六道灣煤礦西翼塌陷區(qū)沉降變形規(guī)律研究

李云龍，郭春穎，徐 敏，劉軍柱，孫建敏

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.中國地質(zhì)工程集團公司，北京 100083)

1 六道灣煤礦簡介

六道灣煤礦塌陷區(qū)位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)七道灣鄉(xiāng)六道灣村至七道灣之間。塌陷區(qū)西段位于烏魯木齊市中心地帶，西面和南面緊鄰南湖路和外環(huán)路，東面臨近六道灣路，南面距烏魯木齊市政府700m。六道灣煤礦已有50多年的開采歷史。塌陷區(qū)內(nèi)大槽煤層露頭處，呈條帶狀或串球狀塌陷坑。由于長期開采地下煤層，采空區(qū)及其影響范圍，己形成了4.4 km2的大面積地面塌陷及沉降變形區(qū)，嚴(yán)重破壞了地表地質(zhì)環(huán)境。

隨著六道灣煤礦不斷地向深部開拓回采，塌陷區(qū)地面變形處于活躍期，巖移和地面冒落式塌陷隨時都有可能發(fā)生，危害十分嚴(yán)重。對六道灣煤礦西翼塌陷區(qū)地面變形進行監(jiān)測，可以獲得有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害危害性、實時沉陷變形量等信息。特別是通過長期的觀測資料，掌握其變形規(guī)律，有助于了解地面沉降，地面變形的機理，為進一步治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 地質(zhì)概況

在構(gòu)造上，塌陷區(qū)屬六道灣井田的西翼，構(gòu)造特征基本上與六道灣井田整體構(gòu)造一致。塌陷區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，沒有明顯的斷裂破壞，地層產(chǎn)狀變化不大，東段走向為60°左右，西段為64°～66°，在六道灣煤礦西二石門～西三石門一帶微向南凸呈弓形，傾向330°～336°。巖層傾角一般65°～75°，下段煤層(B1～B6)傾角較大，為65°～75°；上段煤層(B7～B33)傾角逐漸變?yōu)?0°～65°，局部54°。巖層淺部傾斜較陡，傾角在70°～75°，個別可達80°，向深部變緩為50°～55°。巖層?xùn)|部傾角較小，西部較大，東西部有6°之差?？偟淖兓?guī)律是：巖層傾角由南向北逐漸變小，由東向西逐漸變大，由淺到深巖層逐漸變緩。

六道灣井田位于準(zhǔn)南煤田東南部烏魯木齊礦區(qū)西部，塌陷區(qū)內(nèi)均為陸相沉積地層,以中新生界為主，其中以侏羅系分布最廣,新生界次之。塌陷區(qū)區(qū)域出露地層除南部的紅山背斜有二疊系分布外，在整個工作區(qū)及其南北廣大地區(qū)均分布著第四系松散沉積物，下伏地層為侏羅系含煤地層，侏羅系大部分被第四系所覆蓋。侏羅系包括下統(tǒng)的三工河組、中統(tǒng)的西山窯組、頭屯河組,其巖相為一套河湖相,泥炭沼澤沉積,三組地層中,含煤地層為西山窯組。第四系厚度由南向北逐漸增大，在六道灣煤礦西翼塌陷區(qū)一帶多為10～20m左右。

3 水文地質(zhì)概況

塌陷區(qū)地下水類型，除西部靠近烏魯木齊河床地帶分布有松散巖類孔隙水外，其余廣大地區(qū)均為碎屑巖類裂隙孔隙水。煤層開采前，由于煤層和所夾的炭質(zhì)泥巖起相對隔水作用，煤層頂?shù)装搴畬踊ゲ贿B通或連通微弱。煤層開采后，所有含水層均連為一體，地下水位埋深與上覆第四系砂卵礫石孔隙含水層相一致。地下水主要接受南側(cè)和西南、東南側(cè)地下徑流側(cè)向補給，遇強降雨天氣時，還接受少量降水入滲補給。地下水大體由南向北徑流，至六道灣路以北大部分以地下逕流方式向北排泄到鄰區(qū)，一部分排入六道灣煤礦的礦區(qū)排水系統(tǒng)，至該礦1JHJ立井以北排出地表。地下水型為SO4·Cl型，礦化度1～2 g/L。六道灣煤礦因采礦需要，通過采取井下排水措施，降低地下水位。1995～2002年間，整個礦區(qū)日排水量平均3 275.6 m3(136.5 m3/h)。豐水期為8～9月，最大日排水量4 389 m3(182.9 m3/h)；枯水期為4～5月，最小日排水量1 944m3(81 m3/h)。

