黑龍江省雞西市某煤礦礦山開采預留鐵路保護煤柱預測地面沉降地質(zhì)災害評估

董學良　金英子

[摘要]文章通過對黑龍江省某煤礦礦山采用巷道地下開采方式，由于礦區(qū)內(nèi)穿越國家一級鐵路，需要預留鐵路保護煤柱計算，后對全礦井開采后地面沉降范圍、沉降量進行預測評估。

[關鍵詞]礦山開采 地面沉降 巷道 垮落式 預測評估

[中圖分類號] P694 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-351-2

1引言

黑龍江省某煤礦位于黑龍江省雞東縣東海鎮(zhèn)境內(nèi)，屬新建礦山，采用地下巷道垮落式開采方式，面積93.29km2，開采高度200至-1300m。該礦區(qū)為新建礦山未進行過開采，區(qū)內(nèi)無其它生產(chǎn)礦井、廢棄小煤窯和采空區(qū)。

礦區(qū)地貌以低山～丘陵為主，中部地勢高，南、北兩側低?？辈閰^(qū)的北部和東部為鍋盔河沖積平原，南部為穆棱河沖積平原，大、小鍋盔山分別分布于本區(qū)的中西部和中東部?？辈閰^(qū)內(nèi)地形起伏較大，最高海拔標高為392.9m，最低海拔標高為147.6m，高差為245.30m。地表大部被第四系松散沉積層覆蓋，只是在山地附近及山頂部有新近系上新統(tǒng)玄武巖出露。

區(qū)內(nèi)地層總體呈復向斜構造，軸向為SWW～NE向，主向斜南北兩側各有一個次級小背斜，被幾組不同級別、不同序次、不同方向的斷層所切割。含煤地層全區(qū)均有分布，呈SWW～NE向展布，地層傾角一般在2°～25°之間，個別層段因受斷層影響傾角可達到30°～67°。穆棱組和城子河組含煤地層產(chǎn)狀沿走向、傾向均有一定變化，斷層較發(fā)育。已施工的多數(shù)鉆孔中均發(fā)現(xiàn)侵入巖對煤層造成破壞現(xiàn)象，構造復雜程度為中等，屬第二類偏復雜。

2礦體特征

2.1穆棱組可采煤層

本區(qū)穆棱組只有4號煤層為局部可采煤層，并對其進行了資源量估算；其它煤層均為不可采煤層。該組除4號層外其它多數(shù)煤層發(fā)育不穩(wěn)定，在平面上變化很大，無法計量。

穆棱組可采煤層的主要特征如下：

Ⅰ煤層：位于穆棱組中段（主要含煤段），見煤點數(shù)16個，可采點數(shù)4個，可采面積1122.6萬km2。全層厚度（含夾石）0.92～1.42m，平均1.18m；煤層可采厚度（純煤）0.92～1.07m，平均0.96m；煤層含1～2泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸，結構簡單～復雜。局部可采，屬不穩(wěn)定煤層。

2.2城子河組可采煤層

本區(qū)城子河組中可采與局部可采煤層共計6層，自上而下分別是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ號煤層，煤層穩(wěn)定程度為不穩(wěn)定型。

各可采煤層的主要特點分述如下：

Ⅱ煤層：位于上部次要含煤段，見煤點數(shù)13個，可采點數(shù)8個，可采面積4073.1萬km2。煤層可采厚度0.75～2.16m，平均1.13m，結構單一，頂板為泥巖、粉細砂巖，底板為泥巖、中細砂巖，大部分可采，為較穩(wěn)定煤層。

Ⅲ煤層：位于中部主要含煤段，見煤點數(shù)13個，可采點數(shù)6個，可采面積1565.9萬km2。全層厚度（含夾石）0.87～2.44m，平均1.53m；煤層可采厚度（純煤）0.79～2.24米，平均1.38m；煤層結構簡單～復雜。距上部Ⅱ煤層84.93～126.04m，間距平均為106.70m，頂板為泥巖、粉細砂巖，底板為泥巖、中細砂巖，局部可采，為不穩(wěn)定煤層。

