采煤沉陷影響范圍確定的研究

王 芳

(山西省地質(zhì)工程勘察院，山西太原 030024)

1 概述

在我國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源和原料，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。改革開(kāi)放以來(lái)，煤炭工業(yè)取得了巨大的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)及社會(huì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但是在煤炭工業(yè)發(fā)展過(guò)程中還存在地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，并且隨著煤炭需求總量不斷增加，沉陷問(wèn)題還將進(jìn)一步加大，采煤沉陷引起的地質(zhì)災(zāi)害也越來(lái)越多的影響到礦區(qū)廣大居民的生產(chǎn)及生活，影響了社會(huì)的和諧穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每采萬(wàn)噸煤沉陷面積為4畝～5畝，在最近的50年中，采煤沉陷的土地面積約為950萬(wàn)畝，直接影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境形勢(shì)也十分嚴(yán)峻。目前，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)正處在快速、持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)展階段，對(duì)煤炭資源的需求將持續(xù)快速增長(zhǎng)，加強(qiáng)煤炭礦山環(huán)境的保護(hù)刻不容緩。為此，通過(guò)各種綜合技術(shù)措施，最大限度地開(kāi)采煤炭資源，同時(shí)使地表?yè)p害控制在允許范圍內(nèi)，探討科學(xué)、合理的方法，確定開(kāi)采影響范圍則十分必要。

2 采煤沉陷影響范圍的定界標(biāo)準(zhǔn)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，采煤沉陷地就是開(kāi)采沉陷破壞的土地。我國(guó)各地對(duì)采煤沉陷地的認(rèn)同因地表附著物的不同而存在差異，對(duì)采煤沉陷地的恢復(fù)治理也因采煤沉陷破壞土地分類(lèi)的不同，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)。各地定界采煤沉陷地標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)質(zhì)主要是對(duì)土地的破壞程度，如是否影響耕作，影響地面建筑物及具體破壞情況等。在《建筑物、水體、鐵路以及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》第十六條中明確規(guī)定:確定建筑物保護(hù)煤柱的允許地表變形值采用下列數(shù)值:傾斜i= ±3 mm/m、曲率 k= ±0．2×10－3、水平變形 ε=±2 mm/m，要求按地表變形標(biāo)準(zhǔn)確定沉陷損害邊界。

3 采煤沉陷影響范圍的劃定

本文以山西省A村為例，以實(shí)際調(diào)查為基礎(chǔ)，提出了確定采煤沉陷影響范圍的方法，如下所述。

3．1 煤礦采空邊界的確定

根據(jù)收集煤礦采掘資料及實(shí)際調(diào)查，可以確定該煤礦在A村附近只開(kāi)采15號(hào)煤層。煤礦與A村相鄰開(kāi)采區(qū)主要位于村西邊和西南邊，西邊與A村相鄰有四采區(qū)的三個(gè)采掘工作面，開(kāi)采時(shí)間依次為1992年，1992年和1990年，西南邊與A村相鄰有二采區(qū)的三個(gè)采掘工作面，開(kāi)采時(shí)間為1986年，1987年，1987年。

為準(zhǔn)確確定這些采區(qū)的開(kāi)采邊界，進(jìn)而客觀、公正的評(píng)判采煤影響范圍，本次勘查除收集了煤礦采掘資料外，還布置了地面物探工作，采用瞬變電磁和測(cè)氡的方法，確定了該煤礦采空邊界，另外還布置了一個(gè)驗(yàn)證勘探孔，驗(yàn)證孔的位置重點(diǎn)考慮了以下幾個(gè)因素:孔位選取應(yīng)具隨機(jī)性，盡量靠近物探劃定的采空區(qū)邊界線。最后經(jīng)論證，將驗(yàn)證勘探孔定在里溝渠西側(cè)山坡上，孔口高程為998．302 m，坐標(biāo)為:X=4 195 729．34，Y=644 068．14，驗(yàn)證結(jié)果為未采空。因此，本次以物探確定的煤礦采空區(qū)邊界為準(zhǔn)。

3．2 采動(dòng)影響帶高度(垂向)的計(jì)算

該煤礦開(kāi)采太原組15號(hào)煤層，該煤層傾角較平緩，一般為8°～10°，煤層頂板為灰?guī)r、細(xì)砂巖、泥巖，屬中硬類(lèi)巖石。

3．2．1 垮落帶高度計(jì)算

垮落帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中附表6-1公式計(jì)算。

其中，Hm為垮落帶高度;∑M為累計(jì)采厚。

15號(hào)煤垮落帶高度計(jì)算如下:

3．2．2 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

導(dǎo)水裂隙帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》附表6-2中公式計(jì)算。

其中，Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度;∑M為累計(jì)采厚。

代入上述公式，將15號(hào)煤導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算如下:

