桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部開(kāi)采沉陷影響穩(wěn)定性分析

李赟瑜

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司地質(zhì)測(cè)量部，陜西 韓城 715400)

0 引言

桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部各采掘工作面曾于1997年前回采結(jié)束。2013年韓城市人民政府“關(guān)于盡快解決桑樹(shù)坪鎮(zhèn)崖岔村北山房屋(窯洞)裂縫問(wèn)題的函”反映崖岔村33戶(hù)村民房屋出現(xiàn)裂縫系桑樹(shù)坪煤礦開(kāi)采所致。為此，針對(duì)煤礦開(kāi)采引起地面沉陷的范圍、影響程度以及穩(wěn)定時(shí)間等進(jìn)行調(diào)查研究。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)合國(guó)家有關(guān)開(kāi)采沉陷規(guī)程、有關(guān)資料和研究成果，對(duì)該區(qū)域開(kāi)采沉陷影響村莊煤柱的穩(wěn)定程度進(jìn)行了定性和定量分析。

1 采區(qū)概況

1.1 煤層開(kāi)采情況

桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部依次開(kāi)采了4301～4307等7個(gè)工作面，開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)留設(shè)了保安煤柱。從其開(kāi)采時(shí)間上劃分為2組：4301～4304工作面為一組，其開(kāi)采結(jié)束時(shí)間為1986年3月以前；4305～4307工作面為另一組，其開(kāi)采結(jié)束時(shí)間為1992年4月～1996年4月。開(kāi)采方法為分層炮采，一般為2～3個(gè)分層開(kāi)采，分層采厚均在2 m以下，全部冒落法管理頂板。

4302、4303和4304工作面距離崖岔村村民房屋較近，其煤炭開(kāi)采深度為135～278 m，煤炭開(kāi)采深度變化較大，在山谷區(qū)域煤炭埋深較淺、山梁地段煤炭埋深較大，該區(qū)域黃土覆蓋層厚度隨著地形的起伏也存在較大的變化，該區(qū)域黃土覆蓋層厚度為6～33 m，平均厚度在15 m以下。桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部各工作面開(kāi)采情況見(jiàn)表1。

表1 北一采區(qū)淺部開(kāi)采工作面情況

該區(qū)域建筑物依據(jù)地形而建，一般建設(shè)在地形較為平緩的地帶。建筑物有桑樹(shù)坪煤礦醫(yī)院、職工宿舍樓以及崖岔村的村民房屋。村民房屋大多為2002年以后建設(shè)，建筑結(jié)構(gòu)多為磚石基礎(chǔ)，木屋頂或空心樓板屋頂，一般無(wú)圈梁、地梁。村莊還有一類(lèi)建筑為黃土窯洞，分布在土坡的山腳下，大多已廢棄，有的在原窯洞位置平整后建設(shè)了平房，目前僅個(gè)別窯洞仍在使用，如圖1所示。

圖1 桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)工作面布置圖

1.2 小煤礦開(kāi)采情況

根據(jù)相關(guān)資料，位于崖岔村和桑樹(shù)坪工業(yè)廣場(chǎng)北側(cè)的禹昌煤礦在桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部進(jìn)行煤炭開(kāi)采，開(kāi)采2#、3#和11#煤層，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，其淺部資源早已枯竭，近年來(lái)主要復(fù)采桑樹(shù)坪煤礦采空區(qū)的殘余煤炭、留設(shè)的煤柱資源以及桑樹(shù)坪未開(kāi)采的2#和11#煤層，禹昌煤礦部分采掘巷道分布圖如圖2所示。

圖2 禹昌煤礦部分采掘巷道分布圖

2011年8月7日，陜西陜煤韓城礦業(yè)公司桑樹(shù)坪煤礦發(fā)生透水事故，造成礦井被淹。國(guó)家安監(jiān)總局【安委辦〔2011〕29號(hào)】明確事故原因是禹昌煤礦11#煤層底板發(fā)生突水，通過(guò)采空區(qū)進(jìn)入桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)，在280大巷密閉墻處潰入礦井。從其突水事故及調(diào)查資料看，禹昌煤礦在桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的4303、4304工作面區(qū)域?qū)?#煤、3#煤和11#煤進(jìn)行開(kāi)采。

2 礦井開(kāi)采影響分析

2.1 地表移動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間

開(kāi)采引起的地表移動(dòng)隨著開(kāi)采的結(jié)束，采空區(qū)垮落的巖石被逐漸壓實(shí)，巖層內(nèi)部應(yīng)力重新達(dá)到平衡，地表移動(dòng)也逐漸穩(wěn)定，開(kāi)采沉陷帶來(lái)的對(duì)地表及其建筑物的影響也逐漸減小。采動(dòng)影響依據(jù)地表移動(dòng)特征一般可分為移動(dòng)初始期、移動(dòng)活躍期和地表移動(dòng)衰退期3個(gè)階段。開(kāi)采引起的地表移動(dòng)一般以下沉10 mm時(shí)作為地表移動(dòng)期的開(kāi)始時(shí)間，連續(xù)6個(gè)月下沉值不超過(guò)30 mm時(shí)，可認(rèn)為地表移動(dòng)結(jié)束。因此，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間是判定地表移動(dòng)穩(wěn)定與否的依據(jù)。地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間可根據(jù)下式計(jì)算

