榆神府礦區(qū)煤層開采溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)研究

賀圣林，陳 真

（陜西小寶當?shù)V業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

榆神府礦區(qū)作為我國煤礦重點建設(shè)地區(qū)，目前是我國大型煤炭資源生產(chǎn)基地之一。礦區(qū)煤層賦存具有采深淺、采高大、多煤層和地表溝壑遍布等特點。近些年隨著煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)利用，導致了一系列生態(tài)環(huán)境問題，如：坡體滑坡、水土流失和植被破壞等。如何準確預計榆神府礦區(qū)地表下沉已成為治理該脆弱生態(tài)區(qū)的基礎(chǔ)，將與地表下沉系數(shù)具有較強相關(guān)性的采礦地質(zhì)條件（采高、土層、基巖厚度和溝坡角度）作為研究關(guān)鍵參數(shù)，開展榆神府礦區(qū)煤層開采溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)的研究。

1 溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)影響因素分析

收集相關(guān)參考文獻及工程資料[1-3]，統(tǒng)計黃土溝壑區(qū)地表的典型礦區(qū)工作面的參數(shù)（采高m、基巖厚度h1、土層厚度h2），以及對應的地表下沉系數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果詳見表1。

表1 礦區(qū)煤層開采覆巖分布特征與地表下沉系數(shù)統(tǒng)計表

根據(jù)黃土溝壑區(qū)地表的典型礦區(qū)工作面參數(shù)和對應下沉系數(shù)，可分析黃土溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)的主要影響因素。對表1數(shù)據(jù)進行對比分析，如下。

1）檸條塔N1201工作面下沉系數(shù)為0.52，東坡礦508工作面下沉系數(shù)為0.69。分析兩礦工作面采礦地質(zhì)條件可以發(fā)現(xiàn)，N1201工作面基巖厚度125 m，土層厚度75 m；508工作面基巖厚度103 m，土層厚度77 m，二者埋深、基巖厚度、土層厚度條件近似。但N1201工作面采高為3.90 m，508工作面采高為2.40 m。因此可以推斷采高是影響地表下沉系數(shù)的重要因素，采高與下沉系數(shù)呈正相關(guān)。

2）哈拉溝22407工作面下沉系數(shù)為0.62，韓家灣2304工作面下沉系數(shù)為0.56。分析兩礦工作面采礦地質(zhì)條件可以發(fā)現(xiàn)，22407工作面基巖厚度89 m，土層厚度42m，采高為5.39m；2304工作面基巖厚度70m，土層厚度65 m，采高為4.50 m。二者采高接近的前提下，地表下沉系數(shù)出現(xiàn)明顯差異?？梢酝茢嗍怯捎诨鶐r厚度和土層厚度的分布不同造成，因此基巖厚度和土層厚度也是溝壑區(qū)下沉系數(shù)的重要影響因素。

3）此外，黃陵一號302工作面下沉系數(shù)為0.83～0.88。工作面為近水平煤層，采高、基巖厚度和土層均勻賦存，下沉系數(shù)差異明顯的主要原因是受到地表黃土溝壑區(qū)溝坡的影響。在溝坡邊緣處地表下沉系數(shù)為0.88，遠離溝坡邊緣處，下沉系數(shù)為0.83。

綜上可知，黃土溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)的大小與采高、基巖、土層厚度和地表溝坡結(jié)構(gòu)存在聯(lián)系，如何定量分析其內(nèi)在聯(lián)系，需通過數(shù)學歸納進一步分析。

2 地表下沉系數(shù)擬合分析

2.1 影響因素取值區(qū)間

根據(jù)榆神府礦區(qū)煤層賦存特點，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，可將基本區(qū)間劃分為兩種情況。

1）將基巖厚度和土層厚度的比值JZ（JZ=h1/h2）作為溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)的單一變量，JZ＞1。

2）將基巖厚度和采高的比值JC（JC=h1/m）作為溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)的單一變量，根據(jù)覆巖破壞特征，可分為3種。當JC＜15時，煤層采動后覆巖產(chǎn)生“三帶合一”現(xiàn)象時；當15＜JC＜25時，煤層采動后覆巖僅存在垮落帶和裂縫帶；當JC＞25時，煤層采動后覆巖存在垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。

2.2 擬合分析

以基采比JC作為x軸，地表下沉系數(shù)η作為y軸，對表1的數(shù)據(jù)利用函數(shù)模型進行擬合，得到基于不同JC黃土溝壑地區(qū)地表下沉系數(shù)變化曲線圖1-1。以基載比JZ作為x軸，地表下沉系數(shù)η作為y軸，對表1的數(shù)據(jù)利用函數(shù)模型進行擬合，得到基于不同JZ黃土溝壑地區(qū)地表下沉系數(shù)變化曲線圖1-2。

圖1 地表下沉系數(shù)擬合關(guān)系曲線

由圖1可知，以JC作為影響地表下沉系數(shù)的單一變量的情況下，當30＜JC＜60時，地表下沉系數(shù)隨基采比的增長而增長。以JZ作為影響地表下沉系數(shù)的單一變量的情況下，當1.2＜JZ＜1.8時，地表下沉系數(shù)隨基載比先減小后增大，當JZ≈1.2時，地表下沉系數(shù)取極大值，當JZ≈1.65時，地表下沉系數(shù)取極小值。

根據(jù)上述規(guī)律，得到溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)擬合表達式見表2。

表2 黃土溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)擬合表達式

2.3 地表下沉系數(shù)的確定

與平地條件下開采相比，在黃土溝壑區(qū)地表下開采，黃土溝壑區(qū)地表相較于普通地表可視為一層坡體覆加在平地之上。因此黃土溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)η'計算式可由式（1）表示。

式中：η2為普通地表下沉系數(shù)；Δη為下沉系數(shù)附加值；k2為溝坡在松散層中所占比例。

3 工程實例

為了檢驗擬合表達式和下沉計算式的精確性，以檸條塔礦區(qū)黃土溝壑區(qū)下的N1114工作面為例。比較分析不同算法下的計算結(jié)果，進而驗證公示可靠性。N1114工作面開采1-2煤，采礦技術(shù)條件見表3。

表3 1-2煤層詳細數(shù)據(jù)

根據(jù)表2和式（1），對地表下沉系數(shù)進行計算，計算結(jié)果見表4。

表4 N1114工作面地表下沉主要參數(shù)

檸條塔礦區(qū)N1114工作面實測地表下沉系數(shù)0.66。以表2公示計算，以基采比計算，η1為0.582。以基載比計算，η2為0.654。與實測結(jié)果0.66相比，相對偏差為11.81%和0.91%。采用式（1）計算，η'=0.662，相對偏差為0.30%。綜上，當煤層上方為黃土溝壑區(qū)地表時，以基載比作為自變量計算地表下沉系數(shù)，相較于基采比更精確，誤差更小。同時，應考慮由于溝坡產(chǎn)生的滑移附加量，進一步提高下沉系數(shù)的預計精度。

4 結(jié)論

1）煤層采動溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)的主要影響因素為溝坡滑移量、采高、基巖與土層厚度。

2）以基載比擬合得到的溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)計算式精度較基采比更準確。

3）通過工程實例驗證了以基載比擬合的溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)計算式的可靠性，并提出應考慮溝坡滑移量，進一步提高預計精度。