黃土坡煤礦地表沉陷預測及影響分析

王紅軍

（山西晉煤集團澤州天安煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

黃土坡煤礦地表沉陷預測及影響分析

王紅軍

（山西晉煤集團澤州天安煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

針對黃土坡煤礦的地質(zhì)條件進行了詳細的分析，在此基礎上用概率積分法預測了黃土坡煤礦的地表沉陷情況，并分別分析了地表沉陷對地面建筑物的影響、對土地資源和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的影響、對公路及輸電線路的影響、對水資源的影響、引發(fā)地質(zhì)災害對環(huán)境帶來的影響。

煤礦；地表沉陷；影響分析

1 黃土坡煤礦礦區(qū)地質(zhì)條件

井田位于華北陸臺沁水盆地的西翼，西臨霍山隆起，自中二疊紀開始，接受了大面積海陸交互相的含煤巖層沉積，經(jīng)歷了燕山運動之后，在喜山期接受了第三、四系沉積，地層總體為走向北北東，傾角南東的單斜構(gòu)造，次一級構(gòu)造多為成對且相互平行展布的背、向斜和北東東、北北東向兩組斷層；延伸較長的背、向斜?？偟淖呦驗楸北睎|向和南北向，從平面上看多呈現(xiàn)“S”型，大斷層多為走向北東的正斷層。區(qū)域地層由霍山隆起帶核部起自西向東依次出露由老到新的地層，地層出露齊全，連續(xù)性好。詳見區(qū)域地層，如表1所示。

表1 區(qū)域地層

1.1 井田構(gòu)造

本礦區(qū)位于沁水坳陷西緣，霍山隆起的東翼，大地構(gòu)造單元為一總體走向NNE，傾向SEE，傾角5°～10°的單斜構(gòu)造，并伴生有呈組呈對呈“S”形彎曲的背向斜褶曲以及走向EW向的較大斷裂構(gòu)造。

本礦區(qū)面積不大，其總體構(gòu)造為一軸向NS，傾向W E傾伏的寬緩背斜褶曲，S3背斜位于礦區(qū)南東部，與S4向斜大致呈平行展布，區(qū)內(nèi)全長為2100m，軸部地層為P2s1，西翼傾角8°～12°，東翼傾角8°～9°，兩翼基本對稱。S4向斜位于礦區(qū)中部，軸向NE17°，軸部地層為 P2s2，西翼地層這 P1x2、P1s1，傾角13°～16°，東翼地層為 P2s1，傾角一般 8°～14°，兩翼基本對稱。

除此之外，本井田邊界西北角有百草斷層，斷距180m～260m，傾角70°，走向NEE60°方向延伸，傾向SE。斷距自西減小，向東逐漸增大，區(qū)內(nèi)全長約2 200m?？偸霰镜V區(qū)構(gòu)造比較簡單。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦井工業(yè)廣場位于第四系上更新統(tǒng)表土區(qū)，地表廣為褐黃色粉質(zhì)粘土覆蓋，部分區(qū)域覆蓋有素填土。工業(yè)場地除素填土的局部地帶由于天方過程中碾壓不均，具輕微濕陷外，其他部位無濕陷性，因此可視為非濕陷性場地。

1.3 現(xiàn)狀調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，目前山西黃土坡煤礦西南部9+10號煤已經(jīng)形成采空區(qū)167 hm2，并累計造成地表沉陷及地裂縫面積約110 hm2，其中耕地約49 hm2，約占塌陷面積的44.5%，草地約37hm2，約占塌陷面積的33.6%，林地約20 hm2，約占塌陷面積的18.2%，其它約4 hm2，約占塌陷面積的3.7%。主要表現(xiàn)形式是出現(xiàn)程度不等的地裂縫、小面積滑坡及地表沉陷變形等，對地表形態(tài)的影響不顯著。

2 地表塌陷預測

（1）預測模式

最大下沉值：Wmax（m）：Wmax=M·η·cosα.

主要影響正切 tgβ與主要影響半徑 ρ（m）:ρ=H/tgβ.

最大傾斜值：Imax（mm/m）：Imax=Wmax/ρ.

最大曲率值：Kmax（10～3/m）：Kmax=±1.52Wmax/ρ2.

最大水平移動值：Umax（m）:Umax=b·Wmax.

