關(guān)于煤礦地表沉陷預(yù)測模型和參數(shù)選取的分析

李海耀

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西太原　030001)

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關(guān)于煤礦地表沉陷預(yù)測模型和參數(shù)選取的分析

李海耀

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西太原030001)

【摘要】煤礦開采對(duì)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境影響和水環(huán)境影響方面，生態(tài)環(huán)境影響主要是煤礦開采引起地表沉陷對(duì)環(huán)境的影響，地表沉陷預(yù)測在煤礦環(huán)境影響評(píng)價(jià)中占著重要的作用，預(yù)測的正確與否直接決定著預(yù)測結(jié)論的正確性和生態(tài)恢復(fù)治理措施的合理性。在計(jì)算機(jī)軟件普及的情況下，決定地表沉陷預(yù)測的正確與否，關(guān)鍵在于預(yù)測模式及基本參數(shù)選取的，本文以現(xiàn)階段常用的預(yù)測模式為依據(jù)，分析巖移觀測資料的可利用性，同時(shí)建議國家相關(guān)部門建立巖移觀測站，完善預(yù)測模式，為環(huán)境影響預(yù)測和實(shí)際生產(chǎn)生態(tài)治理提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】煤礦開采 預(yù)測模型 參數(shù)選取

1引言

煤炭目前還是我國的主要能源之一，煤炭開采在提供大量的資源的同時(shí)對(duì)環(huán)境也造成影響較大的影響，煤炭環(huán)境影響評(píng)價(jià)是確定煤炭開采環(huán)境可行的前提，煤炭開采對(duì)環(huán)境的主要影響為水環(huán)境影響、生態(tài)環(huán)境影響，生態(tài)環(huán)境的可行性和治理措施合理可行關(guān)鍵取決于地表沉陷的影響程度，地表沉陷預(yù)測的合理性與否落在預(yù)測模式及參數(shù)選取的合理性上。目前礦井生產(chǎn)沉陷預(yù)測主要采用概率積分法，現(xiàn)有的預(yù)測模式僅適合平原地區(qū)和坡度小于30°的山區(qū)模式，坡度大于30°的地區(qū)目前沒有預(yù)測模型，主要原因是由于地下采空，造成地表下沉，坡度較大的地形產(chǎn)生滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害，該環(huán)境影響沒有規(guī)律性遵循，目前在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中屬于空白，國家環(huán)保部要求礦井建立巖移觀測站，但是，大多數(shù)礦井并未建設(shè)巖移觀測站，只有大型礦井和地形相對(duì)平坦的地區(qū)進(jìn)行了巖移觀測，大量實(shí)測數(shù)據(jù)的空白，對(duì)環(huán)境影響預(yù)測和治理造成一定的影響，即使部分礦井設(shè)立了巖移觀測站，由于資源的不共享性以及資料的可用性不確定，目前礦井沉陷影響預(yù)測參數(shù)選取只能參考開采規(guī)程，本文就現(xiàn)已生產(chǎn)的兩個(gè)礦井的巖移觀測資料進(jìn)行分析，在預(yù)測中怎樣利用和辨別巖移觀測資料，以使煤炭地表沉陷預(yù)測更加符合實(shí)際情況。

