萍鄉安源煤礦地表移動變形分析

劉地福，陳富貴

（江西省煤田地質勘探研究院，江西 南昌 330001）

1 礦區位置和自然地理

安源煤礦位于萍鄉市南東120°方位，直距6 km，隸屬于江西煤業集團有限責任公司。

礦區為低山丘陵地形，西南高，東北低，山脈走向NE～SW，山形成排，天子山最高，海拔+596.75 m，最低點+120 m。礦區屬于大陸性亞熱帶，四季溫度相差很大，年平均溫度18.93℃，年平均降雨量1 570.4 mm，年平均蒸發量為1 242.4 mm。礦區無常年性地表水體，間歇性沖溝一般無水，雨時有水，雨后短時間內即被疏干。

2 礦井地質及煤層

2.1 礦井地質

本區出露地層有第四系、白堊系上統南雄組、三疊系上統安源組、三疊系下統大冶組、二疊系中茅口組［1］，分述如下：

（1）第四系（Q）：厚度0～20 m，一般5 m。由粘土、亞粘土、砂粒及卵石組成，分布于沖溝及低洼處。

（2）白堊系上統南雄組（K2n）：厚度0～155 m，一般75 m。紅色或棕紅色砂礫巖，夾條帶或透鏡狀泥巖，分布于井田以北外圍大片地區。

（3）三疊系上統安源組（T3a）：平均總厚度710 m，是區內含煤地層。自上而下分三丘田段（T3a3），三家沖段（T3a2）及紫家沖段（T3a1）。三丘田段分二個亞段，上下亞段合稱上煤組；三家沖段（T3a2）分為上、中、下三個亞段，該段不含煤；紫家沖段分二個亞段，上亞段（T3a12），又稱下煤組，下亞段（T3a11）為底部礫巖。以南翼地層分述如下：

①三丘田段（T3a3）：

厚度135～390 m，一般270 m。灰色石英砂巖、細砂巖、粉砂巖及炭質泥巖，上亞段含煤三層（上煤組一煤層、二煤層及三煤層）；下亞段中部含上煤組四煤層

②三家沖段（T3a2）： 厚度10～366 m，一般厚220 m。深灰色粉砂巖、細粉砂巖、泥巖。

③紫家沖段（T3a12）：厚度107～445 m，一般200 m。上亞段為灰色細至中粒石英砂巖、深灰色粉砂巖、細砂巖、泥巖，含大槽、硯子槽及硬子槽煤層；下亞段為底部礫巖。

