煤礦地下開采引發(fā)地面塌陷的危險性評估

馬曉艷 田 宇 王寅冬

1 概述

煤層井下開采引發(fā)的地面塌陷是煤層開采普遍存在的環(huán)境工程地質(zhì)問題,它對城市、交通等會產(chǎn)生嚴重的影響,對耕地的破壞也不容忽視。在礦山開采前,應做好開采可能引發(fā)地面塌陷的評估工作,對開采時采取有效控制地面塌陷工作有一定的指導意義。長嶺煤礦位于雙陽區(qū)北東29°方向的長嶺鄉(xiāng)前雙頂子村境內(nèi),與雙陽區(qū)直距 16 km 處,中心地理位置為:東經(jīng) 125°45′39″;北緯43°36′35″。礦山開發(fā)于 1993年,1995年1月正式投產(chǎn)。礦井原設計能力為6×104t/年,2006年核定生產(chǎn)能力為7×104t/年,屬小型礦山。開拓方式為片盤斜井,采煤方法為走向長壁后退式,全部塌落法管理頂板。井田面積約為0.550 4 km2。礦區(qū)地表大部分為耕地,少部分為居民地。

2 自然環(huán)境條件及地質(zhì)環(huán)境條件

礦區(qū)位于長白山系吉林哈達嶺低山丘陵區(qū),屬中溫帶東亞大陸性季風氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育,多為降雨后的地表徑流。地勢總體北高南低,海拔217 m～264 m,自然植被不發(fā)育,多為灌木和人工林,農(nóng)作物以玉米為主。

礦山含煤地層主要為侏羅系上統(tǒng)二道梁子組(J3r),走向近北東～南西,傾向南東,淺部傾角45°左右,向深部變緩,一般在25°～35°。含四個可采煤層,按從上到下為①,②,③,④煤層。巷道控制長度706 m～819 m,寬度142 m～213 m,垂直深度376 m～408 m,可采煤層平均厚度1.79 m～2.91 m。平均埋深280 m左右。

煤層頂、底板巖石均屬于層狀結(jié)構(gòu)類型,抗壓強度分別為:頂板28.06 MPa,底板41.49 MPa。按建工系統(tǒng)標準分類,頂板屬于軟質(zhì)巖石,底板屬于中等硬度巖石。

礦區(qū)建設初期經(jīng)地質(zhì)勘測發(fā)現(xiàn)兩條斷層。F1斷層為一推測整斷層,走向北東～西南,傾向130°,傾角70°,斷距大于70 m。F2斷層為一實測正斷層,處于井田深部,呈北北東～南西西向延伸,傾向300°,傾角62°,斷距大于130 m,斷層帶被同期侵入輝綠巖脈所充填。

區(qū)內(nèi)含水層自上而下分為第四系松散巖類孔隙水,白堊系碎屑巖孔隙水和侏羅系碎屑巖孔隙水三種。

3 礦區(qū)開采引發(fā)地面塌陷的危險性預測

煤礦采空區(qū)造成地面塌陷的激勵主要有三種情況:1)采空區(qū)安全頂板厚度不夠,采空區(qū)引發(fā)頂板坍塌冒頂造成地面塌陷;2)地下采空引起地下水位下降造成上覆土體失去定托后,發(fā)生的地面塌陷;3)地下大面積采空后,巖層上部失去支撐,巖體自下而上產(chǎn)生變形,最終在地面形成下沉變形的位移盆地。

長嶺煤礦含煤地層主要為二道梁子組(J3r),埋深平均280 m左右。煤層頂板屬于軟質(zhì)巖石,底板屬于中等硬度巖石。礦井現(xiàn)為斜井開拓方式,走向長壁式(崩落法)采煤方法。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)在井田采空區(qū)上方已經(jīng)出現(xiàn)了長約500 m,寬約2 cm～5 cm,深約10 cm～20 cm的非構(gòu)造性地裂縫,已對當?shù)氐母睾头课菰斐闪似茐?影響了當?shù)剞r(nóng)民的正常生產(chǎn)和生活。

3.1 地面塌陷范圍的計算

由于煤層走向長度受斷層控制,預測塌陷區(qū)北西側(cè)以F1斷層為界,北東側(cè)和南西側(cè)以儲量邊界外推影響半徑為界,南東側(cè)以儲量邊界外推影響角范圍為邊界。

