杭來灣井田煤炭開采地表移動(dòng)變形預(yù)測

張博輝，賀衛(wèi)中，呂 新

(1.陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安710001;2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安710054;3.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054)

陜北是我國西部最重要的煤炭生產(chǎn)基地，采煤與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾突出，安全、科學(xué)開采不僅關(guān)系到國家能源供給，也關(guān)系到區(qū)域水資源和生態(tài)安全[1－3]。由于地下煤炭資源的大規(guī)模開采，破壞了煤層上覆巖層的穩(wěn)定，導(dǎo)致上腹巖層的破碎、垮落，進(jìn)而造成地表的下沉、塌陷和開裂，導(dǎo)致泉井干涸，河流斷流[4]，所以煤炭開采造成的地表移動(dòng)變形破壞是煤礦安全生產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻問題。如何采用合適的方法對煤炭開采引起的地表移動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，從而采取行之有效有的防治措施是目前亟待解決的主要問題。

多位專家學(xué)者就采煤沉陷預(yù)測進(jìn)行了研究，1965年，劉寶琛和廖國華在影響函數(shù)法的基礎(chǔ)上建立了非常實(shí)用的概率積分法[5];1997年鄒友峰對地表下沉系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了研究[6];2000年戴華陽、王金莊等基于傾角的變化，建立了的矢量預(yù)計(jì)法[7，8];我國學(xué)著王泳嘉和杜慶華等對邊界元法進(jìn)行了大量研究，將邊界元法引入巖層移動(dòng)研究，對均質(zhì)模型進(jìn)行了探討[9]。

杭來灣井田位于陜北風(fēng)沙灘地區(qū)，采用長臂式全部垮落法開采方式，高強(qiáng)度開采在地表產(chǎn)生了塌陷和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害[10]?，其地表沉陷的分布規(guī)律和沉陷機(jī)理在陜北風(fēng)沙灘地區(qū)具有典型性。本論文以杭來灣井田為例，以采煤沉陷基本理論為指導(dǎo)，將野外調(diào)查與室內(nèi)綜合分析相結(jié)合，運(yùn)用概率積分法對該井田的30101盤區(qū)采煤引起的地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)測，以此為該井田其他盤區(qū)以及類似井田的開采沉陷造成的損害提供科學(xué)依據(jù)[11，12]。

1 研究區(qū)概況

杭來灣井田屬于榆神礦區(qū)的一期規(guī)劃區(qū)，位于規(guī)劃區(qū)的西南部，是榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)建設(shè)的重點(diǎn)煤礦，井田東西長約 12.0 km、南北寬約 7.7 km，面積 92 km2。

井田位于鄂爾多斯盆地，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，無較大褶皺和斷裂，無明顯巖漿活動(dòng)痕跡，局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏。井田內(nèi)的地層由老至新依次為:三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、第四系下更新統(tǒng)午城組(Q1w)、中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q31s)、全新統(tǒng)沖洪積層(Q41al+pl、Q42al)、風(fēng)積層(Q42eol)。

礦井首采區(qū)301盤區(qū)的30101綜采工作面，位于杭來灣井田的東北部。設(shè)計(jì)礦井初期開采3號(hào)煤層，該煤層最大厚度 10.66 m，最小厚度 8.27 m，平均 9.13 m，煤層傾角 0.5°，為近水平煤層，構(gòu)造簡單。開采方式為傾斜長臂式全部垮落法開采。

2 采煤移動(dòng)變形分布規(guī)律

2.1 地表移動(dòng)變形規(guī)律

根據(jù)野外調(diào)查，30101工作面開采后，在其上方形成了一個(gè)大范圍移動(dòng)盆地，面積約為2.2 km2。陜西有色榆林煤業(yè)有限公司的地表移動(dòng)變形監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測到地表下沉最大值為7.25 m，傾斜變形最大值為69.1 mm/m，水平變形最大值為31.5 mm/m，主要影響半徑為91～105 m，地表最大下沉速度為 773.3 mm/d，地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間為 547.5 d。

在采空區(qū)邊界上方地表附近形成地裂縫，其發(fā)育程度與距開采邊界的距離以及開采深度有關(guān)。對本次調(diào)查裂縫的研究區(qū)域選取在一個(gè)主斷面上，其裂縫發(fā)育明顯，并且該區(qū)域的地裂縫在長時(shí)間停采后已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定。調(diào)查測量區(qū)地表上的裂縫共發(fā)育21條，裂縫走向約135°，與煤炭開采邊界走向132°大致平行;裂縫寬度不等;區(qū)域首尾裂縫寬度小(基本小于1 cm)，裂縫兩側(cè)基本無高差，區(qū)域中間的裂縫寬度較大且兩側(cè)存在高差，采空區(qū)中心的一側(cè)的裂縫低于另一側(cè)的裂縫。根據(jù)地裂縫的調(diào)查結(jié)果及該區(qū)地層資料，經(jīng)過研究計(jì)算求得產(chǎn)生地裂縫的裂縫角為89°。