T=2.5H0(d)

式中：H0—工作面平均采深，m；T—地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間，d。

桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的4302、4303和4304工作面，依據(jù)其開(kāi)采結(jié)束時(shí)間和開(kāi)采深度，其地表延續(xù)時(shí)間計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)工作面地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間表

由表2可以看出，桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的4302、4303和4304工作面最晚于1986年3月開(kāi)采結(jié)束，最長(zhǎng)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為688天，其對(duì)相應(yīng)區(qū)域地表的移動(dòng)于1988年初已結(jié)束。經(jīng)調(diào)查，該村村民房屋裂縫均在2002年后產(chǎn)生，與桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部開(kāi)采無(wú)關(guān)。

2.2 影響范圍計(jì)算

煤炭開(kāi)采引起的地表下沉、變形程度及范圍與開(kāi)采方法、開(kāi)采深度以及煤層賦存條件等相互關(guān)聯(lián)。為了掌握煤層開(kāi)采和地表影響范圍的關(guān)系，采用邊界角法和概率積分法2種方法進(jìn)行煤炭開(kāi)采地表影響范圍計(jì)算。

邊界角法：邊界角法是利用在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)巖層移動(dòng)觀測(cè)取得的開(kāi)采影響邊界角，劃分采動(dòng)影響區(qū)和不受采動(dòng)影響區(qū)邊界，如圖3所示。參照桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)的4310工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，綜合邊界角為56°～61°，取綜合邊界角56°劃定開(kāi)采影響范圍，如圖4所示。位于影響范圍線(xiàn)以?xún)?nèi)(開(kāi)采側(cè))的房屋會(huì)受到開(kāi)采的影響，而位于影響線(xiàn)以外的房屋不會(huì)受到開(kāi)采的影響。

圖3 邊界角劃定開(kāi)采影響邊界示意圖

概率積分法：①計(jì)算模型確定—概率積分法預(yù)計(jì)地表移動(dòng)變形是以正態(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)與變形計(jì)算，由多個(gè)工作面引起地表點(diǎn)P(x，y)的移動(dòng)與變形值是各單一工作面影響值的代數(shù)和;②計(jì)算參數(shù)選取—結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)采礦條件，確定概率積分法計(jì)算參數(shù)；③計(jì)算結(jié)果—依據(jù)4302、4303、4304工作面開(kāi)采厚度、采深等實(shí)際情況，對(duì)地表變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，經(jīng)過(guò)計(jì)算地表最大下沉為4.1 m，出現(xiàn)在開(kāi)采區(qū)域工作面中部、崖岔村北部斜坡的上端，最大傾斜42.3 mm/m、最大水平拉伸變形23.0 mm/m、最大水平壓縮變形27.0 mm/m。一般以煤炭開(kāi)采引起的地表下沉10 mm作為地表開(kāi)始移動(dòng)的界限，根據(jù)地表變形的預(yù)計(jì)結(jié)果，以預(yù)計(jì)地表下沉等值線(xiàn)10 mm線(xiàn)作為開(kāi)采影響外邊界，邊界線(xiàn)以?xún)?nèi)為開(kāi)采沉陷影響區(qū)受采動(dòng)影響，邊界線(xiàn)以外為非開(kāi)采沉陷影響區(qū)不受采動(dòng)影響，圖4為采用邊界角和概率積分法確定的開(kāi)采影響邊界線(xiàn)，邊界線(xiàn)由14個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)圈定，具體坐標(biāo)見(jiàn)表3。由上述分析可以看出，桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部開(kāi)采時(shí)留設(shè)的工業(yè)廣場(chǎng)和崖岔村保安煤柱是可靠的，4302、4303、4304工作面的開(kāi)采不會(huì)對(duì)崖岔村村民房屋造成任何影響。

表3 桑樹(shù)坪煤礦對(duì)崖岔村及工廣區(qū)域開(kāi)采影響邊界拐點(diǎn)坐標(biāo)表

圖4 桑樹(shù)坪煤礦對(duì)崖岔村及工廣區(qū)域開(kāi)采影響范圍圖

2.3 坡體地形穩(wěn)定性分析

為了更加科學(xué)地對(duì)工廣和崖岔村區(qū)域地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，依據(jù)桑樹(shù)坪煤礦的地質(zhì)鉆孔和地形圖，對(duì)桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部開(kāi)采是否對(duì)坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響進(jìn)行分析。為此繪制了沿煤層走向和傾斜的2條剖面線(xiàn)：剖面線(xiàn)位置如圖5所示，沿煤層傾向的剖面圖如圖6所示，沿煤層走向的剖面圖如圖7所示。

