某煤礦采空區(qū)塌陷影響范圍的研究

趙 旺 陶干強(qiáng)

（南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

某煤礦采空區(qū)塌陷影響范圍的研究

趙 旺 陶干強(qiáng)

（南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

湖南某煤礦進(jìn)行井下開采后，在采空區(qū)上部及鄰近區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)部分居民房屋開裂，部分池塘、水井干涸，局部地表塌陷和漏水等嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的現(xiàn)象，在充分了解該煤礦采空區(qū)的分布情況和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，用解析法確定了采空區(qū)塌陷影響范圍，具有一定的工程實(shí)踐意義。

煤礦采空區(qū)；影響范圍；地面塌陷

0 引言

煤炭作為一種現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的能源，得到了大規(guī)模的開采和利用。市場(chǎng)需求據(jù)預(yù)測(cè)2015，2020，2030年煤炭需求量分別為37～39，39～44，45～51 億 t[1]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)開采萬噸原煤地表塌陷面積為867.1m2[2]，以38億t計(jì)算，每年造成的新增塌陷面積為3.29億hm2。在煤炭開采帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了不可忽視的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題。湖南某煤礦進(jìn)行地下開采后，在采空區(qū)上部及鄰近區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)部分居民房屋開裂，部分池塘、水井干涸，局部地表塌陷和漏水等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此在充分了解該煤礦采空區(qū)的分布情況和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行采空區(qū)塌陷影響范圍研究具有一定的工程實(shí)踐意義[3]。

1 礦山概況

該礦山開采范圍為：北起62線北55m，南至56線南40m，南北長(zhǎng)3.2 km、東西寬1.5 km，井田面積約4.8 km2，礦脈呈北東向帶狀分布。礦區(qū)內(nèi)地形起伏不大，屬丘陵山區(qū)，地勢(shì)總體為南高北低，丘陵間發(fā)育沖溝，地形坡度一般為10～25°，相對(duì)高度10～50m。地貌上屬構(gòu)造剝蝕紅色中丘地貌及侵蝕沖溝地貌，井田內(nèi)出露的地層主要有二疊系、三疊系、白堊系和第四系，各地層巖性一般多由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、石英砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤組成。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造較復(fù)雜（見圖1）。褶皺斷裂發(fā)育，以壓（扭）性斷裂為主，主要為逆掩斷層，其次為逆沖斷層，大部分是NW向，如圖中的F22、F24、F28、F34。研究?jī)?nèi)無常年水流，僅有一小溪，水量一般較小，隨季節(jié)變化明顯，具間歇性。區(qū)內(nèi)地表水體主要分布于池塘內(nèi)，水量較小，自然狀態(tài)下，與地下水無水力聯(lián)系，水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。工程地質(zhì)條件中等，需邊采邊支護(hù)。煤層厚度變化極大，出現(xiàn)大片不可采區(qū)，屬不穩(wěn)定-極不穩(wěn)定之中薄煤層。

圖1 研究區(qū)剖面地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)礦區(qū)1：5000勘探資料修編）

礦山采用斜井開拓，走向壁式采礦法采煤，邊界式通風(fēng)，分級(jí)排水，全部陷落法管理頂板。 采區(qū)共見煤層（B1、B2、B3、B4、B5、B6）6 層，主采B2、B3、B5煤層，這三個(gè)可采煤層發(fā)育程度不盡相同：B3煤層發(fā)育最好，B2煤層次之，B5煤層相對(duì)較差（見表1）。研究區(qū)內(nèi)巖體主要由神皇山組、大冶組、大隆組、龍?zhí)督M等地層組成，巖石的抗壓強(qiáng)度范圍是35.3～120.4MPa，屬較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬類巖石，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。各煤層屬薄～中厚煤層，煤層穩(wěn)定性較差，力學(xué)強(qiáng)度低，屬軟巖。

礦井建于1969年，至1988年底-100m水平以上煤層基本采完，僅剩難以利用的儲(chǔ)量和保安煤柱，1998年主斜井落底于-200m投入生產(chǎn)，至1998年底，礦山開采范圍內(nèi)-150m標(biāo)高以上煤層基本采完，部分地段采至-200m。至2002年底，-200m以上煤層已基本采完，殘留部分為煤層厚度小于可采厚度的不可采區(qū)，開拓工程已達(dá)-270m。2002年以后礦山主要開采-200～-300m水平，開采方案為-300m水平開拓方案，即暗主斜井延深開拓。2003年～2014年，暗主斜井從-200m延深開拓至-300m。

表1 可采煤層特征表

2 解析法確定塌陷影響范圍

目前國(guó)內(nèi)劃定地表塌陷范圍可根據(jù)礦區(qū)地表移動(dòng)角參數(shù)中的邊界角、移動(dòng)角或裂縫角圈定，對(duì)于低潛水位地區(qū)，以移動(dòng)角或裂縫角劃定地表塌陷范圍較為合適[4]。此礦山位于丘陵山區(qū)，故本次計(jì)算通過井上井下參考對(duì)照?qǐng)D上按移動(dòng)角劃定采空區(qū)地表塌陷影響范圍。地表的移動(dòng)和變形主要集中在開采邊界上方區(qū)域?yàn)?R的范圍內(nèi)，主要影響范圍邊界與開采邊界的直線與水平所成的夾角θ有關(guān)，塌陷區(qū)影響半徑[5]計(jì)算：R=H×tanθ。 （見圖 2），式中；R 是主要影響半徑，H 為采深，θ為巖層移動(dòng)角。地表上山移動(dòng)角取γ=70°，下山移動(dòng)角為β=70°-0.6а（а為煤層傾角），走向移動(dòng)角δ=β～70°。工作步驟為：通過礦區(qū)平面圖，確定各采空區(qū)在剖面圖具體分布位置，采用移動(dòng)角直接確定采空區(qū)的影響范圍，最后投影到地面轉(zhuǎn)換成平面影響范圍。

圖2 塌陷區(qū)影響半徑計(jì)算示意圖

3 結(jié)論

考慮到根據(jù)礦井采深情況和采動(dòng)影響需要一段時(shí)間后才能穩(wěn)定的現(xiàn)實(shí)情況，圈定了形成礦山采空區(qū)塌陷影響范圍(見圖3)。

圖3 采空區(qū)塌陷影響范圍

［1］謝和平,王金華,申寶宏,等.煤炭開采新理念:科學(xué)開采與科學(xué)產(chǎn)能[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(7):1069-1079.

［2］李枝榮.采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)[M].北京:中國(guó)科技術(shù)出版社,2007.

［3］王新剛,張龍菊,馮曉臘,等.煤礦采空區(qū)塌陷地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估研究:以烏魯木齊八道灣地區(qū)某煤礦采空區(qū)為例[J].安全與環(huán)境工程,2011,18(2):18-22.

［4］張正興,趙愛軍,李威基,等.基于空間分析的概率積分法在預(yù)測(cè)多煤層采空區(qū)塌陷中的應(yīng)用:以青海塔妥煤礦為例[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2012,23(12):94-98.

［5］段偉強(qiáng).鐵礦采空區(qū)影響范圍分析[J].中國(guó)礦業(yè),2013,22(8):94-97.

趙旺（1988—），男，碩士研究生。

湯靜］