4 煤層特征

六道灣井田共含煤33層，其中可采煤27層，33層煤從下到上編號依次為B1～B33。煤層走向52°～65°，傾向322°～335°，傾角在63°～88°之間，一般為67°～78°，全部為急傾斜煤層，賦存穩(wěn)定。現(xiàn)生產(chǎn)水平可采煤層平均總厚度117.07～175.45 m。

井田內(nèi)的可采煤層可分為上、下兩段4個煤層組：下段包括B1～B6，其中B1和B2為第1組，B3～B6為第2組；上段包括B7～B33，其中B7～B20為第3組，B21～B33為第4組。下段兩個組為特厚煤層，其中第1組(B1+2)稱為南大槽，第2組(B3+4+5+6)稱為北大槽。上段兩個組為薄、中厚和厚層煤層形成的兩組近距離煤層群。

5 開采歷史

六道灣煤礦投產(chǎn)至今，已累計生產(chǎn)原煤3 100萬t，按礦井最終開采水平為+300 m標(biāo)高計算，目前已探明的剩余地質(zhì)儲量為18 716.6萬t，剩余工業(yè)儲量為12 874.1萬t。

六道灣煤礦礦井開拓方式，采用立井階段石門開拓。在20世紀(jì)80年代以前，開采規(guī)模較小，其開采方法主要采用水平分層放頂式、倉儲式、斜坡落垛式等采煤方式。80年代以后，六道灣煤礦在+650m水平東翼采區(qū)北大槽，使用急斜水平分段綜采放頂煤采煤技術(shù)。礦井共劃分為四個水平，分別為：+650m水平；+540m水平；+430m水平；+300m水平。其中+650m水平已采完。各水平沿煤層走向劃分為五個采區(qū)，分別為：東一采區(qū)；東二采區(qū)；西一采區(qū)；西二采區(qū)；西三采區(qū)。中央石門距東一、西一石門間距350 m，采區(qū)間石門間距為550 m。

目前，南大槽西二石門東至西一石門西開采到+540 m水平標(biāo)高，采深達到230 m左右；北大槽從中央石門至西二石門東，已開采到+510 m水平標(biāo)高，開采深度達303 m左右；北大槽以北的煤層群，已開采到+650 m水平，采深達到180 m左右；部分小槽煤在西一采區(qū)(包括B13、B14、B18、B19、B20各槽煤)，已采到+540 m水平，采深達270 m左右。六道灣煤礦西翼采區(qū)已于2007年6月25日停止采掘作業(yè)。

6 六道灣煤礦變形觀測

6.1 監(jiān)測點布置

六道灣煤礦西翼塌陷區(qū)范圍為變形監(jiān)測工作區(qū)，根據(jù)六道灣煤礦的實際情況，我們選用剖面線狀觀測站布點方式。剖面線狀觀測站是目前各礦區(qū)用得較多的一種布站形式，是在選擇的特定方向上布點成直線形(除縱六線因條件限制不能布成直線，設(shè)少量轉(zhuǎn)點而成折線形)。本監(jiān)測區(qū)由6條傾向觀測線(縱向觀測線)和2條走向觀測線(橫向觀測線)組成一個監(jiān)測網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò)采用2級布網(wǎng)的方法，以高精度、準(zhǔn)確地監(jiān)測六道灣煤礦西翼塌陷區(qū)地面沉降和水平移動。一級網(wǎng)為監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，作為GPS監(jiān)測地面沉降的基準(zhǔn)，該網(wǎng)由4個點組成，分布在監(jiān)測區(qū)周圍的沉降影響帶以外。地層相對穩(wěn)定。二級監(jiān)測網(wǎng)為沉降監(jiān)測的基本網(wǎng)，由八條線構(gòu)成，共計80個點組成。在監(jiān)測區(qū)煤層開采深度較深的東南(中央石門至西一石門)部布設(shè)點密集，在西部(西二至西三石門)較疏。在煤層較寬的監(jiān)測區(qū)南部的南大槽、北大槽布置較密集，北部較疏松。監(jiān)測點位布置如圖1所示。