Ⅳ煤層：位于中部主要含煤段，見煤點數(shù)8個，可采點數(shù)6個，可采面積1238.9萬km2。全層厚度（含夾石）0.70～1.27m，平均1.00m；煤層可采厚度（純煤）0.70～1.27m，可采厚度平均0.93m；煤層結構單一，或含一層炭質(zhì)泥巖夾石。距上部Ⅲ煤層35.90～43.57m，間距平均為39.32m，頂板為含炭泥巖、粉細砂巖，底板為泥巖、中細砂巖，局部可采，為不穩(wěn)定煤層。

Ⅴ煤層：位于中部主要含煤段，見煤點數(shù)8個，可采點數(shù)4個，可采面積953.5萬平方米。全層厚度（含夾石）0.93～1.49m，平均1.21m；煤層可采厚度（純煤）0.89～1.49m，可采厚度平均1.14m；煤層結構單一，或含1層泥巖夾石。距上部Ⅳ煤層20.01～26.52m，間距平均為23.05m，頂板為凝灰?guī)r、細砂巖，底板為泥巖、粉砂巖，局部可采，為不穩(wěn)定煤層。

Ⅵ煤層：位于中部主要含煤段，見煤點數(shù)8個，可采點數(shù)3個，可采面積693.4萬km2。全層厚度（含夾石）0.78～0.92m，厚度平均0.85m；煤層可采厚度（純煤）0.70～0.92m，厚度平均0.82m。煤層結構單一，或含1層泥巖夾石。距上部Ⅴ煤層1.15～20.70m，間距平均為8.66m，頂板為泥巖、凝灰?guī)r，底板為凝灰?guī)r、粉細砂巖，局部可采，為不穩(wěn)定煤層。

Ⅶ煤層：位于下部含煤段，見煤點數(shù)4個，可采點數(shù)2個，可采面積1968萬km2。全層厚度（含夾石）1.16～1.26m，厚度平均1.21m；煤層可采厚度（純煤）0.97～1.16m，可采厚度平均1.07m。煤層結構單一，或含1層夾石。該層距上部Ⅵ煤層144.00～177.74m，間距平均為162.21mm，頂板為含炭泥巖、泥巖，底板為泥巖、粉細砂巖，局部可采，為不穩(wěn)定煤層。

3地面沉降地質(zhì)災害預測評估

3.1全礦井開采煤層變形量預測

根據(jù)礦區(qū)煤礦煤層賦存條件、預測采煤方法及工藝等條件，以及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中所列預計方法，對主要可采煤層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ開采后，采用概率積分法中的最大值預測方法進行全礦井地表變形量預測。模式如下：

最大下沉值：W0= M×q×cosα，mm

最大傾斜值：i0= W00 /r ，mm/m

最大曲率值：K0=1.52× W0 /r2，10-3/m

最大水平移動值：U0=b×W0，mm

最大水平變形值：ε0=1.52×b× i0，mm/m

影響半徑： r=H/ tgβ。

上式中：M—煤層開采厚度，m；

H—煤層埋藏深度，m；

α—煤層傾角，°；

r—開采影響半徑，m；

q—下沉系數(shù)；

b—水平移動系數(shù)。

地表變形計算有關基本參數(shù)確定如下：

初次采動的下沉系數(shù)為：q= 0.55-0.76

重復采動的下沉系數(shù)為：q=0.80

水平移動系數(shù)： b=0.313

初次采動影響角正切： tgβ= 1.84-2.49

重復采動影響角正切： tgβ=3.0

根據(jù)以上預測模型和有關參數(shù)對礦區(qū)煤礦可采煤層開采引起的地面沉降、傾斜、移動和變形進行預測，預測結果見表1。

可采煤層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ，煤層傾角12.1°～14.11°。

3.2鐵路受保護面積的確定依據(jù)

