承德三道邊地區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性評價

馬佰衡 錢龍 樊玉敬 劉碩 翟星

摘要：針對承德三道邊地區(qū)由于過度開采而出現(xiàn)的大量采空區(qū)及其安全隱患，為了減少經(jīng)濟損失，選取三道邊地區(qū)主采Ⅱ號和Ⅲ號煤層的采空區(qū)為研究對象，對其穩(wěn)定性進行綜合評價。結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件及采礦活動的具體情況，選取覆巖性質(zhì)、煤層賦存條件、開采技術(shù)條件等單個因素作為影響采空區(qū)穩(wěn)定性因素的主要參數(shù)，運用模糊數(shù)學方法建立了模糊矩陣，設置了評價因子權(quán)重，根據(jù)評價因子分級進行了綜合評價，得出不穩(wěn)定區(qū)域和欠穩(wěn)定區(qū)域，并通過部分區(qū)域鉆探、地面調(diào)查等進行驗證。結(jié)果顯示，運用模糊數(shù)學理論建立模糊矩陣對采空區(qū)評價結(jié)果與實際相符。研究結(jié)果為后續(xù)注漿治理、監(jiān)測等提供了可靠依據(jù)，同時也可為類似的采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；采空區(qū)；監(jiān)測；穩(wěn)定性評價；模糊數(shù)學理論

中圖分類號：TD3253文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx04003

承德三道邊地區(qū)具有豐富的煤資源，開采歷史也較長，解放至今經(jīng)歷了國營、集體及閉坑后群采、私采等多個階段，多年的井工開采形成了大量的地下采空區(qū)，嚴重威脅著礦區(qū)一帶居民的生命財產(chǎn)安全[1-5]。在詳細勘查的基礎上，引入模糊數(shù)學方法對該地區(qū)復雜的采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價。

1研究區(qū)概況

1.1地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)地處承德市西部、燕山山脈中段低山區(qū)，出露地層主要為薊縣系霧迷山組中厚層硅質(zhì)灰?guī)r、青白口系下馬嶺組薄層灰?guī)r及雜色頁巖、三疊系杏石口組薄層灰?guī)r和雜色頁巖及第四系松散層；區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜，褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育，以近東西走向逆斷層為主。地下水主要為碳酸巖鹽裂隙溶洞水和四系松散巖類孔隙水，受煤礦開采影響，地下水連通較好，采空區(qū)地下水基本充填[2]。

第4期馬佰衡，等：承德三道邊地區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性評價河北工業(yè)科技第35卷1.2煤層賦存情況

礦區(qū)西部主采煤層主要為Ⅱ號和Ⅲ號煤層。Ⅱ號煤層為簡單結(jié)構(gòu)煤層，煤層傾角30°～40°，厚度064～3.36 m，局部達5 m。頂板為黑色頁巖夾粉砂巖、泥巖、少量中粗砂巖，底板多為黑色高炭質(zhì)頁巖、頁巖、角礫巖；Ⅲ號煤層位于Ⅱ號煤層之下，煤層傾角30°～40°，厚度0.40～13.74 m，一般為2～4 m，位于煤系底部砂質(zhì)角礫巖之上，直接頂板為黑色高碳質(zhì)頁巖，質(zhì)較堅硬[2]。

1.3開采情況

該地區(qū)經(jīng)歷了國營、集體及閉坑后群采、私采等多個階段，開采方式為地下開采。由于煤層厚度、延伸變化較大，一般煤層采煤方法為展壁式采煤法；厚煤層采用房柱式采煤方法。由上而下開采，工作面沿煤層走向展布，傾向方向推進；頂板管理方式為完全陷落。礦區(qū)西部主采Ⅱ、Ⅲ層煤，共采了4—7個水平，每個水平開采段平均間距約為30 m。其中，1998—2000年，曾對礦區(qū)公路以南山坡地帶淺部浮煤進行了回采，回采率約70%。

2穩(wěn)定性評價

2.1評價范圍

選擇礦區(qū)西部作為評價范圍，根據(jù)礦山相關(guān)圖件中采空區(qū)的分布，圈定研究區(qū)內(nèi)大致采空區(qū)的范圍，大致按基巖70°、第四系45°錯動角圈定影響錯動范圍，結(jié)合調(diào)查分析，對局部進行了適當調(diào)整。

2.2評價方法

采取定性分析、重點驗證、結(jié)合實際選取多因子進行綜合評判的評價方法[6-9]。

2.3影響因素

結(jié)合實際，將穩(wěn)定性綜合評價因素確定為覆巖性質(zhì)、煤層賦存條件、開采技術(shù)條件、采空區(qū)形成時間、重復采動、斷層和地面變形跡象等7個方面[10-15]。

