響角正切。

杉樹堡煤礦煤礦平均煤層傾角8°。開采后地表沉陷預測采用礦區沉陷預測預報系統hpMSPS軟件參數取值下沉系數η =0.665(根據覆巖評價系數P和巖性系數D對應關系取值)，主要影響角正切：tgβ =(1-0.0038α)×(D+0.0032H)；主要影響半徑：γ = H/tgβ， m；水平移動系數：b = 0.35；拐點偏移距：S覆巖屬中硬性質，其拐點偏移距S =0.177H；影響傳播角：θ = 90°-0.68α(α<45°)。

杉樹堡煤礦煤礦海拔高程+880～+1013.5 m，高差133.5 m。礦區煤層4層最低開采標高為+780 m，開采煤層厚度6.60 m，礦區淺部采深30 m，深部采深233.5 m。根據煤層開采厚度、采深及有關預測參數，計算礦井礦層開采后產生的地表移動變形最大值見表1。

表1 煤礦礦層開采后地表移動變形預測模型的最大計算值

杉樹堡煤礦煤礦全部可采煤層開采后地表移動變形預測最大下沉值5 490 mm，最大水平移動值為1 760 mm，最大傾斜值imax=54.65～393.19 mm/m，最大曲率值Kmax=0.82～42.8(10-3/m)，最大水平變形值εmax=26.63～191.63 mm/m。對于同一煤層，隨著深度的增加其地表變形最大值逐漸減小。

3 礦區地面塌陷特征

杉樹堡煤礦地面塌陷特征表見表2。

從表2可知，其中TX1～TX8、TX13～TX14主要為開采C4煤層采空區和原有采煤巷道所致。TX9塌陷是開采C5煤層形成采空區所致。TX10、TX12塌陷系原有老采煤巷道和開采C5煤層形成采空區所致。TX11則為原主井巷道頂板塌落所致。

表2 杉樹堡煤礦地面塌陷特征表

4 結 論

礦區范圍內已發生的地面塌陷標高為+950～980 m，C4、C5、C15礦層埋深14～118 m，屬于淺部開采；在采空區頂板覆巖厚小于煤層安全深度(Hδ=220 m)范圍內極易發生地面塌陷，除TX11因原主井巷道頂板塌落導致塌陷深度為9 m；其余塌陷現場調查塌陷深度均在3 m左右，預測最大下沉值為5.49 m，最大水平移動值為1.76 m，其塌陷深度在預測最大下沉值范圍。

礦區地面塌陷的影響因素與煤層厚度、開采深度(頂板覆巖厚)、地形地貌、水文地質條件、上覆巖土體的物理力學性質、采礦等因素有關，其問題復雜；通過大量礦山地面塌陷調查，建立簡化計算力學模型和數值模擬分析，為礦山地質災害預測、防治提出科學依據，防患于未然。

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