2預(yù)測模型的選取

在預(yù)測地表移動(dòng)和變形時(shí)，主要采用的預(yù)測方法有4種，典型曲線法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法，概率積分法，數(shù)值計(jì)算法，常用的方法為概率積分法，概率積分法是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示地表下沉盆地的方法，適用于常規(guī)的地表移動(dòng)和變形計(jì)算。概率積分法根據(jù)煤層分布傾斜程度，又分為緩傾斜煤層(α<15°)、傾斜煤層(15°<α<75°)和急傾斜煤層(α>75°)地表下沉盆地的移動(dòng)和變形值預(yù)測模式。根據(jù)大量礦區(qū)煤礦的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，傾斜煤層和急傾斜煤層在我國國內(nèi)分布比較少，大多數(shù)礦井開采煤層傾角小于15°，故緩傾斜煤層開采計(jì)算存在的普遍性。傾斜煤層預(yù)測模式與緩傾斜煤層的地表移動(dòng)預(yù)測模式基本相同，只是根據(jù)計(jì)算點(diǎn)的相對(duì)位置，將傾斜工作面轉(zhuǎn)換為一等價(jià)的計(jì)算面，并以等價(jià)工作面的采深替代，存在的一個(gè)簡單的轉(zhuǎn)換。急傾斜煤層開采后的地表下沉盆地表現(xiàn)為瓢形下沉盆地和兜形下沉盆地，瓢形下沉盆地的地表移動(dòng)與變形發(fā)生在頂板覆巖內(nèi)，仍可以采用等價(jià)工作面計(jì)算方法，兜形下沉盆地的地表移動(dòng)與變形已擴(kuò)展至煤層底板，可采用對(duì)深度積分的方法。

根據(jù)以上分析，一般礦井開采，沉陷規(guī)律基本符合緩傾斜煤層沉陷規(guī)律，預(yù)測基本按照緩傾斜煤層預(yù)測模式預(yù)測。

由于開采區(qū)地表的分布情況不同，緩傾斜煤層預(yù)測模型僅適用于平原地區(qū)預(yù)測，山區(qū)預(yù)測模式需要是在平原模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，依據(jù)是當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況的賦存性和地形情況。

2.1緩傾斜煤層預(yù)測模式

緩傾斜煤層預(yù)測模式為半無限開采緩傾斜煤層地表下沉主斷面地表移動(dòng)和變形值計(jì)算公式，預(yù)測模式如下：

(1)對(duì)主剖面地表移動(dòng)變形，充分采動(dòng)時(shí)按下面公式計(jì)算：

(2)非充分采動(dòng)時(shí)按下面公式計(jì)算：

(3)計(jì)算傾向主剖面公式同上，僅需以y代x，以rl(或r2)代r即可。

(4)計(jì)算充分分采動(dòng)時(shí)，地表移動(dòng)變形最大值用下列公式計(jì)算及出現(xiàn)位置：

最大下沉值：Wcm=m·q·cosα(mm)[出現(xiàn)位置：χ=∞]。

最大水平移動(dòng)值：Ucm=b·Wcm(mm)[出現(xiàn)位置：χ=0]。

2.2山區(qū)預(yù)測模式(適用于山坡平均傾角小于30°的水平和緩傾斜煤層)

山區(qū)地表任意點(diǎn)(x，y)的下沉值和任意點(diǎn)(x，y)和任意方向(φ)的水平移動(dòng)值可按下式求出：

P(x)、P(y)和P(x，y)可按下列公式計(jì)算：

式中：A、P、t為滑移影響函數(shù)參數(shù)，可根據(jù)礦區(qū)地表移動(dòng)觀測資料按多元函數(shù)回歸方法求取。滑移影響函數(shù)參數(shù)為A=2π，P=2，t=π；Wmax為該地質(zhì)采礦條件下的最大下沉值，以毫米計(jì)。

在求得山區(qū)任意點(diǎn)的下沉W′(x，y)和任意點(diǎn)任意方向的U′(x，y)φ后，按給定的點(diǎn)間水平距離d，用數(shù)值導(dǎo)數(shù)規(guī)則計(jì)算點(diǎn)和點(diǎn)間的平均垂直變形與水平變形。設(shè)相鄰點(diǎn)編號(hào)為i、j、k，則有：

