張博輝，賀衛(wèi)中，呂 新

(1.陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安710001;2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安710054;3.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西西安710054)

陜北是我國西部最重要的煤炭生產(chǎn)基地，采煤與生態(tài)環(huán)境保護矛盾突出，安全、科學開采不僅關(guān)系到國家能源供給，也關(guān)系到區(qū)域水資源和生態(tài)安全[1－3]。由于地下煤炭資源的大規(guī)模開采，破壞了煤層上覆巖層的穩(wěn)定，導致上腹巖層的破碎、垮落，進而造成地表的下沉、塌陷和開裂，導致泉井干涸，河流斷流[4]，所以煤炭開采造成的地表移動變形破壞是煤礦安全生產(chǎn)面臨的嚴峻問題。如何采用合適的方法對煤炭開采引起的地表移動進行準確預測，從而采取行之有效有的防治措施是目前亟待解決的主要問題。

多位專家學者就采煤沉陷預測進行了研究，1965年，劉寶琛和廖國華在影響函數(shù)法的基礎(chǔ)上建立了非常實用的概率積分法[5];1997年鄒友峰對地表下沉系數(shù)計算方法進行了研究[6];2000年戴華陽、王金莊等基于傾角的變化，建立了的矢量預計法[7，8];我國學著王泳嘉和杜慶華等對邊界元法進行了大量研究，將邊界元法引入巖層移動研究，對均質(zhì)模型進行了探討[9]。

杭來灣井田位于陜北風沙灘地區(qū)，采用長臂式全部垮落法開采方式，高強度開采在地表產(chǎn)生了塌陷和地裂縫等地質(zhì)災害[10]?，其地表沉陷的分布規(guī)律和沉陷機理在陜北風沙灘地區(qū)具有典型性。本論文以杭來灣井田為例，以采煤沉陷基本理論為指導，將野外調(diào)查與室內(nèi)綜合分析相結(jié)合，運用概率積分法對該井田的30101盤區(qū)采煤引起的地表移動變形進行預測，以此為該井田其他盤區(qū)以及類似井田的開采沉陷造成的損害提供科學依據(jù)[11，12]。

1 研究區(qū)概況

杭來灣井田屬于榆神礦區(qū)的一期規(guī)劃區(qū)，位于規(guī)劃區(qū)的西南部，是榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)建設的重點煤礦，井田東西長約 12.0 km、南北寬約 7.7 km，面積 92 km2。

井田位于鄂爾多斯盆地，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，無較大褶皺和斷裂，無明顯巖漿活動痕跡，局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏。井田內(nèi)的地層由老至新依次為:三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、第四系下更新統(tǒng)午城組(Q1w)、中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q31s)、全新統(tǒng)沖洪積層(Q41al+pl、Q42al)、風積層(Q42eol)。

礦井首采區(qū)301盤區(qū)的30101綜采工作面，位于杭來灣井田的東北部。設計礦井初期開采3號煤層，該煤層最大厚度 10.66 m，最小厚度 8.27 m，平均 9.13 m，煤層傾角 0.5°，為近水平煤層，構(gòu)造簡單。開采方式為傾斜長臂式全部垮落法開采。

2 采煤移動變形分布規(guī)律

2.1 地表移動變形規(guī)律

根據(jù)野外調(diào)查，30101工作面開采后，在其上方形成了一個大范圍移動盆地，面積約為2.2 km2。陜西有色榆林煤業(yè)有限公司的地表移動變形監(jiān)測點監(jiān)測到地表下沉最大值為7.25 m，傾斜變形最大值為69.1 mm/m，水平變形最大值為31.5 mm/m，主要影響半徑為91～105 m，地表最大下沉速度為 773.3 mm/d，地表移動持續(xù)時間為 547.5 d。

