礦山地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估研究
——以大灣煤礦中井采區(qū)為例

彭 路

（六盤水市應(yīng)急救援指揮中心,貴州 六盤水 553000）

1 概況

大灣煤礦位于六盤水市鐘山區(qū)北西方向，隸屬鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)和威寧縣東風(fēng)鎮(zhèn)所管轄，東南距六盤水市46km，西北至威寧縣城50km。該礦由東井、中井、西井三個(gè)采區(qū)組成，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300×104t/a，礦區(qū)面積36.266km2，其中東井及西井采區(qū)均為生產(chǎn)礦井，中井采區(qū)為技改建設(shè)礦井，采用斜井開拓方式，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90×104t/a。中井采區(qū)走向長(zhǎng)約4.8km，傾斜寬平均約1.2km，面積約8.25km2，采區(qū)內(nèi)可采和局部可采煤層從上往下為2、4、5、7、8、9、11、12號(hào)煤層，其中2、7、9、11號(hào)煤層基本全區(qū)可采，其他為局部可采。目前，采區(qū)已形成主運(yùn)輸系統(tǒng)、主排水系統(tǒng)、主通風(fēng)系統(tǒng)、瓦斯抽采系統(tǒng)、架空乘人裝置等礦井主要系統(tǒng)，正在進(jìn)行首采工作面的布置工作。

2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估

大灣煤礦中井采區(qū)目前尚在建設(shè)中，其對(duì)應(yīng)地表尚未出現(xiàn)受煤層開采而引起的地質(zhì)災(zāi)害，為對(duì)其在未來開采過程中易引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估，從以下幾個(gè)方面加以分析研究。

2.1 采區(qū)開采煤層安全深度計(jì)算與評(píng)價(jià)

大灣煤礦中井采區(qū)開拓方式為斜井開拓，分東翼和西翼進(jìn)行開采，回采工作面采用機(jī)械化落煤，走向長(zhǎng)壁式采煤法，后退式開采，全部冒落法管理頂板。主采煤層為2號(hào)、7號(hào)和11號(hào)煤層，為了確定將來地下開采煤層對(duì)地表造成的影響程度，根據(jù)《地方煤礦實(shí)用手冊(cè)》中安全煤柱的留設(shè)規(guī)定及綜合作用厚度的計(jì)算（見表1），本采區(qū)開采煤層上覆巖層為二疊系龍?zhí)督M及三疊系飛仙關(guān)組砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，屬中硬巖層，礦山類別屬Ⅱ類，其開采安全深度按下列公式計(jì)算：

表1 綜合作用厚度計(jì)算表

式中：H——采煤安全深度，m；

m——綜合作用厚度，m；

K——安全系數(shù)。

本采區(qū)按Ⅱ類礦山、Ⅱ類煤田的主要巷道級(jí)別，地面建筑物保護(hù)級(jí)別按Ⅲ級(jí)建筑物保護(hù)，則K取值為125。

經(jīng)計(jì)算,采區(qū)的安全開采深度按公式H=m×K計(jì)算，其安全開采深度為：

采區(qū)開采煤層上覆巖體厚度為200～500m，小于煤層開采安全深度903.75m。因此，采區(qū)在開采后形成的采空區(qū)及影響范圍內(nèi)上覆巖體屬不穩(wěn)定區(qū)塊，極易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 煤層開采引發(fā)和加劇地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)評(píng)估

2.2.1 采區(qū)地表沉陷預(yù)測(cè)

根據(jù)貴州水城礦業(yè)股份有限公司大灣煤礦（整合）（建設(shè)規(guī)模：300×104t/a）環(huán)境影響報(bào)告書可知，考慮到沉陷預(yù)測(cè)對(duì)礦井地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際指導(dǎo)意義，評(píng)價(jià)按照“遠(yuǎn)粗近細(xì)”的原則，將沉陷預(yù)測(cè)劃分為二個(gè)階段（見表2）。

表2 地表沉陷預(yù)測(cè)范圍特征表

注：煤層采高以煤層最大厚度計(jì)，若最大厚度小于2.2m，則以正規(guī)煤巷開拓高度2.2m作為煤層采高參加計(jì)算。系數(shù)C值《地方煤炭實(shí)用手冊(cè)》表6-34系數(shù)C值表中查得為0.85～1.0。