3參數(shù)選取

根據(jù)以上礦井預(yù)測模式分析，利用計(jì)算機(jī)預(yù)測時(shí)需要的參數(shù)為：計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)、計(jì)算方向角()、煤層傾角(α)、采厚(b)、開采工作面的角點(diǎn)坐標(biāo)及采深(x，y，z)、下沉系數(shù)(q)、水平移動(dòng)系數(shù)(b)、主要影響角正切(tgβ)、拐點(diǎn)偏移距(S1、S2、S3、S4)、開采影響傳播角(θ)，這些數(shù)據(jù)來源均可參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(簡稱開采規(guī)程)中的地表移動(dòng)變形基本參數(shù)來確定礦井的地表移動(dòng)基本參數(shù)或者參照本礦井和周邊礦井已有地表巖移觀測資料，根據(jù)巖移觀測資料推算而得。對(duì)于山區(qū)預(yù)測模式，除去地表移動(dòng)參數(shù)還需要輸入的數(shù)據(jù)有地表傾角(α′x，y)、地表傾斜方向角(φx，y)、計(jì)算方向角(φx，y)和地表特性系Dx，y地質(zhì)采礦條件。

3.1開采規(guī)程中地表移動(dòng)基本參數(shù)的選取

參考《開采規(guī)程》選取地表移動(dòng)基本參數(shù)，主要參考表1開采規(guī)程地表移動(dòng)變形基本參數(shù)和表2覆巖性質(zhì)區(qū)分的重復(fù)采動(dòng)下沉活化系數(shù)。

表1　開采規(guī)程中地表移動(dòng)變形基本參數(shù)表

表2　覆巖性質(zhì)區(qū)分的重復(fù)采動(dòng)下沉活化系數(shù)

參數(shù)選取在實(shí)例中的應(yīng)用，上社煤礦可采煤層為5、6、9、12、15號(hào)煤層，根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告，該礦井煤層覆巖為中硬巖層，煤層傾角為4°，結(jié)合當(dāng)?shù)孛禾飬^(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地層情況，確定礦井開采地表移動(dòng)變形基本參數(shù)如下：

(1)下沉系數(shù)：初采q0=0.65，q1=0.78，q2=0.86，q3=0.9；

(2)水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.25；

(3)開采影響傳播角：θ=90°-0.65α=87.4°，α為煤層傾角，α=4°；

(4)主要影響角正切：tgβ0=2.0，tgβ1=2.2，tgβ2=2.3，tgβ3=2.4；

(5)拐點(diǎn)偏距：S=0.15H(m)；

(6)主要影響半徑：r=H/tgβ；

(7)達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)的條區(qū)尺寸：L=l≥2(r+s)。

其余需要輸入的數(shù)據(jù)均為本礦井特定指標(biāo)，一般參考礦井初步設(shè)計(jì)和地質(zhì)報(bào)告可以得出，依據(jù)開拓布置圖可以查出預(yù)測點(diǎn)相應(yīng)的拐點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)地形圖和開拓圖以及鉆孔可以獲取采深數(shù)據(jù)，煤層厚度除去初步設(shè)計(jì)給出范圍值，更加精確的可根據(jù)采區(qū)鉆孔資料獲取，煤層傾角一般礦井初步設(shè)計(jì)和地質(zhì)報(bào)告給出，山區(qū)模式還需要輸入地表傾角、地表傾斜方向角、計(jì)算方向角，地表特性系，這些數(shù)據(jù)均是在預(yù)測過程中按照軟件劃分塊區(qū)按照礦井地形地質(zhì)圖錄入特定的數(shù)據(jù)。

3.2地表巖移觀測資料參數(shù)取得

為了預(yù)測的準(zhǔn)確性，在地表沉陷預(yù)測中，一般收集本礦井及周邊礦井地表巖移觀測數(shù)據(jù)，通過反算得出地表移動(dòng)變形基本參數(shù)，該數(shù)據(jù)的可利用性成為參數(shù)正確性與否的關(guān)鍵。充分采動(dòng)時(shí)在不受外環(huán)境干擾的巖移觀測資料才可直接引用，充分采動(dòng)的前提是當(dāng)開采范圍的傾斜長度Lq、走向長度Lz都滿足大于等于2倍于影響半徑和拐點(diǎn)偏距的和，即Lq和Lz≥2(r+s)時(shí)，其采動(dòng)影響達(dá)到充分采動(dòng)條件。然而，在實(shí)際工作中，由于礦井對(duì)地表巖移觀測的工作不重視，大多數(shù)礦井并沒有進(jìn)行巖移觀測，有的礦井觀測時(shí)間較短，沒有達(dá)到充分采動(dòng)，有的觀測資料受到外環(huán)境干擾，對(duì)數(shù)據(jù)影響很大，本文就元堡煤礦和王家?guī)X煤礦的地表巖移觀測值對(duì)下沉系數(shù)進(jìn)行分析。

