黄土坡煤矿地表沉陷预测及影响分析

王红军

（山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司，山西 晋城 048000）

黄土坡煤矿地表沉陷预测及影响分析

王红军

（山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司，山西 晋城 048000）

针对黄土坡煤矿的地质条件进行了详细的分析，在此基础上用概率积分法预测了黄土坡煤矿的地表沉陷情况，并分别分析了地表沉陷对地面建筑物的影响、对土地资源和农业经济的影响、对公路及输电线路的影响、对水资源的影响、引发地质灾害对环境带来的影响。

煤矿；地表沉陷；影响分析

1 黄土坡煤矿矿区地质条件

井田位于华北陆台沁水盆地的西翼，西临霍山隆起，自中二叠纪开始，接受了大面积海陆交互相的含煤岩层沉积，经历了燕山运动之后，在喜山期接受了第三、四系沉积，地层总体为走向北北东，倾角南东的单斜构造，次一级构造多为成对且相互平行展布的背、向斜和北东东、北北东向两组断层；延伸较长的背、向斜。总的走向为北北东向和南北向，从平面上看多呈现“S”型，大断层多为走向北东的正断层。区域地层由霍山隆起带核部起自西向东依次出露由老到新的地层，地层出露齐全，连续性好。详见区域地层，如表1所示。

表1 区域地层

1.1 井田构造

本矿区位于沁水坳陷西缘，霍山隆起的东翼，大地构造单元为一总体走向NNE，倾向SEE，倾角5°～10°的单斜构造，并伴生有呈组呈对呈“S”形弯曲的背向斜褶曲以及走向EW向的较大断裂构造。

本矿区面积不大，其总体构造为一轴向NS，倾向W E倾伏的宽缓背斜褶曲，S3背斜位于矿区南东部，与S4向斜大致呈平行展布，区内全长为2100m，轴部地层为P2s1，西翼倾角8°～12°，东翼倾角8°～9°，两翼基本对称。S4向斜位于矿区中部，轴向NE17°，轴部地层为 P2s2，西翼地层这 P1x2、P1s1，倾角13°～16°，东翼地层为 P2s1，倾角一般 8°～14°，两翼基本对称。

除此之外，本井田边界西北角有百草断层，断距180m～260m，倾角70°，走向NEE60°方向延伸，倾向SE。断距自西减小，向东逐渐增大，区内全长约2 200m。总述本矿区构造比较简单。

1.2 工程地质条件

矿井工业广场位于第四系上更新统表土区，地表广为褐黄色粉质粘土覆盖，部分区域覆盖有素填土。工业场地除素填土的局部地带由于天方过程中碾压不均，具轻微湿陷外，其他部位无湿陷性，因此可视为非湿陷性场地。

1.3 现状调查

根据现场调查，目前山西黄土坡煤矿西南部9+10号煤已经形成采空区167 hm2，并累计造成地表沉陷及地裂缝面积约110 hm2，其中耕地约49 hm2，约占塌陷面积的44.5%，草地约37hm2，约占塌陷面积的33.6%，林地约20 hm2，约占塌陷面积的18.2%，其它约4 hm2，约占塌陷面积的3.7%。主要表现形式是出现程度不等的地裂缝、小面积滑坡及地表沉陷变形等，对地表形态的影响不显著。

2 地表塌陷预测

（1）预测模式

最大下沉值：Wmax（m）：Wmax=M·η·cosα.

主要影响正切 tgβ与主要影响半径 ρ（m）:ρ=H/tgβ.

最大倾斜值：Imax（mm/m）：Imax=Wmax/ρ.

最大曲率值：Kmax（10～3/m）：Kmax=±1.52Wmax/ρ2.

最大水平移动值：Umax（m）:Umax=b·Wmax.

最大水平变形值：εmax：εmax=±1.52bWmax/ρ.

式中:η为下沉系数；M为采高，m；α为煤层倾角；b为水平移动系数；H为采深，m；tgβ为主要影响正切。

（2）参数选取

该矿没有实测岩移资料，根据矿区煤层赋存条件、地质、地形、开采条件及覆岩和顶底板岩性，参数选用与本矿开采方式相同、围岩相近的煤矿类比资料，即 η=0.85，b=0.25，tgβ=2.74。

（3）地形变形预计

随着开采深度的增加地表变形值逐渐减小。根据上述计算公式和参数，计算出黄土坡焦煤集团一号井9+10号煤层开采后，地表不同部位最大变形预计值见表2。

表2 煤层开采后地表动态最大移动变形值

（4）开采引起的地表移动时间估算

开采引起的地表移动，其移动速度是由零逐渐增大，达到一定值后，又逐渐缩小趋于零。地表移动的延续时间（T）可用以下公式计算：

式中：H为工作面平均采深，m。

该矿9+10号煤层的埋藏深度为230 m～500 m，平均354.29m，将此代入上述计算公式得，煤矿开采所引起的地表移动时间为575d～1250d，大约1.58 a～3.42a左右，平均2.42a。

（2）地表沉陷对土地资源和农业经济的影响

根据地表沉陷的预测结果来看，全井田开采后，沉陷区总面积可达208 hm2，占生态矿区面积的13.5%，其中草地面积为89 hm2，占塌陷区总面积的42.8%，耕地面积为69 hm2，占塌陷区总面积的33.2%。林地面积为37 hm2，占塌陷区总面积的17.7%，其他约13 hm2，占塌陷区总面积的6.3%。由此可见，地表塌陷主要影响对象是耕地和草地。