在采空區(qū)邊界上方地表附近形成地裂縫，其發(fā)育程度與距開采邊界的距離以及開采深度有關(guān)。對本次調(diào)查裂縫的研究區(qū)域選取在一個主斷面上，其裂縫發(fā)育明顯，并且該區(qū)域的地裂縫在長時間停采后已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定。調(diào)查測量區(qū)地表上的裂縫共發(fā)育21條，裂縫走向約135°，與煤炭開采邊界走向132°大致平行;裂縫寬度不等;區(qū)域首尾裂縫寬度小(基本小于1 cm)，裂縫兩側(cè)基本無高差，區(qū)域中間的裂縫寬度較大且兩側(cè)存在高差，采空區(qū)中心的一側(cè)的裂縫低于另一側(cè)的裂縫。根據(jù)地裂縫的調(diào)查結(jié)果及該區(qū)地層資料，經(jīng)過研究計算求得產(chǎn)生地裂縫的裂縫角為89°。

2.2 采煤沉陷形成原因

當煤層采空以后，采空區(qū)上部的覆巖及采空形成的煤柱邊邦，均形成自由面。原來的應力平衡被破壞，在上覆巖土層重力作用下，覆巖承受的壓力隨著采空區(qū)范圍的擴大而增加，當這種壓力超過煤層頂板巖石的承載力以后，頂板巖石破裂塌落形成冒落帶，進而在其上部依次形成裂隙帶和彎曲變形帶。在彎曲帶影響下地面上造成塌陷，形成塌陷盆地或地裂縫。

影響地表沉陷的因素主要有兩個:地質(zhì)條件和開采條件。地質(zhì)條件主要包括上覆巖層的巖性、巖層層位、表土層性質(zhì)和煤層傾角等;開采條件主要包括采深采厚比、開采方法以及工作面的推進速度等。結(jié)合30101工作面的地質(zhì)條件以及開采方式對采煤沉陷進行分析(見圖1)。

圖1 杭來灣井田采煤沉陷示意圖

3 移動變形預測

3.1 相關(guān)參數(shù)計算

概率積分法是我國的劉寶琛和廖國華等多位學者在影響函數(shù)法和隨機介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上提出的一種比較實用的開采沉陷預計方法[3]。其基本思想是將巖體看作為隨機介質(zhì)，把地表的移動變形看作隨機事件且服從統(tǒng)計規(guī)律，把整個區(qū)域分解成無限個微小單元，根據(jù)疊加原理看作開采對地表的影響等于采區(qū)內(nèi)開采各個微小單元對地表的影響之和來計算整個開采引起的地表及巖層變形。利用概率積分法對地表沉陷進行預計時主要用到的參數(shù)有:下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切、開采傳播角及拐點偏移距。李培現(xiàn)等通過綜合分析國內(nèi)礦區(qū)的實測數(shù)據(jù)，并進行回歸計算，建立了從礦區(qū)地質(zhì)條件確定參數(shù)的統(tǒng)計方法 ，通過對比，表明用該方法計算出的參數(shù)與實測參數(shù)誤差較小。為缺少地表移動實測資料的情況下獲取概率積分法的參數(shù)提供了技術(shù)保障。

表1 各個參數(shù)的計算結(jié)果

3.2 移動變形預測

根據(jù)該礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性和采空區(qū)平面分布圖，對30101綜采工作面可能出現(xiàn)的沉陷進行了預計，應用概率積分法對30101工作面(300 m×4 252 m)進行地表移動預測，并使用MATLAB軟件繪制移動變形的預測結(jié)果，結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2、3，得出的理論下沉值是關(guān)于采空區(qū)中心軸對稱的橢圓形，沉陷最大值在采空區(qū)中心，向兩側(cè)逐漸減小，在采空區(qū)傾向邊界外100 m處塌陷值小于1 cm，視為沉陷邊界，經(jīng)計算分析，該工作面的理論邊界角為68.9°。下沉等值線以采空區(qū)中心為對稱原點呈橢圓分布，并且橢圓的長軸位于開采工作面中心;由圖4，看出下沉曲線近似一條拋物線，在該工作面地表塌陷的理論最大值為7.17 m，理論值非常接近陜西有色榆林煤業(yè)有限公司監(jiān)測的實測最大下沉值7.25 m;理論主要影響半徑為104.42 m，該理論值在實測的91～105 m區(qū)間之內(nèi)。

圖2 開采沉陷下沉值等值線圖(m)