3.2.1元堡煤礦地表巖移觀測

元堡煤礦地處山西黃土高原晉西北低山丘陵區(qū)，井田內(nèi)全區(qū)地形起伏不大，最高點(diǎn)標(biāo)高1504.6m，最低點(diǎn)標(biāo)高1418.3m，全區(qū)最大相對(duì)高差86.3m，地形地面接近平地。2011年礦井投入試生產(chǎn)，首采工作面為1901工作面，工作面地面標(biāo)高+1441.6m，井下標(biāo)高+1187～+1246m，煤層平均埋深為241m，工作面長為196m，推進(jìn)長度為1424m，煤層平均厚度為12m，煤層穩(wěn)定，煤層傾角平均為5°，煤層上覆巖層為中硬巖層。

采用全站儀進(jìn)行觀測，共布設(shè)41個(gè)測點(diǎn)，觀測頻率為每10天一次，自2011年6月20日至2012年3月6日期間，走向觀測線觀測了13次，傾向觀測線累計(jì)觀測了9次，觀測結(jié)束時(shí)，1901工作面推進(jìn)了305m，1901綜放面采后地面移動(dòng)變形最大值匯總見表3。

表3　1901綜放面采后地面移動(dòng)變形最大值匯總表

根據(jù)元堡煤礦1901綜放工作面走向觀測線最后一次的實(shí)測下沉曲線，找出邊界下沉為10mm的位置，以此作為1901綜放面采后的影響邊界點(diǎn)，1901綜放面采后，地表最大采動(dòng)影響范圍約為162m，對(duì)應(yīng)的邊界角為54°，移動(dòng)角為68°，裂縫角為79°，主要影響角正切為1.35。根據(jù)1901工作面采后傾向測線最大下沉對(duì)應(yīng)的位置，得出1901綜放面采后地表最大下沉角為85°。為了復(fù)核巖移觀測值的合理性，采用模擬軟件UDEC4.0分析工作面采后覆巖的移動(dòng)和地表的沉陷，模擬結(jié)果為工作面300m時(shí)，地表呈現(xiàn)鍋底形狀，最大下沉量為9.6m，表明已經(jīng)達(dá)到充分采動(dòng)，充分采動(dòng)時(shí)地表最大下沉系數(shù)為0.80，水平移動(dòng)系數(shù)為0.31。

根據(jù)分析1901綜放面采后未達(dá)到充分采動(dòng)，充分采動(dòng)程度為0.911。如果在實(shí)際應(yīng)用過程中直接應(yīng)該觀測值，不進(jìn)行分析，地表下沉值將偏小于實(shí)際沉陷值。

3.2.2王家?guī)X煤礦巖移觀測

王家?guī)X煤礦位于晉西黃土高原的最南端，井田內(nèi)最高點(diǎn)標(biāo)高為1421.4m，最低點(diǎn)標(biāo)高為604.0m。20104、20105兩個(gè)工作面為首采工作面，地表標(biāo)高735-954m，首采面地質(zhì)條件簡單，煤層穩(wěn)定，平均采厚6.24m，煤層傾角5度，20105、20104工作面平均采深為250m，20105和20104工作面寬度均為250m，推進(jìn)速度670m/a。

2個(gè)工作面共設(shè)觀測站190個(gè)，觀測頻率為每周一次，觀測時(shí)間為2012年11月～2013年5月，期間獲得20104工作面累計(jì)觀測15次，最大垂直下沉量達(dá)6.5m，下沉系數(shù)1.06；20105工作面累計(jì)觀測14次，最大垂直下沉量5.1m，下沉系數(shù)為0.83。