1）覆巖性質(zhì)（u1）一般而言，采空區(qū)覆巖中軟巖所占比例越大，地表越易產(chǎn)生塌陷；硬巖所占比例越大，地表越不易產(chǎn)生塌陷。

2）煤層賦存條件（u2）包括深度、厚度和傾角等。當煤層傾角介于16°～45°時，采空區(qū)地表移動變形偏向于下山方向，其移動變形范圍、移動變形值和移動時間都大于上山方向；當煤層傾角等于或大于46°，采空移動變形中心偏于下山方向，采空頂板冒落巖塊沿底板滑動或滾動堆積于下山方向，常在煤層露頭附近出現(xiàn)塌陷坑。

3）開采技術(shù)條件（u3）包括開采方式、開采順序、推進方向、采深厚比、是否充分采動、回采率及頂板管理方法等。本區(qū)頂板圍巖為較軟巖層，頂板管理為完全陷落條件。斷壁陷落法開采地表移動變形相對較小一些，但老采空區(qū)的空洞率和殘余變形都略大；巷柱式或房柱式開采回采率較低、地表變形規(guī)律差，一般淺采空區(qū)易出現(xiàn)塌陷坑或環(huán)形采空區(qū)，深采空區(qū)則地表移動變形緩慢，殘余空洞率較大；非充分采動的采空區(qū)殘余變形較大，完全充分采動的采空區(qū)經(jīng)一段時間的變形后，殘余空洞變形較小。此外，采空區(qū)地表移動變形的大小和開采深度有反比函數(shù)關(guān)系，開采深厚比越小地表越不穩(wěn)定。

4）采空區(qū)形成時間（u4）停采時間越早、采空區(qū)形成時間越早，地表穩(wěn)定性越好。在一定條件下，淺層-中層采空區(qū)存在殘余變形超過允許變形的可能。

5）重復采動（u5）重復采動導致破壞的巖體進一步變形破壞，地表變形、移動進一步加大，一般會比初次采空造成的沉陷加劇10%～20%。有重復采動的區(qū)域比未重復采動的區(qū)域相對不穩(wěn)定。

6）斷層（u6）當煤層上方覆巖中有斷層存在，且傾角大于20°、落差大于10 m時，斷層對開采沉降有明顯的影響。

7）地面變形跡象（u7）在一定的區(qū)域內(nèi)塌陷坑、地裂縫能夠最直接地反映采空區(qū)的地面穩(wěn)定狀況，其越密集，說明這一區(qū)域越不穩(wěn)定。

2.4評價分區(qū)

根據(jù)條件相識的劃分原則將研究區(qū)劃分為4個區(qū)域。詳見表1。

具體指標分區(qū)內(nèi)容①公路以南②變電站以東、公路以北③變電站以西、三道邊以東、公路以北④三道邊及公路兩側(cè)覆巖性質(zhì)

（u1）覆巖性質(zhì)（頂板圍巖）直接頂板為碳質(zhì)泥巖，間接頂板為鋁土質(zhì)泥巖泥巖（頁巖）泥巖（頁巖）第四系、局部為薄層頁巖直接頂板巖石飽和抗壓強度/MPa23.210.12<20<20煤層賦存

條件（u2）煤層厚度/m1～4.52～52～52.8～5.5煤層傾角/（°）303030—開采技術(shù)

條件

（u3）頂板管理方法完全陷落完全陷落完全陷落完全陷落開采方式展壁式展壁式展壁式巷道支護式開采順序由上而下、由南向北由上而下、由南向北由上而下、由南向北由上而下、由南向北回采率/%40～6040～6040～6060開采厚度/m2～5455采空埋深/m89～19074～19030～1405～30采空區(qū)形

成時間（u4）1985年以前、1998—2006年復采變電站以東至五石門東大巷附近，440 m水平大巷以南大部分1985年以前形成變電站以西，393 m水平機車巷道以南采空區(qū)為1989年以前形成，以北為1989—2006年間形成1998—2006年重復

采動（u5）北部未進行回采，南部進行回采煤柱進行了回采煤柱變電站東南角區(qū)域進行了回采淺層煤進行私濫挖斷層

（u6）距離斷層較遠F1逆斷層穿越F1逆斷層穿越底部存在小斷層地面變形

跡象（u7）局部出現(xiàn)塌陷坑曾出現(xiàn)塌陷坑出現(xiàn)塌陷坑、地裂縫塌陷坑發(fā)育

2.5定性評價

勘查期間內(nèi)（2012年歷時約兩個月），布設的監(jiān)測點水平、垂直位移均未發(fā)生明顯變化，其變化值均在誤差允許范圍內(nèi)，同時根據(jù)大部分區(qū)域停采時間較長、局部停采時間稍短等多種情況，可以綜合判斷該區(qū)采空區(qū)整體趨于穩(wěn)定，局部回采及私采地段穩(wěn)定性較差。