（4）三疊系下統大冶組（T1d）

厚度不詳，小坑到紫家沖一帶出露。泥巖與粉砂巖互層，局部為泥灰巖。

（5）二疊系中統茅口組（P2m）

井田范圍內，出露在北翼煤系底部。厚度100～280 m，一般200 m。上部淺灰色厚層狀灰巖，下部黑灰色泥灰巖。

2.2 煤層

安源井田以RF2斷層為界，分為南北兩翼：南翼含煤5 層，其中下煤組可采3 層，上煤組可采2 層；北翼下煤組可采4 層。各可采煤層由上往下敘述如下：

（1）南翼上煤組煤層：

①三煤層：煤層全層厚度3.3～10 m，平均厚5.6 m，平均計量煤厚2.52 m，煤層結構極復雜，全區可采，為不穩定煤層。

②四煤層：煤層全層厚度6.3～12 m，平均厚8.6 m，平均計量煤厚4.05 m，煤層結構極復雜，全區可采，為不穩定煤層。

（2）南翼下煤組煤層：

南翼下煤組為紫家沖段，地層平均厚220 m，可采煤層厚6.17 m。

①硯子槽：層位較穩定，全層厚0～5.05 m，一般厚2.17 m，平均計量煤厚1.12 m。往西變薄，全區大部可采，為較穩定煤層。

②硬子槽：層位較穩定，全層厚0～4.9 m，一般厚3.5 m，平均計量煤厚1.2 m。全區基本可采，為較穩定煤層，煤層結構較簡單。

③大槽：層位穩定，全層厚2.02～29.2 m，一般8.47 m，平均計量煤厚3.85 m，全區可采，為較穩定煤層，煤層結構復雜。

（3）北翼下煤組煤層

①列皮槽：煤層厚度0.24～2.35 m，平均0.75 m，平均計量煤厚0.91 m。煤層結構復雜，為局部可采的不穩定煤層。

②一號大槽： 厚度為0.17～2.54 m，平均為0.83 m，平均計量煤厚1.02 m。結構較簡單，為大部可采的較穩定煤層。

③二號大槽：煤層厚度0～1.38 m，平均0.65 m，平均計量煤厚0.88 m，灰分26.69%，為局部可采的不穩定煤層。

④四頁槽：煤層厚度0.80～1.48 m，平均1.12 m。結構較簡單，為全區可采的較穩定煤層。

3 礦井開采技術條件

3.1 水文地質

礦區含水層分為孔隙含水層、基巖裂隙含水層、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層，本礦屬基巖裂隙充水的水文地質條件中等礦床。安源組煤系地層抽水試驗q=0.008 8～0.51 L/s·m，k=0.012 3～0.163 m/d，富水性較差。北翼茅口灰巖穩定水位為+155.12 m，q=0.30 L/s·m；礦井東鄰高坑煤礦：茅口灰巖抽水試驗q=1.14 L/s·m，Q=420 m3/h，為中—強富水，但對煤層開采影響不大。

3.2 工程地質

礦井開采主要是安源組紫家沖段，煤層頂板多為灰黑色致密粉砂巖、砂巖及礫巖透鏡體，局部夾泥巖；底板為灰黑色泥質砂巖、細粒砂巖。屬半堅硬巖層，圍巖類別屬Ⅲ類，礦井工程地質條件為中等。

3.3 環境地質

礦區內無危巖、崩塌、滑坡等不良地質現象。因開采歷史久遠，部分地段出現了地面開裂、塌陷，系采煤造成地表移動所致。堆放的煤矸石栽種了松木，并長有雜草；礦坑排水由于煤層含硫較低，對環境影響不大；地表水、地下水水質較好；礦井屬瓦斯礦井，煤層具有自然發火傾向；煤塵具有強爆炸危險性。本礦井地質環境質量屬于復雜類型，地表裂縫、塌陷和礦井瓦斯是影響開采技術條件的主要問題。

4 礦井開采歷史、生產規模及開拓系統

安源煤礦于1898年5月建礦，1906年投產，1938年因日本侵華停產，解放后1954年10月復礦建井，1956年5月投產至今。

礦區面積為12.816 5 km2，開采深度+320 m至-450 m，生產規模0.78 Mt/a。分四個水平開采，+150 m、±0 m已開采結束，現集中開采南翼-150水平和-300 水平的大槽煤。

安源煤礦為平峒、暗立井、暗斜井的綜合開拓方式，采煤方法采用傾斜分層，走向長壁，頂板全陷落采煤方法。

5 開采地表移動變形分析

安源煤礦現在主要開采為第三、四水平大槽煤層，開采標高為-150～-300 m，本礦計劃最低開采標高為-450 m。本次對-450 m標高以上煤層采完時地表移動變形進行研究。

當煤層被采空后，上覆巖層的原始狀態遭到破壞，覆巖上部的地表各點向采空區方向移動，形成地表下沉盆地。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，評價地表采動影響的指標有下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形［2］。由于煤層的厚度及分布的不均勻性，則不同位置引起的最大下沉值和最大水平變形不同。根據以下公式計算相應的各指標值。