圖5 工廣和崖岔村區(qū)域剖面線(xiàn)位置及對(duì)照?qǐng)D

圖6 工廣和崖岔村區(qū)域沿煤層傾向剖面圖

圖7 工廣和崖岔村區(qū)域沿煤層走向剖面圖

從剖面圖可知，影響區(qū)域內(nèi)的坡體坡度為16°，基巖巖層坡度較緩，與煤層傾角基本一致，一般在3°～5°之間，由于受強(qiáng)烈的剝蝕、地表水的長(zhǎng)期沖蝕切割和風(fēng)化作用影響，部分基巖巖層缺失，形成了目前的坡體地形，坡體表層為薄層黃土覆蓋，黃土層厚度為6～33 m。

桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的開(kāi)采區(qū)域位于坡體的中上部，開(kāi)采方向與坡體傾斜方向一致，在地表下沉盆地形成過(guò)程中，從坡頂往坡腳方向逐漸下沉，崖岔村位于坡體的底部，桑樹(shù)坪煤礦在崖岔村及工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)域留設(shè)的保安煤柱，使在靠近煤柱區(qū)域下沉量逐漸減小，最終形成以坡頂區(qū)域?yàn)榕璧椎南鲁僚璧?，坡體與地下開(kāi)采下沉的關(guān)系如圖8所示。

圖8 坡體與煤地下開(kāi)采關(guān)系圖

從圖8可以看出，桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的開(kāi)采影響范圍為坡體的中上部，未對(duì)坡腳產(chǎn)生開(kāi)采影響，即不會(huì)影響崖岔村村民的房屋。

桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的開(kāi)采已于1986年前開(kāi)采結(jié)束，在無(wú)其他采掘擾動(dòng)條件下，老采空區(qū)經(jīng)過(guò)了多年的沉積、壓實(shí)，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，地表穩(wěn)定。

3 小煤礦采動(dòng)影響評(píng)價(jià)

禹昌煤礦在桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的老采空區(qū)區(qū)域進(jìn)行煤炭的復(fù)采和下層11#煤層的開(kāi)采，并于2011年8月7日發(fā)生奧灰?guī)r溶水的突水事故。新的采掘活動(dòng)將導(dǎo)致原來(lái)已穩(wěn)定的巖層應(yīng)力平衡被打破，采空區(qū)上方巖層再次發(fā)生移動(dòng)，出現(xiàn)地表變形并不可避免地活化或生成了新的地表裂縫。

崖岔村村民房屋一般建設(shè)在山腳及土崖的邊緣，屬于高陡削坡后所建，高陡削坡會(huì)引起坡體失穩(wěn)，從而對(duì)村民房屋造成破壞。從房屋裂縫形態(tài)及地表裂縫關(guān)系看，裂縫成因十分復(fù)雜，大多數(shù)房屋裂縫與房屋結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、地基以及高陡削坡等有關(guān)。禹昌煤礦在該區(qū)域的采掘活動(dòng)，對(duì)該區(qū)域地表移動(dòng)產(chǎn)生了活化影響，導(dǎo)致上覆巖層再次移動(dòng)，并產(chǎn)生了一系列的開(kāi)采損害影響，與房屋產(chǎn)生裂縫有關(guān)系。詳見(jiàn)地表裂縫分布及開(kāi)采如圖9所示。

圖9 地表調(diào)查裂縫分布及開(kāi)采對(duì)照?qǐng)D

4 結(jié)論

(1)桑樹(shù)坪煤礦在開(kāi)采4302、4303和4304等工作面時(shí)留設(shè)了保護(hù)煤柱且1986年3月停止開(kāi)采，其開(kāi)采影響的地表移動(dòng)已于1988年2月結(jié)束。當(dāng)時(shí)村民房屋也未產(chǎn)生裂縫，之后更不會(huì)對(duì)村民房屋及坡體產(chǎn)生任何影響。

(2)禹昌煤礦在桑樹(shù)坪煤礦北一采區(qū)淺部的已采區(qū)域進(jìn)行復(fù)采和11#煤層的開(kāi)采，曾經(jīng)于2011年8月7日發(fā)生奧灰?guī)r溶水的突水事故，禹昌煤礦在該區(qū)域的采掘活動(dòng)，對(duì)其地表移動(dòng)產(chǎn)生了活化影響。

(3)崖岔村村民房屋一般建設(shè)在山腳土崖附近，多為高陡削坡后所建。從房屋裂縫形態(tài)及地表裂縫分布情況看，裂縫成因十分復(fù)雜，其裂縫與房屋結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、地基以及高陡削坡失穩(wěn)等有關(guān)。