黃河流域淺埋深煤層開采冒落沉陷特征及治理復(fù)墾技術(shù)研究

張會軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 2.中國煤炭科工集團 北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013)

黃河流域煤炭資源富集，晉陜蒙寧甘地區(qū)探明煤炭資源保有儲量占全國的2/3[1]，該區(qū)域淺埋深煤層規(guī)?；_發(fā)始于20世紀90年代[2]，淺埋煤層的典型特征是埋深淺(大多在200m以下)、基巖薄、表土厚，其中鄂爾多斯礦區(qū)就是我國典型淺埋煤層開采區(qū)域之一。由淺埋煤層開采引起的覆巖破壞典型特征是頂板來壓強烈、工作面頂板易切頂冒落、覆巖破斷角大、多波及地表，地裂縫及塌陷對地表損毀嚴重等[3-5]。

國內(nèi)許多專家學(xué)者關(guān)于淺埋煤層覆巖結(jié)構(gòu)與破壞特征、頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)律與頂板控制技術(shù)及開采參數(shù)等方面開展了大量的研究工作。石平五、侯忠杰、黃慶享等教授[6-11]在頂板災(zāi)害防治與安全管理、覆巖結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性控制方面成效顯著，揭示了淺埋煤層頂板切落與壓架內(nèi)在機理、頂板來壓與地表沉降發(fā)育規(guī)律。張世凱教授等[12]針對神東礦區(qū)頂板來壓特征，開展了來壓機理和覆巖垮落規(guī)律的系統(tǒng)研究，并提出了頂板“全厚切落式”來壓的概念。采空區(qū)地表沉陷預(yù)計方面，國內(nèi)許多學(xué)者通過大量實踐研究，也取得了較多研究成果[13]。比如概率積分法[14，15]、曲線法和剖面函數(shù)法[16，17]及影響函數(shù)法等。但未就淺埋煤層開采中頂板災(zāi)害劇烈來壓、覆巖破壞冒落與地表沉陷衍生規(guī)律、采動沉陷影響區(qū)域技術(shù)治理與分區(qū)復(fù)墾等方面開展全面研究，本文以鄂爾多斯薛家灣寶通煤礦淺埋煤層實驗工作面為研究切入點，深入地開展了淺埋煤層開采頂板來壓規(guī)律、冒落沉陷特征、沉降預(yù)計、沉陷治理與復(fù)墾研究，其對淺埋煤層安全高效開采與治理復(fù)墾具有極其重要的指導(dǎo)意義。

1 礦井及工作面概況

鄂爾多斯薛家灣寶通煤礦為整合礦井，位于準格爾煤田東緣，井田面積6.3359 km2，黃河在井田東側(cè)流過，由于黃河的下切和其支溝的向源侵蝕，煤系地層在黃河西岸和沖溝內(nèi)裸露地表，地貌具有黃土高原典型的溝、峁特征。區(qū)內(nèi)標高一般在1100～1200m，黃河陡峭的基巖河岸與河灘的相對高差180～190m。礦井北部為柳安煤礦，西部為寶昌煤礦，西南角有一廢棄老窯。

井田構(gòu)造簡單，為一單斜構(gòu)造，傾向SE—SW，傾角1°～5°。礦區(qū)內(nèi)可采煤層5層(5、6、8、9、10號)，其中9號煤層為主采煤層，平均采高3.6m。埋深一般在120～160m，平均140m，為典型的淺埋深礦井，本文以1902工作面為實驗工作面，工作面長150m，走向長度900m。B5鉆孔煤巖柱狀圖如圖1所示。

圖1 B5鉆孔煤巖柱狀

2 頂板來壓實測研究

工作面頂板來壓規(guī)律研究是采場圍巖控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于淺埋深礦井具有埋深淺、基巖薄等特點，其頂板來壓特征及顯現(xiàn)規(guī)律與常規(guī)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律存在著較大的不同[18-20]。為更深入地研究淺埋礦井頂板冒落特征及礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，在1902綜采工作面集中布置6條測線(工作面長度145m，中部測線兩架一組，其余測線一架一組)，采用頂板壓力動態(tài)測試儀，全程動態(tài)監(jiān)測分析工作面支架壓力變化。分析數(shù)據(jù)選取時間從實驗當年的9月24日15時至11月13日12時，此段時間內(nèi)工作面從485m推進到635m，共推進150m。通過專用數(shù)據(jù)處理軟件進行頂板壓力顯現(xiàn)特征研究，可準確掌握工作面覆巖來壓顯現(xiàn)規(guī)律。各支架周期來壓步距見表1。由表1可知，在實驗工作面頂板來壓特征監(jiān)測期間，經(jīng)同步實時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，共捕捉到頂板10次周期來壓，最大來壓步距25.4m，最小來壓步距5.85m，平均來壓步距為12.72m。