鐵路受保護面積包括受護對象及其周圍的圍護帶。

3.2.1受護對象的確定

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》第57條規(guī)定：按建鐵路的重要性，用途以及受開采影響引起的不同后果，將礦區(qū)范圍內(nèi)的鐵路保護等級分為四級。

鐵路保持等級劃分

保護等級 鐵路等級

Ⅰ 國家一級鐵路

Ⅱ 國家二級鐵路

Ⅲ 國家三級鐵路

Ⅳ 工礦企業(yè)（一級、二級、三級）

此次礦區(qū)內(nèi)鐵路為國家一級鐵路，其保護等級為Ⅰ級。

3.2.2圍護帶的確定

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》第59條規(guī)定：留設鐵路煤柱時，受保護面積的設計：路基兩側路基坡腳外1m為界，然后沿受護對象邊界規(guī)定向外留設圍護帶。此次礦區(qū)內(nèi)鐵路為國家一級鐵路，其保護等級為Ⅰ級，圍護帶寬度確定為20m。

建（構）筑物各保護等級煤柱的圍護帶寬度

保護煤等級 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

圍護帶寬度（m） 20 15 10 5

綜上所述，該項目地面受保護面積為項目用地范圍周邊各外延20m，大于鐵路用地范圍。

3.2.3保護煤柱范圍（壓礦面積）的確定方法

3.2.3.1剖面線的確定

建設項目形狀為帶狀其受護范圍為矩形，各邊均與煤層斜交，該建設項目壓覆煤炭資源量采用垂直剖面法。在平面圖上以建筑物用地范圍的角點歸方，外加寬20m的圍護帶，剖面線位置是在計入儲量計算的各可采煤層的最大埋深和最小埋深處做垂直于建筑物圍護帶的剖面線。

3.2.3.2剖面圖的做法

A、將委托單位提供的地形圖與各可采煤層資源儲量計算圖正確疊加。

B、建設項目的圍護帶邊界線作煤層的傾斜剖面線二條和走向剖面線兩條，然后在剖面上分別求出保護煤柱邊界。

3.2.3.3確定保護煤柱范圍的計算公式

①松散層移動角（φ）

本區(qū)松散層厚度最大為8米，松散層移動角按國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定，松散層移動角φ值取45°。

②上山、下山方向巖層移動角（β、γ）

經(jīng)查閱區(qū)域地質(zhì)報告，白堊系城子河組（K1c）、穆掕組（K1m）巖石硬度屬于中硬巖。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的205頁（雞西礦區(qū)）γ=70.8°，β=67°。

③走向移動角（δ）

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的205頁（雞西礦區(qū)）的巖層水平移動角δ=73.5°。

如剖面線不是垂直或水平于煤層的走向線，可以采用以下公式換算上山、下山巖層偽移動角（β′、γ′）。公式如下：

式中θ為剖面線與走向線夾角。

根據(jù)以上計算，鐵路兩側預留保護煤柱寬度332.69-388.64m不等。在工作區(qū)內(nèi)預留鐵路保護煤柱后，對工作區(qū)內(nèi)全礦井開采量預測地面沉降量范圍。詳見圖1。

4結論

全礦井開采后，礦區(qū)形成2個沉降區(qū)，面積分別為鐵路北側103.86km2，鐵路南側6.77 km2；沉降中心的最大沉降值為8500mm，最大傾斜值為94.94mm/m，最大曲率值為2.1408×10-3/m，最大水平移動值為2391.47mm，最大水平變形值37.64 mm/m，最大影響半徑519.48m。

沉降區(qū)域內(nèi)沉降深度為1-8.5m，其上部不適宜土地建設，僅適合倉儲類的建筑物；礦區(qū)開采前做好預測沉降區(qū)內(nèi)已有建筑物的動遷工作，礦區(qū)工業(yè)場地建議建設在鐵路預留保護煤柱上部。