圖3 開采沉陷下沉值三維斜視圖

圖4 走向主斷面的下沉曲線

通過分析下沉曲線，最大下沉值位于平行于開采傾向的采空區(qū)中心區(qū)域(EOF段);在采空區(qū)傾向邊界以外的100 m處(A、B)塌陷值已小于10 mm，可看作塌陷邊界。所以下沉曲線的分布規(guī)律為:在采空區(qū)中央正上方的平地區(qū)域處地表下沉值最大，從平底盆地兩側(cè)向沉陷區(qū)邊緣逐漸減小，在移動盆地邊界A、B處下沉值十分接近0，而且下沉曲線以采空區(qū)中心線對稱;地表移動盆地的最大下沉值已達到該地質(zhì)采礦條件下的最大值;拐點處(C、D)的下沉值為最大下沉值的一半。

從圖中分析地表裂縫的分布規(guī)律，在近似平底區(qū)域EOF內(nèi)的水平變形、傾斜、曲率為0(或接近0)，此時該區(qū)域內(nèi)沒有水平方向的力，所以此區(qū)域內(nèi)的煤礦開采基本不會發(fā)生引發(fā)地裂縫;在EC和FD之間的區(qū)域該區(qū)域主要是不均勻下沉，地表的曲率為負而且水平變形也是負的，所以該區(qū)域的地表主要受壓縮而不會形成拉裂縫，裂縫主要為不均勻沉陷產(chǎn)生的裂縫;而在AC、BD段地表曲率和水平變形均為正，所以該區(qū)域的地表受拉力作用產(chǎn)生拉裂縫。

通過概率積分法計算的地表移動變形值見表2，傾斜變形理論最大值為68.9 mm/m，實測的最大值為69.1 mm/m;水平變形理論最大值為31.38 mm/m，實測最大值為31.5 mm/m。該結(jié)果再一次證明了概率積分法在該井田的適用性與準確性。

表2 走向主斷面內(nèi)各點的移動變形計算值

我國一般采用針對一般磚木結(jié)構(gòu)建筑物的標準:i=3 mm/m、ε=2 mm/m、k=0.2 mm/m2，是以這三個標準的最外一個值來確定危險邊界，根據(jù)表2的計算結(jié)果，可知在ε=2 mm/m處對應的邊界為最外邊界，此時距采空區(qū)中心的距離為243 m，即取距采空區(qū)邊界93 m處為危險邊界，移動角為70.4°，同理，確定距開采邊界93 m以外為對生態(tài)環(huán)境的輕微影響區(qū)，該區(qū)沉陷盆地平緩、在地表沉陷區(qū)范圍不會出現(xiàn)拉伸裂縫，對耕地影響很小，對生態(tài)環(huán)境影響輕微，可自然恢復。裂縫角對應的邊界是裂縫邊界，移動角對應的邊界是移動邊界，邊界角對應的地表區(qū)域是移動盆地的沉陷邊界。而且沉陷由于地質(zhì)采礦條件簡單，以及根據(jù)移動盆地的對稱性和實測地裂縫的分布，推測出采區(qū)內(nèi)地裂縫的分布范圍。經(jīng)過預測計算，移動盆地的沉陷范圍面積約為2.193 km2。

(3)通過野外實測數(shù)據(jù)證明運用概率積分法對杭來灣井田30101綜采工作面地表移動變形的預測結(jié)果精度高，對地表移動變形的評價迅速準確，為杭來灣井田及其他類似井田的地表移動變形預測提供了科學依據(jù)。

4 結(jié)語

以采煤沉陷基本理論為指導，將野外調(diào)查與室內(nèi)綜合分析相結(jié)合，探討采煤沉陷分布規(guī)律。以杭來灣井田30101工作面為例，運用概率積分法對采煤引起的地表移動變形進行了預測。

(1)通過野外實測以及概率積分法的預測分析結(jié)果，得出煤炭開采引起地表變形的理論邊界角為68.9°，移動角為70.4°，裂縫角為 89°，移動盆地的沉陷范圍面積是 2.193 km2。

(2)通過概率積分法計算的地表移動變形值，傾斜變形理論最大值為68.9 mm/m，實測的最大值為69.1 mm/m;水平變形理論最大值為31.38 mm/m，實測最大值為31.5 mm/m。該結(jié)果證明概率積分法在該井田的適用性與準確性。

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