通過深入研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，實驗工作面頂板顯現(xiàn)特征集中表現(xiàn)為頂板來壓顯現(xiàn)強烈、周期來壓規(guī)律性不明顯。

3 開采沉陷似模擬研究

3.1 模型建立

以相似理論、因次分析為依據(jù)，將相似材料模擬實驗與現(xiàn)場觀測有機結(jié)合，對研究對象開展相似模擬研究，實驗過程中根據(jù)模型的應(yīng)力、位移及破壞特征變化，用以深入全面地認識和掌握淺埋煤層長壁開采條件下覆巖運動、應(yīng)力分布及地表沉降等規(guī)律[21，22]。采用平面應(yīng)變模型研究開采過程中煤層及覆巖的移動、變形及地表沉降分布規(guī)律。

依據(jù)相似定理，并根據(jù)鄂爾多斯薛家灣寶通煤礦實驗工作面現(xiàn)場條件及實驗?zāi)Ｐ颓闆r，選取以下參數(shù)：幾何相似參數(shù)C1=1∶100；容重相似常數(shù)Cγ=1∶1.61；時間相似參數(shù)Ct=1∶10；應(yīng)力及強度相似常數(shù)Cσ=1∶1.61。

模型直接鋪裝到地表，設(shè)計高度163.7cm，其中上覆巖層厚度140cm。9#煤層為3.6cm，底板厚度為20.1cm。相似材料主要有河砂、石英砂、碳酸鈣、石膏等。實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)采用素描、拍照、量測(YHD-10型位移傳感器)、記錄等多種方式進行采集。

表1 各支架周期來壓步距

3.2 采場覆巖移動特征

在相似模擬實驗中，開展了5次頂板來壓觀測和9次裂隙帶貫通地表觀測。裂隙帶9次導(dǎo)通地表時，通過分析上覆巖層移動量，發(fā)現(xiàn)工作面開采后，煤層直接頂范圍內(nèi)的巖體均隨采隨冒，而基本頂及其上覆巖層則在工作面推進一定距離時才開始逐步垮落，這與現(xiàn)場實測工作面頂板來壓相對強烈特征基本一致，同時受煤層埋藏淺、基巖薄、表土厚等因素影響，工作面頂板周期來壓規(guī)律性不明顯。隨著工作面的推進，上覆巖層難形成較穩(wěn)定的覆巖結(jié)構(gòu)，覆巖垮落帶高度及裂隙帶高度不斷向上發(fā)展，直至裂隙帶貫通至地表。

圖2 歷次導(dǎo)通地表后地表位移變化量曲線

本次實驗中，在實驗臺上部表面(地表)共布設(shè)20個位移計，相鄰間隔16.84cm。根據(jù)實際開挖進度，全程記錄地表下沉量監(jiān)測值。實驗結(jié)束后，每間隔一天相應(yīng)記錄完全采動后下沉數(shù)據(jù)。實驗觀察發(fā)現(xiàn)，基本頂周期來壓裂隙未導(dǎo)通地表時，地表下沉量無明顯變化。一旦來壓后導(dǎo)通地表，將引起地表下沉，整理數(shù)據(jù)得出地表下沉變化量的曲線，如圖2所示。

4 開采沉陷預(yù)計分析

在開采沉陷預(yù)計方面，國內(nèi)專家學(xué)者已有較多技術(shù)成果，其中概率積分法應(yīng)用最為廣泛，具有參數(shù)容易確定、實用性強等優(yōu)點。開采引起的地表移動過程，受開采深度、開采方法、開采厚度及礦體的產(chǎn)狀等多因素影響，地表移動和破壞的形式也不完全相同[23-26]。薛家灣寶通煤礦屬典型淺埋礦井，且其井田大部分區(qū)域為風(fēng)化帶，采空區(qū)上覆巖層頂部基巖風(fēng)化嚴重，加之受工作面頂板來壓交替影響，其非勻稱、偶變沉陷特征將更為顯著。采用概率積分法對薛家灣寶通煤礦礦區(qū)采動沉陷預(yù)計開展研究[27]，其參數(shù)選取見表2，地表沉陷預(yù)計結(jié)果見表3。