6.2 變形監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測工作始于2007年12月4日，監(jiān)測周期為4年，監(jiān)測時間間隔為前三個月，每10天監(jiān)測一次，之后每月監(jiān)測一次。截至2008年10月4日，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示。

表1塌陷區(qū)沉降觀測部分?jǐn)?shù)據(jù)單位m

測點日期2-052-062-072-082-197-012008-12-14825 045824 945825 942826 238826 574829 0732008-12-23825 041824 940825 938826 233826 574829 0752008-1-3825 044824 944825 941826 235826 574829 0732008-1-13825 040824 941825 939826 235826 573829 0742008-1-26825 041824 942825 938826 234826 574829 0752008-2-2825 038824 938825 936826 230826 568829 0662008-2-16825 040824 940825 936826 233826 572829 0682008-2-28825 038824 938825 936826 231826 567829 0652008-3-29825 039824 939825 935826 232826 569829 0662008-4-29825 028824 928825 927826 221826 558829 0652008-5-29825 028824 931825 929826 219826 557829 0662008-6-28825 017824 920825 918826 209826 546829 0542008-7-27825 012824 914825 914826 205826 542829 0532008-8-30825 014824 916825 915826 206826 543829 0532008-9-30825 012824 915825 913826 206826 542829 0522008-10-30825 011824 913825 912826 205826 540829 050

圖1 監(jiān)測點位布置圖

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用matlab軟件編程，繪制出了地面沉降量的等值線圖(圖2)，圓圈為監(jiān)測點。由圖2可以看出：

圖2 地面沉降等值線圖

①圖2中黃色線為塌陷區(qū)邊界。沉降量最大區(qū)域在北大槽西一至至西二石門之間，此處煤層的采深最深，采深為303 m左右，沉降量最大達到18 mm。其次是西一采區(qū)的第三組煤(B13～B20煤層)，采深為270 m左右，沉降量最大15 mm。這說明采深越深，沉陷量較大。②監(jiān)測區(qū)邊界沉降量很小，這說明監(jiān)測區(qū)的邊界是穩(wěn)定的。地層為急傾斜煤層，煤層平均傾角為70°。頂板底板巖性主要為砂巖。塌陷形成的塌陷盆地中心，基本在采空區(qū)正上方，煤層頂板方向受影響范圍較大，底板受影響范圍較小。根據(jù)觀測資料，圖解計算出移動盆地頂板邊界角為35～37°，底板邊界角為60～62°。③地面沉降變形具有突變性、間歇性。監(jiān)測點會在短時間內(nèi)突然發(fā)生移動變形。如7-01觀測點，在4月29日、6月29日這兩個觀測周期中沉降變形顯著，而在其它時間沉降量微小，或未發(fā)生沉降。④地面沉降以前主要是南北大槽煤層形成的兩個條帶狀塌陷槽和三四組煤的串珠狀塌陷坑，現(xiàn)在地面沉降主要集中在煤層開采深度較深的區(qū)域。而在煤層開采較淺的區(qū)域，沉降量很小，如西二石門以西。這說明深部煤層開采引起的地面沉降，已成為地面沉降的主要因素。地面沉降變形仍在繼續(xù)，尚未穩(wěn)定。

7 討論與建議

(1)監(jiān)測區(qū)上部雜填土松散，受降雨、積雪融化等因素影響，冬季、夏季沉降數(shù)據(jù)變化劇烈，地面沉降量顯著。分析可適當(dāng)考慮消除這部分影響，以反映巖層的巖移規(guī)律。

(2)沉降量最大的區(qū)域也是點位布置最集中的區(qū)域，說明監(jiān)測點的布置是合理的。監(jiān)測區(qū)西二石門以西，由于煤層采深淺，停采時間長，沉降變形不明顯；而中央石門至西二石門之間，由于開采水平較深，且停采時間不長，地面沉降變形尚未穩(wěn)定，因此還需要長期監(jiān)測。

[1] 新疆地質(zhì)工程勘查院. 新疆烏魯木齊市外環(huán)路服務(wù)區(qū)項目建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告[R]. 2004，4.

[2] 武曉忠，張勤，劉忠.西安地面沉降與地裂縫GPS監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究[J]. 測繪技術(shù)裝備, 2006,2(8).

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