根据本区地形及开采过程中的地表裂缝和沉陷情况，将土地破坏的程度分为三级，分为轻度、中度、重度三种类型。轻度破坏：地面有轻微变形，不影响农田耕种、山林及植被生长，水土流失略有增加。中度破坏：地面塌陷破坏比较严重，出现方向明显的裂缝、坡、坎等，影响农田耕种，作物减产，也影响山林及植被生长，水土流失有轻微加剧。重度破坏：地面严重塌陷破坏，出现塌方和小滑坡，农田、山林及植被破坏严重，水土流失严重，生态环境恶化。轻度破坏主要分布在井下保安煤柱上方及部分达到充分采动的采区中央地带；中度破坏主要分布在煤柱的边缘地带；重度破坏主要分布在浅部煤层及地表较陡的土坡边缘地带。根据预测，黄土坡井田开采后没有受到影响的耕地面积为275.82 hm2，受轻度破坏影响的耕地为19hm2，受中度破坏影响的耕地为37hm2；受重度破坏影响的耕地为13hm2。

一般情况下对于丘陵山区，受轻度破坏的耕地不经整治就进行耕种，农作物产量也基本不受影响；受中度破坏的耕地，仍可耕种但产量受到了影响，如果采取必要的整治措施后仍可达到原来的生产能力。受重度破坏的耕地暂时将完全丧失耕种的能力，但待沉陷稳定后进行必要综合整治，大约60%以上可以恢复耕种能力。对于无法恢复的农田采用补偿的方法给受到影响的农民直接进行经济补偿，如果破坏的是基本农田在其他区域另外开垦机修梯田供农民耕种。据上述分析可以看出采取综合整治措施后真正无法耕种的耕地只有5hm2，其中基本农田约2hm2。

（3）地表沉陷对公路及输电线路的影响

地表沉陷对公路的影响主要表现为路面低凹起伏不平、纵向坡度变大，路面开裂和塌方堵塞道路等破坏现象。该矿井田范围内主要有汾-屯省级公路和一些村镇运输道路。该矿在开采过程中没有专门为公路留设保安煤柱，但在回采时采取了带式开采、矸石随采回填和道路边坡削坡加固等措施，因此地表沉陷对矿区公路的影响较小。该井田范围内有两条10kV的输电线路，受煤层开采影响总长度约为2.5km，最大下沉值为2.26m。电杆在地表倾斜、水平移动、下沉影响下，将产生倾斜和杆距的变化。杆距的变化将增大或减小电线的驰度，使电线过紧或过松，严重时可能拉断电线，或者减小对地距离，超过允许安全高度。因此，在开采过程中必须采取防护措施。

（4）地表沉陷对水资源的影响

井田范围内没有较大的地表积水，主要河流有矿区南侧聪子峪河和北部的百草河，均属于季节性河流，雨季洪水猛涨，过后流量变小而成为溪流。由于距井田边界的距离远大于地表沉陷最大影响半径182.48m，故开采塌陷对区内地表水没有明显影响。

开采9+10号煤层必然会导致上覆岩层裂隙增多，有的裂缝直通地表，在地面形成地裂缝和塌陷。裂隙的形成是贯通地下含水层的良好通道，位于裂隙处的浅层地下水就可通过这些裂隙带着含煤地层中的有害元素进入下面的含水层，导致浅层地下水水量损失，并对下位地下水水位及水环境产生影响。

（5）地表沉陷引发地质灾害对环境的影响

就采煤沉陷来说，其引发的地质灾害主要有两类:第一类是煤炭开采沉陷造成的直接影响，主要是沉陷对土地资源、房屋建筑等造成的影响。这类影响在前面已经进行了深入分析；第二类是因煤炭开采沉陷引发的山体崩塌、滑坡或泥石流等间接影响，下面将对地表沉陷引发的山体崩塌、滑坡或泥石流的可能性作进一步分析。

是否发生滑坡等地质灾害与区域地形地貌、地质特征以及采煤沉陷变形程度有关。本矿区地形属中山区，井田范围内相对高差较大，地表大部分区域被黄土覆盖，这样的地质地形条件在暴雨发生的情况下可能会发生崩塌和滑坡。但山体坡度较小、陡坡少，根据对当地地质灾害的现状调查，当地很少发生大规模的山体崩塌或滑坡，仅在坡度较陡的地方发生过小型的滑坡，一次滑坡体积小的仅有几立方，多的也不足1万m3。因此，当地崩塌或滑坡的危害较轻。

采煤沉陷是引发山体滑坡或崩塌的因素之一。对于本井田来说开采9+10号煤层产生的地表沉陷深度大多在3m以下，倾斜最大0.027mm/m，这说明开采沉陷直接诱发山体滑坡或崩塌的可能性很小。

Prediction and Influence Analysis on Surface Subsidence in Huangtupo Mine

WANG Hong～jun

(Zezhou Ti an'an CoalCo.,ShanxiJi ncheng CoalGroup,Ji ncheng Shanxi048000,Chi na)

On the analysis of geological characteristics of H uangtupo mine, the probability integralmethod is used to predict the surface subsidence. Then the paper studies the influence of the surface subsidenceon buildings, land resources, agricultural economy, roads, pow er transmission lines, water resourcesand environment.

mine,surface subsidence;influence analysis

P64

A

1672-5050（2010）12-0048-03

编辑：徐树文

2010-09-25

王红军（1969—），男，大学本科，工程师，从事矿山开采及生态恢复研究的工作。