2.6綜合評價

由穩(wěn)定性影響因素分析可知，影響研究區(qū)穩(wěn)定性的因素是多方面的，只考慮一兩項因素的局限性、片面性很大，不能夠全面、客觀地反映真實情況，因此本次評價考慮選取上述7種評價因子引用模糊數(shù)學理論進行綜合評判。

2.6.1建立模糊矩陣[2]

首先建立各因子的隸屬度函數(shù)，然后根據(jù)各因子的實際值建立單因子評價矩陣。

對于數(shù)值越大對地表穩(wěn)定性影響越大的因子，其隸屬度函數(shù)為uij=1-ui，j-1（Xi），Si，j≤XiSi，j+1-XiSi，j+1-Si，j，Si，j+1≤Xi

u610～20 m二級20～30 m三級>30 m四級3個一級

u72個二級1個三級0個四級

2.6.5評價結(jié)果

將研究區(qū)劃分成50 m×50 m大小正方形網(wǎng)格，然后對每一個小格均進行模糊綜合評判，綜合評價結(jié)果見圖1、表4。選?、魠^(qū)進行鉆探驗證，鉆孔顯示采空區(qū)頂板為頁巖、泥巖，頂板部分塌落，采空區(qū)充水，與地表不穩(wěn)定變形跡象和綜合評價結(jié)果一致，符合本區(qū)實際。

穩(wěn)定性分區(qū)分區(qū)代號面積/m2分布位置綜合評判標準分區(qū)說明不穩(wěn)定Ⅳ87 004公路以南山坡—變電站地段，三道邊村—變電站地帶8～10該區(qū)域同時經(jīng)歷國有、集體及個采等多個階段，早期采空區(qū)預留煤柱進行了回采，采空區(qū)埋深89～190 m，采厚5 m，對應采深厚比為17.8～38，采空區(qū)埋藏深度由南向北逐漸加大，區(qū)域上出現(xiàn)過大量塌陷坑，區(qū)內(nèi)有東西向逆斷層通過，巖層較破碎。東南、西南角區(qū)域煤層淺，私采、回采頻繁。地表移動處于變形階段，剩余沉降量與冒裂帶厚度大。現(xiàn)狀條件下不穩(wěn)定。欠穩(wěn)定Ⅲ91 436三道邊村北部及變電站東部條帶區(qū)域5～7.5該區(qū)域采空區(qū)埋深80～200 m，采厚4～5 m，對應采深厚比為16～40，采空區(qū)埋藏深度由南向北逐漸加大， 1998-2006年對上述開采水平煤柱進行了回采，區(qū)域曾出現(xiàn)過大量塌陷坑。地表大部分處于衰退期殘余變形區(qū)，局部剩余沉降量較大?，F(xiàn)狀條件下欠穩(wěn)定?；痉€(wěn)定Ⅱ50 136變電站北部、靠近邊界地帶3～5煤層埋深較大，一般200 m以上，多留有保護煤柱，煤層厚度2～5 m，局部進行開采，地表未發(fā)現(xiàn)塌陷坑、未發(fā)現(xiàn)房屋裂縫等。區(qū)內(nèi)東西向斷裂通過。地表移動處于衰退期，剩余沉降量較小，現(xiàn)狀條件下相對較穩(wěn)定。穩(wěn)定Ⅰ2 479分布在評價區(qū)

西北角1～3區(qū)域煤層埋深大，僅進行了部分巷道工程，煤層尚未開采，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)塌陷坑?，F(xiàn)狀條件下穩(wěn)定。

3結(jié)語

運用模糊數(shù)學理論方法對承德三道邊研究區(qū)進行了穩(wěn)定性評價，評價結(jié)果給出了不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定等分區(qū)，經(jīng)部分區(qū)域鉆探、地面調(diào)查等驗證評價，結(jié)果符合客觀實際。評價結(jié)果為后續(xù)注漿治理、監(jiān)測等提供了可靠依據(jù)，同時該評價方法可為同類采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供參考。

本評價方法需要在充分掌握評價區(qū)地質(zhì)、水文、采礦等情況的基礎上應用，對各評價影響因子了解程度的要求較高；另外，評價因子權(quán)重的確定對評價人員的專業(yè)性和經(jīng)驗要求較高。因此將來可在上述方面做一些深入研究和改進。

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