根據(jù)工作面推進(jìn)情況，分析未達(dá)到充分采動(dòng)，充分采動(dòng)程度為0.77，但是下沉觀測系數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.83和1.06，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因?yàn)閮晒ぷ髅婷簩游挥谏綔舷旅?，與煤層相對(duì)應(yīng)的地表地形條件復(fù)雜，地表除受煤層采動(dòng)影響外還會(huì)受到傾斜地形的影響，產(chǎn)生沿傾斜方向的滑動(dòng)。地表塌陷大致沿山溝兩側(cè)分布，使得觀測數(shù)據(jù)大于煤層厚度。

4地表沉陷預(yù)測現(xiàn)階段存在的問題

我國大部分礦井位于山區(qū)丘陵區(qū)，井田范圍無論大小，預(yù)測范圍內(nèi)山體傾角大于30°的礦井很多，在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，山體傾角大于30°的山區(qū)預(yù)測模式?jīng)]有，在預(yù)測中只能利用現(xiàn)有的山區(qū)模型預(yù)測。地表巖移觀測資料難收集或者收集到的資料不完整或者存在的資料不準(zhǔn)確性，在預(yù)測時(shí)往往按照開采規(guī)程估計(jì)。在環(huán)境影響報(bào)告編制過程中，業(yè)主對(duì)現(xiàn)有采空區(qū)情況不熟悉，沒有采空區(qū)比較完整的資料和圖像，加上山區(qū)采空區(qū)可達(dá)性比較差，現(xiàn)場調(diào)查對(duì)采空區(qū)重視度不夠，調(diào)查時(shí)間短，對(duì)預(yù)測沒有直觀印象。有的礦井收集到部分巖移觀測資料，但資料的可利用性受到很大的制約，根據(jù)上述兩個(gè)礦井觀測資料可知，充分采動(dòng)是觀測資料可用的前提，觀測資料由于地質(zhì)和地形情況的復(fù)雜性，最終數(shù)據(jù)的對(duì)錯(cuò)，只有觀測數(shù)據(jù)的人做了深入和嚴(yán)格的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)類比分析對(duì)其進(jìn)行糾正才可利用。

5結(jié)論與建議

根據(jù)地表沉陷預(yù)測過程中存在的現(xiàn)狀和問題，建議國家設(shè)立巖移觀測站，由專業(yè)人員進(jìn)行觀測，通過模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際觀測相結(jié)合的手段獲取大量的數(shù)據(jù)，尤其關(guān)注山區(qū)開采影響，在此基礎(chǔ)上不斷的完善和修正預(yù)測模型，為山區(qū)沉陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理提供更多的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦采區(qū)沉降觀測階段性報(bào)告，2013，7.

[4]煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院.陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司150萬t/a礦井增加煤層項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書，2015，12.

Analysis on Surface Subsidence Prediction Model and the Parameter Selection of Coal Mining

LI Haiyao

(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry，Taiyuan Shanxi 030001)

Abstract：Coal mine mining on environment of effect main reflected in ecological environment effect and water environment effect，ecological effect main is coal mine mining caused surface subsidence on environment of effect，surface subsidence forecast in coal mine environment effect evaluation in the accounted for with important of role，forecast of right or not directly decided with forecast conclusion of correctness and ecological recovery governance measures of rationality，in computer software universal of situation Xia，decided surface subsidence forecast of right or not，key is forecast mode and the basic parameter selected of，This article was based on commonly used forecasting models at the present stage，analysis of shifting availability of observational data，and recommends that the relevant State departments moved rock Observatory，improve forecasting models provide the basis for ecological environmental impact prediction and the actual production.

Keywords：coal mining；prediction model；parameter selection

中圖分類號(hào)：X21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-288X(2016)02-0168-04

作者簡介：李海耀，工程師，主要從事于環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作

引用文獻(xiàn)格式：李海耀.關(guān)于煤礦地表沉陷預(yù)測模型和參數(shù)選取的分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：168-171.