撫順老虎臺礦地下采煤對地表建筑物的影響及成因

孫婉瑩

一、選擇課題緣由

撫順，素有“煤都”之稱，是一座因煤而立、因煤而興的美麗城市，但在百年開采后，這座曾經(jīng)創(chuàng)造過新中國工業(yè)輝煌歷史的城市，卻陷入了資源日漸枯竭、地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的泥潭，繼而走到了經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的危機(jī)邊緣……

煤炭過度開采帶來的地質(zhì)災(zāi)害，造成了撫順地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化和城市資源的加劇枯竭，引發(fā)的安全問題及社會問題令人堪憂。希望本課題引起社會各界的廣泛關(guān)注，引領(lǐng)撫順找尋治理地質(zhì)災(zāi)害的突破口，早日解決撫順面臨的地質(zhì)災(zāi)害問題，推進(jìn)撫順實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型新常態(tài)。

撫順煤炭開采主要有地下開采和露天開采兩種方式。地下開采極易造成地質(zhì)構(gòu)造局部改變，繼而帶來一系列災(zāi)害，如礦震，地面塌陷等等。撫順礦業(yè)集團(tuán)公司的龍鳳礦及老虎臺礦是兩所典型的井工煤礦，均開采于1907年，屹今約有百余年歷史，頂盛時(shí)期，日產(chǎn)量可以突破萬噸。目前，由于過度開采，導(dǎo)致?lián)犴樀刭|(zhì)條件復(fù)雜、隱患威脅嚴(yán)重，礦震頻繁發(fā)生，地表沉降、塌陷、地裂縫等等時(shí)常出現(xiàn)，這些問題一直嚴(yán)重困擾著當(dāng)?shù)鼐用裆?，現(xiàn)已成為影響撫順地區(qū)社會穩(wěn)定的主要因素之一，所以對地下開采帶來影響的防治工作刻不容緩。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，撫順礦山地質(zhì)災(zāi)害及災(zāi)害影響面積達(dá)57.8平方公里，占城市建設(shè)區(qū)的42.5%，涉及人口達(dá)30萬人。所以，深刻分析地下采煤對地表建筑物的影響極其規(guī)律，并針對影響規(guī)律進(jìn)行綜合治理，是撫順人必須深入研究的課題。

二、課題簡介

針對撫順老虎臺礦地下采煤對地表建筑帶來隱患這一問題，本文主要以撫順老虎臺礦地表穩(wěn)定性評價(jià)為工程實(shí)例，從地表移動原理、沉陷測算等方面，系統(tǒng)的闡述了撫順老虎臺礦地表移動的原因，并通過大量的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和測算，對地表穩(wěn)定性進(jìn)行探討分析，得出適合老虎臺礦沉陷計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并對老虎臺礦地表穩(wěn)定性做出評價(jià)。

三、課題的意義

在一定外界條件下地下采煤會引起大面積的地表沉降、地表變形、塌落、礦震等一系列地質(zhì)災(zāi)害，并導(dǎo)致地表建筑物的變形破壞，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來不可估量的損失。

目前，撫順礦區(qū)仍在開采大量的煤炭，開采的同時(shí)所產(chǎn)生的地表沉陷，影響和破壞著地面上的一些生產(chǎn)和生活設(shè)施，要解決好這個(gè)矛盾，必須深入研究地下開采對地面建筑的影響。

四、研究內(nèi)容、研究計(jì)劃及預(yù)期目標(biāo)

地下開采是一個(gè)十分復(fù)雜的力學(xué)時(shí)空過程，存在許多的不確定性因素。地下的煤炭被開采出來后，開采區(qū)域周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)將會受到破壞，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡，在此過程中，巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)移動、變形和非連續(xù)的破壞。要想最大限度地防治地下開采對地面建筑帶來的不利影響，需要進(jìn)行大量地表沉陷的實(shí)測與統(tǒng)計(jì)工作，才能掌握煤層開采后地表沉陷的分布形態(tài)特征。本文提出了概率積分法、典型曲線法兩種地表沉陷預(yù)測方法。

五、研究計(jì)劃

（1）學(xué)習(xí)采礦引起地表沉陷的基本理論。目標(biāo)：巖層的移動和變形、地表移動和變形對建筑物的影響、地表塌陷對地面建筑物的影響。

（2）了解撫順老虎臺礦區(qū)地質(zhì)及開采概況。目標(biāo)：地層及構(gòu)造、開采歷史、采區(qū)分布、地質(zhì)采礦技術(shù)條件。

（3）撫順老虎臺礦區(qū)開采沉陷計(jì)算。目標(biāo)：采煤地表沉陷計(jì)算、評價(jià)區(qū)域地表移動與變形分析、地表突發(fā)性塌陷可能性分析。

（4）撫順老虎臺礦區(qū)地表穩(wěn)定性評價(jià)。目標(biāo)：老虎臺礦區(qū)沉陷區(qū)分布、老虎臺礦區(qū)沉陷成因與特征分析、老虎臺礦區(qū)沉陷程度分析。

六、采用的調(diào)研、實(shí)驗(yàn)方法

1）概率積分法：通過大量的開采沉陷實(shí)驗(yàn)表明，沉陷盆地的剖面在理想情況下，曲線呈正態(tài)分布。且與概率密度分布一致，因此，整個(gè)開采引起的下沉盆地的剖面方程式可表示為概率密度函數(shù)的積分公式，故稱為概率積分法。

2）典型曲線法：典型曲線法是用典型曲線表示移動盆地主斷面上的移動和變形曲線的一種方法，它試用于矩形或近似矩形的采區(qū)的地表移動變形預(yù)測。

七、研究結(jié)論及成果

本文以開采沉陷學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，采用概率積分法對采空區(qū)地表沉陷值進(jìn)行計(jì)算，并對各個(gè)采空區(qū)地表穩(wěn)定性做出評價(jià)，得出以下結(jié)論：

1）以撫順老虎臺礦區(qū)地表穩(wěn)定性評價(jià)為工程實(shí)例，對規(guī)劃場地的地下煤層開采條件進(jìn)行深入分析，并采用概率積分法對評價(jià)區(qū)沉陷進(jìn)行計(jì)算，得出“撫順老虎臺礦區(qū)地表集中移動期為3.5年，老虎臺礦區(qū)地表沉陷不穩(wěn)定”結(jié)論。

2）對撫順老虎臺礦的開采技術(shù)條件、應(yīng)力的分布作了詳細(xì)調(diào)查，對開采引起的地表沉陷的原因、沉陷程度作了系統(tǒng)分析。最終劃分出若干個(gè)開采沉陷區(qū)，對每個(gè)開采沉陷區(qū)的沉陷情況作詳細(xì)介紹，以指導(dǎo)合理開采，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境安全。

3）希望本課題能引起國家相關(guān)方面的重視，切實(shí)把撫順市礦產(chǎn)資源的開采、地質(zhì)災(zāi)害治理、城市規(guī)劃與建設(shè)和生態(tài)與環(huán)境恢復(fù)納入?yún)^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃，給予政策和資金的重點(diǎn)扶持。