2.2 采煤沉陷形成原因

當(dāng)煤層采空以后，采空區(qū)上部的覆巖及采空形成的煤柱邊邦，均形成自由面。原來的應(yīng)力平衡被破壞，在上覆巖土層重力作用下，覆巖承受的壓力隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大而增加，當(dāng)這種壓力超過煤層頂板巖石的承載力以后，頂板巖石破裂塌落形成冒落帶，進(jìn)而在其上部依次形成裂隙帶和彎曲變形帶。在彎曲帶影響下地面上造成塌陷，形成塌陷盆地或地裂縫。

影響地表沉陷的因素主要有兩個(gè):地質(zhì)條件和開采條件。地質(zhì)條件主要包括上覆巖層的巖性、巖層層位、表土層性質(zhì)和煤層傾角等;開采條件主要包括采深采厚比、開采方法以及工作面的推進(jìn)速度等。結(jié)合30101工作面的地質(zhì)條件以及開采方式對采煤沉陷進(jìn)行分析(見圖1)。

圖1 杭來灣井田采煤沉陷示意圖

3 移動(dòng)變形預(yù)測

3.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

概率積分法是我國的劉寶琛和廖國華等多位學(xué)者在影響函數(shù)法和隨機(jī)介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上提出的一種比較實(shí)用的開采沉陷預(yù)計(jì)方法[3]。其基本思想是將巖體看作為隨機(jī)介質(zhì)，把地表的移動(dòng)變形看作隨機(jī)事件且服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，把整個(gè)區(qū)域分解成無限個(gè)微小單元，根據(jù)疊加原理看作開采對地表的影響等于采區(qū)內(nèi)開采各個(gè)微小單元對地表的影響之和來計(jì)算整個(gè)開采引起的地表及巖層變形。利用概率積分法對地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)時(shí)主要用到的參數(shù)有:下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切、開采傳播角及拐點(diǎn)偏移距。李培現(xiàn)等通過綜合分析國內(nèi)礦區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行回歸計(jì)算，建立了從礦區(qū)地質(zhì)條件確定參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法 ，通過對比，表明用該方法計(jì)算出的參數(shù)與實(shí)測參數(shù)誤差較小。為缺少地表移動(dòng)實(shí)測資料的情況下獲取概率積分法的參數(shù)提供了技術(shù)保障。

表1 各個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

3.2 移動(dòng)變形預(yù)測

根據(jù)該礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性和采空區(qū)平面分布圖，對30101綜采工作面可能出現(xiàn)的沉陷進(jìn)行了預(yù)計(jì)，應(yīng)用概率積分法對30101工作面(300 m×4 252 m)進(jìn)行地表移動(dòng)預(yù)測，并使用MATLAB軟件繪制移動(dòng)變形的預(yù)測結(jié)果，結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2、3，得出的理論下沉值是關(guān)于采空區(qū)中心軸對稱的橢圓形，沉陷最大值在采空區(qū)中心，向兩側(cè)逐漸減小，在采空區(qū)傾向邊界外100 m處塌陷值小于1 cm，視為沉陷邊界，經(jīng)計(jì)算分析，該工作面的理論邊界角為68.9°。下沉等值線以采空區(qū)中心為對稱原點(diǎn)呈橢圓分布，并且橢圓的長軸位于開采工作面中心;由圖4，看出下沉曲線近似一條拋物線，在該工作面地表塌陷的理論最大值為7.17 m，理論值非常接近陜西有色榆林煤業(yè)有限公司監(jiān)測的實(shí)測最大下沉值7.25 m;理論主要影響半徑為104.42 m，該理論值在實(shí)測的91～105 m區(qū)間之內(nèi)。

圖2 開采沉陷下沉值等值線圖(m)