5.1 地表下沉系數的確定

充分采動時，地表最大移動下沉值Wcm與煤層法線采厚M在鉛垂方向投影長度的比值稱為下沉系數：

式中：q為地表下沉系數，α為煤層傾角, M為煤層厚度。

參考相鄰高坑煤礦采礦條件下實測下沉系數見表1。

表1 參考的實測下沉系數

煤層開采后，地表下沉系數主要與上覆巖層的性質、開采厚度、開采深度、重復采動次數等因素有關。地表下沉系數隨煤層上覆巖層巖性硬度增加而減小，隨采深增大而減小，隨開采厚度的增加而加大，隨采動次數增加而增加。參考高坑煤礦實測，結合理論和經驗及安源煤礦的實際情況，以主采的大槽煤和煤層厚度較大的硬子槽為主，計算地表下沉系數取值，見表2。

表2 安源煤礦各煤層下沉系數取值

5.2 水平移動系數的確定

充分采動時，走向主斷面上地表最大水平移動值Ucm與地表最大下沉值Wcm的比值稱為水平移動系數：

根據萍鄉礦區的地表移動實測資料，見表3。確定本區的地表水平移動系數取0.3。

表3 參考的實測水平移動系數

5.3 主要影響角的確定

煤層開采后，地表沉陷區內的移動變形主要集中在采空區邊界上方寬度為2rz的范圍之內，該范圍稱為主要影響范圍。連接主要影響范圍邊界點與開采邊界的直線，與水平線所成的夾角β稱為主要影響角。安源煤礦主要影響角取值為65°［2］。

5.4 分析計算結果

最大傾斜I、最大曲率K、最大水平變形ξ的計算公式如下：

I=Wcm/（H/tgβ）

K=±1.52 Wcm/( H/tgβ)2

ξ=±1.52 bI

式中：采深H（所在水平標高+該點標高）。

計算結果見表4。

表4 各孔采動變形分析計算

鉆孔編號最大水平變形（ξ）/mmⅤ0325.004.00342.702 302.02214.4050.1376.569Ⅴ01135.004.00625.002 080.6477.1390.0373.255Ⅴ01215.002.00480.801 226.7265.4720.0372.495Ⅵ0455.001.10505.28400.6441.7000.0110.775Ⅵ0240.002.20625.001 070.1653.6720.0191.674煤層傾角（α）煤層厚度/m煤層到地表的垂深（H）/m最大下沉（η）/mm最大傾斜（I）/mm最大曲率（K）/mm

5.5 地表移動變形規律

將上述計算結果繪制成地表下沉和地表水平變形等值分析圖（見圖1、圖2）。據圖可知，由于本區煤層采厚、采深均較大，井下工作面開采在地表形成的下沉盆地，均為連續變形形式，但其下沉情況存在一定的起伏，且呈波浪狀；下沉盆地的形成是一個緩慢的發展過程，一般一個工作地表變形會在2.0～5.5年時間里完成。礦區西南部為上世紀80年代以前開采，歷經30年，地表已經達到下沉及變形的穩定狀態。根據圖示，地表最大下沉區域集中在平坡里、豬圓心這些區域，對照該區域開采情況，主要是由于煤層厚度大于4 m所致；最大的水平變形集中在八方井、錫坑、燕子窩、炭沖附近，主要由于采深、采厚比偏小所致（〈60）。

圖1 安源煤礦開采影響地面下沉分析等值線

圖2 安源煤礦開采影響地表水平變形分析

6 結語與建議

1）安源煤礦終采后，地表發生不同程度的移動變形，最大下沉區域將集中在平坡里、豬圓心等地，最大水平變形將集中在八方井、錫坑、沈廟里、燕子窩、炭沖附近。地表移動變形主要取決于采深、采厚比［3］，在采深、采厚比〈60 的地段，變形值較大，反之較小。

2）受采掘影響，地表建筑物可能出現不同等級的移動變形。礦區內大部分建筑物分布在距離下沉盆地中心較遠的位置，下沉值和水平變形值較大的區域多數為空地，采煤活動對建筑物的破壞影響總體較小。

3）建議礦山加強地表和建筑物變形監測，對變形預測較大的地區設置警示牌及防護柵欄，發生破壞的建筑，應及時加固處理。沈廟里、燕子窩、長窩里等地區地面變形值大于6 mm/m，不可新建地面建筑，避免引發人身危害及財產的損失。