3．2．3 采深采厚比分析

國(guó)內(nèi)外采礦經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為:當(dāng)采深及采厚之比小于30時(shí)，煤炭采出一定面積之后，將會(huì)引起巖層移動(dòng)并波及到地表，其地表變形及沉陷在時(shí)間及空間上都會(huì)有明顯的不連續(xù)特征，地表變形劇烈，煤礦采空區(qū)上方形成較大的裂縫或者塌陷坑;當(dāng)采深與采厚之比介于30～100之間，在地層中沒(méi)有較嚴(yán)重地質(zhì)破壞情況之下，煤炭采出一定的面積之后，將會(huì)引起巖層移動(dòng)并波及到地表，其地表變形及地表沉陷在時(shí)間及空間上都有較明顯的連續(xù)性，并具有一定的分布規(guī)模，表現(xiàn)為地表移動(dòng)。當(dāng)采深與采厚之比大于100時(shí)，地表變形程度輕微。只有在拉伸區(qū)可能出現(xiàn)輕微小裂縫。

煤礦采區(qū)A村西部采深采厚比小于或接近30，易引起地面變形，因此15號(hào)煤層開(kāi)采后其采動(dòng)影響會(huì)引起上覆巖層移動(dòng)變形，波及地表引發(fā)地表彎曲變形和張性裂縫的產(chǎn)生，從而對(duì)地表建筑物造成損害。西南部采區(qū)比值為40左右，其地表變形沒(méi)有西部嚴(yán)重，地裂縫，塌陷坑較少。以上與實(shí)際調(diào)查結(jié)果相符，本次調(diào)查的地表裂縫、塌陷絕大部分位于西部采區(qū)，西南部采區(qū)除地表沉陷外，地裂縫、地表塌陷較少。

3．3 采動(dòng)影響帶寬度(平面范圍)計(jì)算

本次計(jì)算以《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)為依據(jù)。

計(jì)算方法采用垂直剖面法，具體計(jì)算如下:

1)松散層厚度L及移動(dòng)角的確定。

附近有CK1，驗(yàn)證孔，CK12'，Ⅱ-3等鉆孔剖面資料，此外還布置了探井并進(jìn)行了環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，據(jù)此確定松散層厚度L(見(jiàn)表1)。

按《規(guī)程》要求該地區(qū)參照陽(yáng)泉礦區(qū)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，圈定保護(hù)煤柱線時(shí)選用以下巖層移動(dòng)角值:

δ=γ =72°，β =72°－0．5α，φ =45°。

其中，δ，γ，β分別為走向方向，下山方向和上山方向的巖層移動(dòng)角;α為巖層傾角;φ為松散層移動(dòng)角。

2)根據(jù)采空邊界特征作橫向垂直剖面圖，共作7個(gè)。

3)在平面圖上，根據(jù)煤層底板等高線求出各剖面線與煤礦采空邊界線交點(diǎn)下方煤層埋藏深度。

4)在平面圖上量出各剖面處采空邊界線與煤層走向的夾角θ，并列于表1。計(jì)算各剖面上的斜交剖面移動(dòng)角β'，γ'值，計(jì)算方法如下:

其中，β'，γ'分別為上山方向和下山方向斜交剖面的移動(dòng)角。

將計(jì)算結(jié)果列于表1。

5)作A—A'橫向垂直剖面圖，作采空邊界線與剖面線的交點(diǎn)投影到煤層底板上，從煤層底板上的投影點(diǎn)以上山β'或下山γ'巖層移動(dòng)角作直線到基巖松散層界面，然后以松散層移動(dòng)角φ作直線與地面相交，得交點(diǎn)，該點(diǎn)即為該剖面上影響范圍的邊界。

6)用同樣方法作出 B—B'，C—C'，…，G—G'剖面上的影響范圍邊界(計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1)。

7)將所有各點(diǎn)轉(zhuǎn)繪到平面圖上，過(guò)這些點(diǎn)作與采空邊界的平行線，交點(diǎn)處即為影響帶折線的拐點(diǎn)，此線即為影響范圍邊界線。

另?yè)?jù)《規(guī)程》第十四條規(guī)定:村莊磚瓦結(jié)構(gòu)應(yīng)列為Ⅲ級(jí)保護(hù)對(duì)象，《規(guī)程》第十七條規(guī)定:Ⅲ級(jí)建(構(gòu))筑物圍護(hù)帶寬度為10 m，考慮到圍護(hù)帶范圍內(nèi)的建筑物有可能受到影響，故將影響帶范圍增加10 m。

表1 采動(dòng)影響帶寬度(平面范圍)計(jì)算

4 結(jié)語(yǔ)

1)本次勘查除收集了煤礦采掘資料外，還布置了地面物探工作，采用瞬變電磁和測(cè)氡的方法，確定了煤礦采空邊界。

2)垮落帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中附表6-1公式計(jì)算，結(jié)果為(12．71±2．2)m。

3)導(dǎo)水裂隙帶高度選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中附表6-2公式計(jì)算，結(jié)果為58．99 m。

4)采動(dòng)影響帶寬度計(jì)算以《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》為依據(jù)，方法采用垂直剖面法，確定各剖面上的影響范圍邊界，并考慮到圍護(hù)帶范圍內(nèi)的建筑物有可能受到影響，將影響帶范圍增加10 m。

［1］ 何國(guó)清，楊 倫．礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］．北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991．

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