煤層開采引起的地表移動變形預(yù)計

季鯤鵬，孫炳鑫

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038）

在煤炭開采的過程中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，勢必會對地表造成一定影響，例如使地表產(chǎn)生裂縫，沉陷，發(fā)生邊坡滑坡等災(zāi)害。因此，為對開采后導(dǎo)致的地表影響程度進(jìn)行評估，對煤炭開采造成的沉陷進(jìn)行預(yù)計便具有十分重要的意義。

在開采沉陷的多種預(yù)計方法中，概率積分法以其理論基礎(chǔ)堅實(shí)、計算形式簡單、公式便于推導(dǎo)、計算速度較快等諸多特點(diǎn)而成為對開采沉陷進(jìn)行精確預(yù)計的主要方法[1～3]。針對該方法，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[4～6]。本文利用概率積分法，對某礦區(qū)工作面開采后地表變形規(guī)律進(jìn)行預(yù)計，為開采工作提供理論基礎(chǔ)。

1 預(yù)計參數(shù)與采動程度分析

該工作面走向L=1200m。傾向L=180m，煤層D=3m，平均采深H 約為280m。通過收集本礦區(qū)及周圍礦區(qū)的相關(guān)資料，確定概率積分法的5 個預(yù)計參數(shù)：下沉系數(shù)q=0.8，主要影響正切tanβ=2.2，開采影響傳播角θ=90°，拐點(diǎn)偏距s=0.01H，水平移動系數(shù)b=0.26?；谝陨项A(yù)計參數(shù)，通過概率積分法對開采后的地表移動規(guī)律進(jìn)行預(yù)計，繪制出開采后地表移動變形曲線圖。

首先應(yīng)該判斷該工作面是否達(dá)到充分采動，充分采動程度可以用采動系數(shù)n1、n3來表示。采動系數(shù)計算公式如下：

式中：n1——傾斜方向采動系數(shù)；n3——走向方向采動系數(shù)；

K1，K3——＜1 的系數(shù)，由實(shí)測資料確定，主要與覆巖性質(zhì)有關(guān)，一般是堅硬巖層時為0.7，中硬巖層時為0.8，軟弱巖層時為0.9。

通過n1和n3判別地表是否達(dá)到充分采動：當(dāng)n1＜1，n3＜1 時，雙向均為非充分采動；n1＜1，n3＞1時，傾向未達(dá)充分采動，走向超充分采動；n1＞1，n3＜1 時，傾向已達(dá)充分采動，走向?yàn)榉浅浞植蓜?；n1=1，n3=1 時，雙向均為充分采動。

根據(jù)該工作面的實(shí)際布設(shè)長度，參照上式進(jìn)行計算，可以發(fā)現(xiàn)該工作面走向方向達(dá)到超充分采動，因此可視為半無限開采；而工作面傾向方向?yàn)榉浅浞植蓜?。因此在通過概率積分法進(jìn)行計算時，傾向方向需要計算非充分采動系數(shù)。

2 地表移動變形規(guī)律分析

參照上述概率積分法預(yù)計參數(shù)，考慮充分采動程度，通過計算得出地表傾向變形曲線如圖1～4 所示。

圖1 中0 點(diǎn)位置為工作面開切眼上方考慮了拐點(diǎn)偏距的計算邊界處，由圖1 可知，工作面開采完畢后，地表傾向方向最大下沉值約達(dá)到2000mm，由于未達(dá)到充分采動，下沉曲線呈現(xiàn)漏斗形，且曲線關(guān)于采空區(qū)中心對稱。由圖2 可知，地表傾斜曲線最大值為15mm/m。最小值約為12mm/m。工作面左側(cè)地表向右側(cè)傾斜，右側(cè)地表向左側(cè)傾斜，地表變形均指向采空區(qū)中心。由圖3可知，水平移動最大值約為500mm 左右，最小值為460mm。由圖4 可知，地表最大水平變形值為7mm/m，最小為10.5mm/m。由于煤層接近水平煤層，地表地形為平地，因此上述圖1～4 地表變形曲線較為對稱。

圖1 工作面傾向主斷面下沉值曲線

圖2 工作面傾向主斷面傾斜值曲線

圖3 工作面傾向主斷面水平移動值曲線

圖4 工作面傾向主斷面水平變形值曲線

3 采動對地表的影響及治理

根據(jù)上文的預(yù)計結(jié)果，開采工作會對地表產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，會造成地面沉陷，產(chǎn)生地表裂縫，對耕地，既有建筑物、構(gòu)筑物等設(shè)施產(chǎn)生影響，可能會產(chǎn)生墻體開裂，樓房傾斜等問題。除此之外，煤礦開采的過程中，當(dāng)頂板突然發(fā)生斷裂，會產(chǎn)生類似于一次小型地震的震動，可能會使地表的巖石開裂，導(dǎo)致崩塌，滾石。針對工作面開采可能產(chǎn)生的問題，可井上、井下分別采取治理措施。

對于井上，可采取對塌陷區(qū)進(jìn)行回填的措施?；靥顣r應(yīng)按照規(guī)范分層回填，分層壓實(shí)。首先開挖至塌陷坑的頂部，將混凝土板等較為堅硬的物質(zhì)填入，再在其上方填入碎石等，最后進(jìn)行填土，并形成一定的坡度，避免后期采空區(qū)發(fā)生殘余變形導(dǎo)致地表繼續(xù)下沉，同時方便排水。此外，可根據(jù)恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的需要，對地表進(jìn)行綠化和生態(tài)恢復(fù)處理。對于井下，可考慮采用充填開采法，或采取保留煤柱的措施、或進(jìn)行離層注漿等，控制煤層頂板壓力，減弱煤層開采對地表帶來的影響。

4 結(jié)束語

本文通過收集礦區(qū)相關(guān)資料、考慮項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)條件、工作面概況，利用概率積分法對礦區(qū)工作面開采造成的地表移動規(guī)律進(jìn)行預(yù)計，得出工作面傾向方向最大下沉值、最大傾斜值、最大水平移動值及水平變形值。為以后進(jìn)行采動帶來的地表災(zāi)害評價提供了切實(shí)可行的參考和依據(jù)。