最大水平變形值：εmax：εmax=±1.52bWmax/ρ.

式中:η為下沉系數(shù)；M為采高，m；α為煤層傾角；b為水平移動系數(shù)；H為采深，m；tgβ為主要影響正切。

（2）參數(shù)選取

該礦沒有實測巖移資料，根據(jù)礦區(qū)煤層賦存條件、地質(zhì)、地形、開采條件及覆巖和頂?shù)装鍘r性，參數(shù)選用與本礦開采方式相同、圍巖相近的煤礦類比資料，即 η=0.85，b=0.25，tgβ=2.74。

（3）地形變形預計

隨著開采深度的增加地表變形值逐漸減小。根據(jù)上述計算公式和參數(shù)，計算出黃土坡焦煤集團一號井9+10號煤層開采后，地表不同部位最大變形預計值見表2。

表2 煤層開采后地表動態(tài)最大移動變形值

（4）開采引起的地表移動時間估算

開采引起的地表移動，其移動速度是由零逐漸增大，達到一定值后，又逐漸縮小趨于零。地表移動的延續(xù)時間（T）可用以下公式計算：

式中：H為工作面平均采深，m。

該礦9+10號煤層的埋藏深度為230 m～500 m，平均354.29m，將此代入上述計算公式得，煤礦開采所引起的地表移動時間為575d～1250d，大約1.58 a～3.42a左右，平均2.42a。

（2）地表沉陷對土地資源和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的影響

根據(jù)地表沉陷的預測結(jié)果來看，全井田開采后，沉陷區(qū)總面積可達208 hm2，占生態(tài)礦區(qū)面積的13.5%，其中草地面積為89 hm2，占塌陷區(qū)總面積的42.8%，耕地面積為69 hm2，占塌陷區(qū)總面積的33.2%。林地面積為37 hm2，占塌陷區(qū)總面積的17.7%，其他約13 hm2，占塌陷區(qū)總面積的6.3%。由此可見，地表塌陷主要影響對象是耕地和草地。

根據(jù)本區(qū)地形及開采過程中的地表裂縫和沉陷情況，將土地破壞的程度分為三級，分為輕度、中度、重度三種類型。輕度破壞：地面有輕微變形，不影響農(nóng)田耕種、山林及植被生長，水土流失略有增加。中度破壞：地面塌陷破壞比較嚴重，出現(xiàn)方向明顯的裂縫、坡、坎等，影響農(nóng)田耕種，作物減產(chǎn)，也影響山林及植被生長，水土流失有輕微加劇。重度破壞：地面嚴重塌陷破壞，出現(xiàn)塌方和小滑坡，農(nóng)田、山林及植被破壞嚴重，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化。輕度破壞主要分布在井下保安煤柱上方及部分達到充分采動的采區(qū)中央地帶；中度破壞主要分布在煤柱的邊緣地帶；重度破壞主要分布在淺部煤層及地表較陡的土坡邊緣地帶。根據(jù)預測，黃土坡井田開采后沒有受到影響的耕地面積為275.82 hm2，受輕度破壞影響的耕地為19hm2，受中度破壞影響的耕地為37hm2；受重度破壞影響的耕地為13hm2。

一般情況下對于丘陵山區(qū)，受輕度破壞的耕地不經(jīng)整治就進行耕種，農(nóng)作物產(chǎn)量也基本不受影響；受中度破壞的耕地，仍可耕種但產(chǎn)量受到了影響，如果采取必要的整治措施后仍可達到原來的生產(chǎn)能力。受重度破壞的耕地暫時將完全喪失耕種的能力，但待沉陷穩(wěn)定后進行必要綜合整治，大約60%以上可以恢復耕種能力。對于無法恢復的農(nóng)田采用補償?shù)姆椒ńo受到影響的農(nóng)民直接進行經(jīng)濟補償，如果破壞的是基本農(nóng)田在其他區(qū)域另外開墾機修梯田供農(nóng)民耕種。據(jù)上述分析可以看出采取綜合整治措施后真正無法耕種的耕地只有5hm2，其中基本農(nóng)田約2hm2。