地表沉陷預(yù)測(cè)采用由中國(guó)礦大開發(fā)的“開采沉陷預(yù)測(cè)軟件MSPS”,對(duì)整個(gè)采區(qū)開采各個(gè)階段出現(xiàn)的地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2.2 地表移動(dòng)變形最大值預(yù)測(cè)（穩(wěn)定態(tài)）

受地形因素的影響，根據(jù)煤層開采厚度、采深及有關(guān)預(yù)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出主要單煤層開采后（考慮復(fù)采影響）產(chǎn)生地表移動(dòng)變形最大值（見表3）。

表3 地表最大移動(dòng)變形值預(yù)測(cè)表

2.2.3 首采面地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間

地表上受開采影響的點(diǎn)，從下沉開始至結(jié)束（重新穩(wěn)定）有一個(gè)時(shí)間過程，這一過程與工作面開采速度、回采深度及開采厚度等一系列因素有關(guān)。采區(qū)首采工作面開采后地表點(diǎn)（充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)）移動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間見表4。

表4 首采工作面開采后地表移動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間預(yù)計(jì)結(jié)果

2.2.4 地表裂縫產(chǎn)生預(yù)測(cè)

采區(qū)煤層開采后，預(yù)計(jì)在基巖直接出露區(qū)域及原地表有裂縫處，地表可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，以及原有裂縫的進(jìn)一步發(fā)育。在有表土覆蓋的山頂、梁茆等凸形地貌部位和凸形邊坡點(diǎn)部位，其覆蓋土體也可能會(huì)產(chǎn)生采動(dòng)裂縫。如果沒有溝谷等凹形地貌隔斷，采區(qū)周圍永久性裂縫的長(zhǎng)度可與工作面的走向長(zhǎng)度大致相當(dāng)，動(dòng)態(tài)裂縫長(zhǎng)度則大致與工作面長(zhǎng)相似。由于塑性大的粘土當(dāng)?shù)乇砝熳冃沃党^6～10mm/m時(shí)才發(fā)生裂縫，塑性小的砂質(zhì)粘土或巖石，當(dāng)?shù)乇砝熳冃芜_(dá)2～3mm/m時(shí)即發(fā)生裂縫。因此，本采區(qū)地下煤層開采后，地表會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)裂縫。

2.2.5 地表沉陷對(duì)地形地貌的影響分析

本采區(qū)中井第一階段（0～14.4a）開采后，預(yù)測(cè)主要煤層開采后最大下沉值將達(dá)到約6m，地表移動(dòng)變形范圍為4.22km2。由于本采區(qū)地處山區(qū)，地形起伏大，地表最大高差約300m，不會(huì)像平原地區(qū)那樣形成大面積明顯的下沉盆地，地表也不會(huì)形成大面積的積水區(qū)。地表沉陷對(duì)區(qū)域地表形態(tài)的影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)邊界上山的局部區(qū)域范圍內(nèi)。

2.2.6 地表沉陷對(duì)地面居民點(diǎn)建筑物的影響預(yù)測(cè)

我國(guó)“三下”采煤規(guī)程中制定了磚混（石）結(jié)構(gòu)建筑物破壞（保護(hù)）等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?！叭隆辈擅阂?guī)程判斷磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)的地表變形參數(shù)分別為水平變形ε、曲率K和傾斜i，房屋損壞等級(jí)以水平變形值為主要依據(jù)?？紤]到采區(qū)地表一般農(nóng)村建筑物質(zhì)量達(dá)不到“三下”采煤規(guī)程中要求，故評(píng)估在表5的基礎(chǔ)上提高一級(jí)磚混（石）結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)。

表5 建筑物損壞等級(jí)表

根據(jù)采區(qū)設(shè)計(jì)可采煤層和地表分布的居民點(diǎn)，以及煤柱的留設(shè)情況，采取預(yù)測(cè)軟件和計(jì)算公式相結(jié)合的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，受第一階段開采影響的居民點(diǎn)有6個(gè)，中井開采范圍內(nèi)的居民主要分布于三岔河及其支流兩側(cè)，由于受三岔河及其支流保護(hù)煤柱保護(hù)，受沉陷影響的村寨點(diǎn)較少，僅少數(shù)位于采區(qū)中部的村寨點(diǎn)受沉陷的影響，預(yù)計(jì)將有6個(gè)居民點(diǎn)建筑物將受到采區(qū)開采的Ⅲ級(jí)破壞影響，在開采過程中需對(duì)受影響的村民點(diǎn)建筑物進(jìn)行維修加固，并加強(qiáng)觀測(cè)，必要時(shí)將受影響的村寨點(diǎn)搬遷至三岔河及其支流兩側(cè)進(jìn)行安置。