表2 概率積分法預(yù)計全采參數(shù)選取

5 采空區(qū)治理復(fù)墾技術(shù)研究

5.1 采空區(qū)補強勘察

薛家灣寶通煤礦為原小型煤礦整合礦井，礦區(qū)位于峁梁之上，峁梁南北兩側(cè)被小焦稍溝的支溝環(huán)繞，平時以基巖裂隙水補給為主；集中雨季，溝谷又匯集雨水注入黃河。地表構(gòu)筑物主要有電廠至小沙灣Ⅰ回、電廠至小沙灣Ⅱ回、唐黑線、進場公路。經(jīng)調(diào)研核實已知采空區(qū)面積僅為0.25km2，礦井周邊存在隱蔽采空區(qū)域。采用高密度電法和瞬變電磁法對未知1.99km2進行補強勘察，后續(xù)新增采空區(qū)面積0.67km2。

表3 地表沉陷預(yù)計結(jié)果

5.2 懸頂老空區(qū)治理

在采空區(qū)補強勘察的基礎(chǔ)上，依據(jù)老空區(qū)地表周邊建(構(gòu))筑物狀況、周圍開采規(guī)劃，對采空區(qū)的安全隱患、危害程度進行評價，合理確定出老空區(qū)頂板未塌陷區(qū)域且需要對其進行處理的區(qū)域范圍(主要集中在地表公路區(qū)域)，并對該范圍內(nèi)的相關(guān)對象提出注漿充填技術(shù)方案，詳細內(nèi)容見表4。

表4 公路下采空區(qū)治理技術(shù)方案

5.3 開采沉陷區(qū)土地復(fù)墾技術(shù)方案

薛家灣寶通煤礦區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)脆弱，生態(tài)系統(tǒng)簡單，植物種類少，數(shù)量也較少。本區(qū)土壤主要有4個類型，即栗鈣土、粗骨土、潮土、風(fēng)沙土，其中栗鈣土為本區(qū)主要地帶土壤。區(qū)內(nèi)干旱多風(fēng)、暴雨集中，水土流失和土地沙漠化嚴重。特別是伴隨礦井開發(fā)建設(shè)，改變了土地的原有使用功能，礦井配套設(shè)施的建設(shè)及產(chǎn)生的廢物都將占用大面積的土地，毀壞自然植被，同時受開采沉陷影響，土壤結(jié)構(gòu)變松，涵水抗蝕性降低，降低了土地生產(chǎn)能力。煤層開采引起的裂隙帶不斷拓展延深，進一步加速了有關(guān)裂隙帶的貫通，地表水體和地下水可能沿裂隙產(chǎn)生透水、下滲，改變地表植物耕層水分原有的動態(tài)關(guān)系，使上覆土壤更趨干燥，更不利于植物生長。

煤礦土地破壞程度與塌陷深度、地表坡度變化以及塌陷裂縫的寬度和深度緊密相關(guān)。綜合考慮國內(nèi)外采煤沉陷土地破壞程度分區(qū)的相關(guān)成果和經(jīng)驗，并結(jié)合寶通煤礦實際條件，建立了地表沉陷土地破壞程度的分級標準，見表5。

表5 土地破壞程度等級分級指標

在采空區(qū)實地調(diào)查和物探補勘的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合土地破壞程度等級分級指標，經(jīng)研究分析初步確定出了寶通煤礦的土地破壞面積，見表6。并結(jié)合現(xiàn)場的實際條件，提出了對應(yīng)工程復(fù)墾技術(shù)手段和復(fù)墾標準，見表7。

表6 煤礦開采沉陷后土地破壞面積

表7 礦區(qū)復(fù)墾技術(shù)方案

6 結(jié) 論

1)通過開展現(xiàn)場實測和相似模擬研究分析發(fā)現(xiàn)，實驗工作面覆巖來壓顯現(xiàn)強烈、來壓規(guī)律周期性不明顯，基本頂及其上覆巖層隨工作面推進滯后垮落?；卷斨芷趤韷毫严段磳?dǎo)通地表時，地表下沉量無明顯變化。一旦來壓后導(dǎo)通地表，將引起地表下沉，這就進一步增加了現(xiàn)場安全防控難度。

2)通過采用概率積分法開展淺埋煤層沉降預(yù)計分析，初步確定了開采引起的沉降、傾斜、水平及沉降面積等關(guān)鍵參數(shù)，為開展土地損毀統(tǒng)計調(diào)研工作奠定了基礎(chǔ)。

3)采空區(qū)實地調(diào)查和物探補勘技術(shù)成果確定了采空區(qū)的實際分布范圍，建立土地破壞分級指標并實現(xiàn)了不同等級土地破壞面積劃分，同時對特殊懸空區(qū)域提出了治理工程技術(shù)方案和開采沉陷影響區(qū)的工程復(fù)墾技術(shù)方案。