（3）地表沉陷對公路及輸電線路的影響

地表沉陷對公路的影響主要表現(xiàn)為路面低凹起伏不平、縱向坡度變大，路面開裂和塌方堵塞道路等破壞現(xiàn)象。該礦井田范圍內(nèi)主要有汾-屯省級公路和一些村鎮(zhèn)運輸?shù)缆?。該礦在開采過程中沒有專門為公路留設保安煤柱，但在回采時采取了帶式開采、矸石隨采回填和道路邊坡削坡加固等措施，因此地表沉陷對礦區(qū)公路的影響較小。該井田范圍內(nèi)有兩條10kV的輸電線路，受煤層開采影響總長度約為2.5km，最大下沉值為2.26m。電桿在地表傾斜、水平移動、下沉影響下，將產(chǎn)生傾斜和桿距的變化。桿距的變化將增大或減小電線的馳度，使電線過緊或過松，嚴重時可能拉斷電線，或者減小對地距離，超過允許安全高度。因此，在開采過程中必須采取防護措施。

（4）地表沉陷對水資源的影響

井田范圍內(nèi)沒有較大的地表積水，主要河流有礦區(qū)南側(cè)聰子峪河和北部的百草河，均屬于季節(jié)性河流，雨季洪水猛漲，過后流量變小而成為溪流。由于距井田邊界的距離遠大于地表沉陷最大影響半徑182.48m，故開采塌陷對區(qū)內(nèi)地表水沒有明顯影響。

開采9+10號煤層必然會導致上覆巖層裂隙增多，有的裂縫直通地表，在地面形成地裂縫和塌陷。裂隙的形成是貫通地下含水層的良好通道，位于裂隙處的淺層地下水就可通過這些裂隙帶著含煤地層中的有害元素進入下面的含水層，導致淺層地下水水量損失，并對下位地下水水位及水環(huán)境產(chǎn)生影響。

（5）地表沉陷引發(fā)地質(zhì)災害對環(huán)境的影響

就采煤沉陷來說，其引發(fā)的地質(zhì)災害主要有兩類:第一類是煤炭開采沉陷造成的直接影響，主要是沉陷對土地資源、房屋建筑等造成的影響。這類影響在前面已經(jīng)進行了深入分析；第二類是因煤炭開采沉陷引發(fā)的山體崩塌、滑坡或泥石流等間接影響，下面將對地表沉陷引發(fā)的山體崩塌、滑坡或泥石流的可能性作進一步分析。

是否發(fā)生滑坡等地質(zhì)災害與區(qū)域地形地貌、地質(zhì)特征以及采煤沉陷變形程度有關。本礦區(qū)地形屬中山區(qū)，井田范圍內(nèi)相對高差較大，地表大部分區(qū)域被黃土覆蓋，這樣的地質(zhì)地形條件在暴雨發(fā)生的情況下可能會發(fā)生崩塌和滑坡。但山體坡度較小、陡坡少，根據(jù)對當?shù)氐刭|(zhì)災害的現(xiàn)狀調(diào)查，當?shù)睾苌侔l(fā)生大規(guī)模的山體崩塌或滑坡，僅在坡度較陡的地方發(fā)生過小型的滑坡，一次滑坡體積小的僅有幾立方，多的也不足1萬m3。因此，當?shù)乇浪蚧碌奈：^輕。

采煤沉陷是引發(fā)山體滑坡或崩塌的因素之一。對于本井田來說開采9+10號煤層產(chǎn)生的地表沉陷深度大多在3m以下，傾斜最大0.027mm/m，這說明開采沉陷直接誘發(fā)山體滑坡或崩塌的可能性很小。

Prediction and Influence Analysis on Surface Subsidence in Huangtupo Mine

WANG Hong～jun

(Zezhou Ti an'an CoalCo.,ShanxiJi ncheng CoalGroup,Ji ncheng Shanxi048000,Chi na)

On the analysis of geological characteristics of H uangtupo mine, the probability integralmethod is used to predict the surface subsidence. Then the paper studies the influence of the surface subsidenceon buildings, land resources, agricultural economy, roads, pow er transmission lines, water resourcesand environment.

mine,surface subsidence;influence analysis

P64

A

1672-5050（2010）12-0048-03

編輯：徐樹文

2010-09-25

王紅軍（1969—），男，大學本科，工程師，從事礦山開采及生態(tài)恢復研究的工作。