圖3 開采沉陷下沉值三維斜視圖

圖4 走向主斷面的下沉曲線

通過分析下沉曲線，最大下沉值位于平行于開采傾向的采空區(qū)中心區(qū)域(EOF段);在采空區(qū)傾向邊界以外的100 m處(A、B)塌陷值已小于10 mm，可看作塌陷邊界。所以下沉曲線的分布規(guī)律為:在采空區(qū)中央正上方的平地區(qū)域處地表下沉值最大，從平底盆地兩側(cè)向沉陷區(qū)邊緣逐漸減小，在移動(dòng)盆地邊界A、B處下沉值十分接近0，而且下沉曲線以采空區(qū)中心線對稱;地表移動(dòng)盆地的最大下沉值已達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大值;拐點(diǎn)處(C、D)的下沉值為最大下沉值的一半。

從圖中分析地表裂縫的分布規(guī)律，在近似平底區(qū)域EOF內(nèi)的水平變形、傾斜、曲率為0(或接近0)，此時(shí)該區(qū)域內(nèi)沒有水平方向的力，所以此區(qū)域內(nèi)的煤礦開采基本不會(huì)發(fā)生引發(fā)地裂縫;在EC和FD之間的區(qū)域該區(qū)域主要是不均勻下沉，地表的曲率為負(fù)而且水平變形也是負(fù)的，所以該區(qū)域的地表主要受壓縮而不會(huì)形成拉裂縫，裂縫主要為不均勻沉陷產(chǎn)生的裂縫;而在AC、BD段地表曲率和水平變形均為正，所以該區(qū)域的地表受拉力作用產(chǎn)生拉裂縫。

通過概率積分法計(jì)算的地表移動(dòng)變形值見表2，傾斜變形理論最大值為68.9 mm/m，實(shí)測的最大值為69.1 mm/m;水平變形理論最大值為31.38 mm/m，實(shí)測最大值為31.5 mm/m。該結(jié)果再一次證明了概率積分法在該井田的適用性與準(zhǔn)確性。

表2 走向主斷面內(nèi)各點(diǎn)的移動(dòng)變形計(jì)算值

我國一般采用針對一般磚木結(jié)構(gòu)建筑物的標(biāo)準(zhǔn):i=3 mm/m、ε=2 mm/m、k=0.2 mm/m2，是以這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最外一個(gè)值來確定危險(xiǎn)邊界，根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，可知在ε=2 mm/m處對應(yīng)的邊界為最外邊界，此時(shí)距采空區(qū)中心的距離為243 m，即取距采空區(qū)邊界93 m處為危險(xiǎn)邊界，移動(dòng)角為70.4°，同理，確定距開采邊界93 m以外為對生態(tài)環(huán)境的輕微影響區(qū)，該區(qū)沉陷盆地平緩、在地表沉陷區(qū)范圍不會(huì)出現(xiàn)拉伸裂縫，對耕地影響很小，對生態(tài)環(huán)境影響輕微，可自然恢復(fù)。裂縫角對應(yīng)的邊界是裂縫邊界，移動(dòng)角對應(yīng)的邊界是移動(dòng)邊界，邊界角對應(yīng)的地表區(qū)域是移動(dòng)盆地的沉陷邊界。而且沉陷由于地質(zhì)采礦條件簡單，以及根據(jù)移動(dòng)盆地的對稱性和實(shí)測地裂縫的分布，推測出采區(qū)內(nèi)地裂縫的分布范圍。經(jīng)過預(yù)測計(jì)算，移動(dòng)盆地的沉陷范圍面積約為2.193 km2。

(3)通過野外實(shí)測數(shù)據(jù)證明運(yùn)用概率積分法對杭來灣井田30101綜采工作面地表移動(dòng)變形的預(yù)測結(jié)果精度高，對地表移動(dòng)變形的評(píng)價(jià)迅速準(zhǔn)確，為杭來灣井田及其他類似井田的地表移動(dòng)變形預(yù)測提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語

以采煤沉陷基本理論為指導(dǎo)，將野外調(diào)查與室內(nèi)綜合分析相結(jié)合，探討采煤沉陷分布規(guī)律。以杭來灣井田30101工作面為例，運(yùn)用概率積分法對采煤引起的地表移動(dòng)變形進(jìn)行了預(yù)測。

(1)通過野外實(shí)測以及概率積分法的預(yù)測分析結(jié)果，得出煤炭開采引起地表變形的理論邊界角為68.9°，移動(dòng)角為70.4°，裂縫角為 89°，移動(dòng)盆地的沉陷范圍面積是 2.193 km2。

(2)通過概率積分法計(jì)算的地表移動(dòng)變形值，傾斜變形理論最大值為68.9 mm/m，實(shí)測的最大值為69.1 mm/m;水平變形理論最大值為31.38 mm/m，實(shí)測最大值為31.5 mm/m。該結(jié)果證明概率積分法在該井田的適用性與準(zhǔn)確性。

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