2.2.7 地表沉陷對(duì)鐵路、公路的影響預(yù)測(cè)

采區(qū)內(nèi)有水大鐵路支線從東西方向穿過礦區(qū)南部，鐵路主要沿三岔河流向。根據(jù)規(guī)范，設(shè)計(jì)留設(shè)了河流及鐵路保護(hù)煤柱，鐵路、三岔河及各支流留設(shè)寬50～210m寬保護(hù)煤柱。因此，水大鐵路支線不受沉陷影響。

采區(qū)內(nèi)的公路主要是S212省道、X025縣級(jí)公路、X777縣級(jí)公路等，從地形圖上可知，S212省道沿三岔河及木沖溝流向分布，受河流及鐵路保護(hù)煤柱保護(hù)，不受沉陷影響；X025、X777縣級(jí)公路均沿河流走向分布，受三岔河及其支流保護(hù)煤柱保護(hù)，不受沉陷影響；但采區(qū)內(nèi)的部分鄉(xiāng)村公路位于開采范圍內(nèi)，可能會(huì)受到地表沉陷的一定影響。

2.2.8 地表沉陷對(duì)地表河流的影響預(yù)測(cè)

二塘河、木沖溝河均位于開采范圍外，不受沉陷影響；拖魯河受邊界煤柱保護(hù)，基本不受沉陷影響；三岔河、拱橋河、格書河等受三岔河及其支流保護(hù)煤柱保護(hù)，不受沉陷影響；采區(qū)開采范圍內(nèi)的其他地表溪溝多為季節(jié)性沖溝，受地表沉陷影響較小，但在開采過程中必須做好防范措施，做好堵漏、改道、地裂縫及塌陷地堵塞等措施。

2.2.9 地表沉陷對(duì)鐘山區(qū)關(guān)門山水庫(kù)的影響預(yù)測(cè)

鐘山區(qū)關(guān)門山水庫(kù)位于采區(qū)外東北側(cè)，分為一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)，其中一級(jí)保護(hù)區(qū)面積64.42hm2，二級(jí)保護(hù)區(qū)面積319.98hm2，采區(qū)距保護(hù)區(qū)邊界直距約520m。開采范圍主要位于井田中東部及西部，沉陷影響范圍主要位于三岔河南側(cè)，鐘山區(qū)關(guān)門山水庫(kù)距離沉陷影響區(qū)較遠(yuǎn)，水庫(kù)一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)和集雨范圍均在沉陷影響范圍外，且其間距離大于3.5km以上，因此，鐘山區(qū)關(guān)門山水庫(kù)及其一、二級(jí)保護(hù)區(qū)不受地表沉陷影響。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

中井采區(qū)地表屬剝蝕、侵蝕作用為主的中山及溝谷地貌形態(tài),地形切割較大，沖溝發(fā)育，山嶺與緩坡地帶呈帶狀展布，巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等，巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)較差，社會(huì)環(huán)境條件復(fù)雜，人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度屬?gòu)?fù)雜類型。采區(qū)煤層開采后主要的地質(zhì)災(zāi)害為地表開裂產(chǎn)生的地裂縫及局部地表沉陷，將對(duì)地表所在開采塌陷影響范圍內(nèi)建筑物產(chǎn)生開裂。

采區(qū)煤層覆巖層厚度小于計(jì)算安全開采深度，采煤生產(chǎn)將導(dǎo)致地表移動(dòng)變形，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，加劇既有地面塌陷，使其擴(kuò)大規(guī)模范圍的可能性和引發(fā)新的地裂縫、崩塌、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大。

3.2 建議

鑒于采區(qū)煤層開采造成的破壞具有不確定因素，建議今后開采時(shí)，對(duì)村寨分布密集的地段需預(yù)留足夠的保安煤柱，并對(duì)將來可能產(chǎn)生的地裂縫、地表沉陷等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，以便指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害防治工作。同時(shí)，應(yīng)編制完善應(yīng)急預(yù)案，做好預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警、宣傳等工作，若發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)采取措施，以便及時(shí)疏散附近村民和預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害可能對(duì)人畜及建筑物帶來的危害，確保人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。