依據(jù)工程地質(zhì)手冊中的主要影響角正切tanβ公式來計算:

其中,H為走向主斷面上走向邊界采深;R為地面塌陷影響半徑;β為移動角。

依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù),上述各參數(shù)如下:移動角 β=75°。平均采深H=280 m。計算求得影響半徑R=75 m。塌陷區(qū)的中心點傾斜角為37°。推算南東側(cè)邊界以儲量邊界外推373 m。

根據(jù)以上原則,經(jīng)計算預測塌陷面積約為0.526 km2。

3.2 未來塌陷的地表變形特征

礦區(qū)塌陷災害主要是由于采空區(qū)上覆巖土體發(fā)生變形、破裂和冒落而造成的,其強度與煤層厚度、傾角、采深、采厚、上覆巖層厚度和性質(zhì)、松散層厚度、開采方式等密切相關。根據(jù)我國多數(shù)礦區(qū)塌陷規(guī)律的研究,可以用深厚比來概略評估塌陷的程度,該比值越小,越容易產(chǎn)生地面塌陷。通過井田范圍的控煤鉆孔統(tǒng)計,計算其深厚比為34.6,預測區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)中等程度的地表變形。

4 采空塌陷的危害性評估

采空塌陷是一個動態(tài)變化的過程,要經(jīng)歷起始階段、活躍階段和衰退階段。塌陷區(qū)隨采空區(qū)的擴大而擴大,沉陷盆地在出現(xiàn)后也有一個自小到大的水平擴展的過程,其危害性表現(xiàn)在盆地擴展過程中引起的地表傾斜和彎曲變形會引起其上的建筑產(chǎn)生傾斜、不均勻沉降而發(fā)生損害。采空塌陷對農(nóng)田的危害主要表現(xiàn)在兩方面:1)因地裂縫引起水土流失,土壤砂化導致土壤肥力下降,使作物減產(chǎn);2)因塌陷引起農(nóng)田積水,因而喪失耕作條件。因區(qū)內(nèi)地下水位較深,危害主要表現(xiàn)在第一方面。

5 采空塌陷的防治措施

5.1 采用合理的采煤方式和頂板管理方法

1)留設保護煤柱。在需要保護的對象如村莊、井筒等的下部留出足夠尺寸的煤柱,使建筑物處于開采影響范圍之外。這種方法被認為是一種比較安全可靠的方法。2)消除開采邊界的影響。地下開采影響地面最嚴重的地方是沉陷盆地的邊緣,它位于開采邊界兩側(cè)的上方。所以在建筑物下布置回采工作面時,垂直走向的工作面應有足夠的長度,使地表出現(xiàn)充分采動,從而使建筑物位于移動盆地的平底部分。此外,當回采工作面通過建筑物下部時,應盡量加快回采速度,不能停采,尤其不得留殘柱。

5.2 建筑物結(jié)構(gòu)保護措施

1)變形縫。在井田范圍內(nèi)修建新的建筑物時將建筑物自屋頂至基礎分成若干個彼此互不相連、長度較小、剛度較好、自成變形體系的獨立單體,以減少地基反力分布的不均勻?qū)ㄖ锏挠绊?提高建筑物適應地表變形的能力,減少作用于建筑物的附加應力。2)鋼筋混凝土圈梁。設置鋼筋混凝土圈梁是提高建筑物抵抗地表變形能力的有效措施。圈梁的作用在于增強建筑整體性和剛度,提高磚石砌體的抗彎、抗剪和抗拉的強度,可在一定程度上防止或減少裂縫等破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

6 結(jié)論與建議

1)根據(jù)計算結(jié)果預測塌陷區(qū)面積約為0.526 km2,主要分布在井田及其外圍影響范圍內(nèi)。2)井田內(nèi)村莊應搬遷,地面塌陷在井田內(nèi)主要危害耕地,地質(zhì)災害危險性中等。3)加強對預測塌陷區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害監(jiān)測工作,若有災害發(fā)生跡象,應及時向有關部門報告,做好防災救災工作,在預測塌陷區(qū)內(nèi)應設立警示標志。4)采礦棄石應合理堆放和加強管理。

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