导水裂隙带法在贵州小型煤矿开采沉陷预测中的应用

刘 勇

(贵州六枝工矿集团有限责任公司,贵州省六盘水市,553400)

导水裂隙带法在贵州小型煤矿开采沉陷预测中的应用

刘 勇

(贵州六枝工矿集团有限责任公司,贵州省六盘水市,553400)

根据贵州小型煤矿开采深度小、可采煤层少且较厚、开采后一般只出现冒落带特点,采用导水裂隙带法对煤矿开采后地表深陷面积进行预测,并以贵州某煤矿为例对导水裂隙带法在开采沉陷地的应用进行说明。

煤矿开采 地表塌陷 导水裂隙带

1 前言

贵州是我国产煤大省,地方煤矿较多,目前,在贵州2000多对矿井中大多数属于中小型矿井,矿山资源的大规模开发和利用,既给人类带来了巨大的经济效益和社会效益,也对人类生存环境产生了一系列影响。矿山开采引起的地表移动和变形对位于下沉盆地范围内的建筑物、河流、铁路及耕地等产生一定的破坏,对矿区环境和经济发展也造成严重的影响。“十一”五期间贵州省调查发现的采空塌陷区106处,按规模计有104处为小型矿井,按矿种计97处属煤矿的采空塌陷区。按贵州省国土资源公报,2007年度矿山破坏土地4450.48 ha,采矿塌陷449.37 ha(占10.1%)。

今后大量的地下开采还会继续形成采空区,但目前我国常用的地表移动和变形预计方法主要有典型曲线法、负指数法、概率积分法以及力学方法。概率积分法是应用最多的方法,但概率积分法公式复杂,引用时应具备相应的参数,如果一个参数用错,就会产生较大的误差,该方法适用于参数较少的平原地区,而山区岩石通常不是均匀介质,产生的参数很多,因此该方法一般不适用于山区。对贵州山区而言,因煤层的覆岩多以较坚硬的脆性岩石为主,且贵州小型煤矿开采深度小,可采煤层少,煤层厚度一般为中厚煤层,开采后一般只出现冒落带,冒落带可直达地表形成塌陷坑。因此,根据贵州特定的地质条件和小煤矿的特点可运用导水裂隙带法来预测采煤塌陷区。

2 导水裂隙带法分析

导水裂隙带的高度与上覆岩层的岩石结构、煤层倾角、采高、厚煤层分层次数、采空区范围大小和采煤方法等因素有关。

2.1 导水裂隙带影响因素分析

(1)顶板岩性。当直接顶和基本顶都比较坚硬的条件下,基本顶由于坚硬而下沉缓慢,下沉量小,使垮落过程充分发展,导水裂隙带高度较大。当直接顶和基本顶比较松软破碎时,由于顶板稳定性差,在垮落发生和发展过程中,覆岩下沉量较大,开采空间和已垮落的空间由于覆岩下沉而不断缩小 ,因此,垮落过程不能充分发展,导水裂隙带高度均较低。

(2)煤层倾角。煤层倾角能引起两带高度变化,主要原因在于垮落岩块随倾角加大在采空区发生运动。煤层倾角小于35°时,垮落岩块就地堆积,采空区各部分的导水裂隙带高度基本相同;煤层倾角在35～54°时,垮落岩块下滑到采空区下部,使采空区下部的导水裂隙带高度小于采空区上部;当煤层倾角大于54°时,垮落的岩块及煤向下滚动,采空区下部发展很小,上部很高,而且影响到采空区上部煤柱。

(3)采高及厚煤层分层次数。一次采全高或分层初次开采时,导水裂隙带的高度与采高呈近似直线关系。水平至倾斜煤层分层开采或近距离煤层群开采条件下,导水裂隙带高度随分层次数增加而递减。

(4)采空区范围大小。采空区范围决定了开采充分程度,当采空区范围足够大时,导水裂隙带得到充分发展,反之将受到限制。

(5)采空区处理方法。我国普遍采用全部垮落法管理顶板,这种处理采空区的方法使上覆岩层破坏得最充分,充填法处理采空区时,一般不发生垮落性破坏,因而导水裂隙带高度也就不明显。

2.2 导水裂隙带经典公式

到目前为止,采用长壁垮落采煤法开采后,导水裂隙带高度计算大多采用经验公式,这些公式是根据大量的钻孔和巷道观测资料用数理统计方法获得。本文运用《矿区水文地质规程及勘探规范(GB127-19-91)》中导水裂隙带最大高度经验计算公式,见表1。

表1 导水裂隙带高度计算公式

3 导水裂隙带法预测塌陷区步骤

(1)采空区影响移动角及影响范围的确定。

根据我国现行《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定上山、走向边界角,下山方向边界角取[δ0-0.6α]。

(2)确定煤矿主采煤层的顶板和底板岩性。

(3)根据可采煤层的顶板和底板岩性、倾角等在表1中选用适合的最大导水裂隙带高度计算公式。在计算过程中,可采煤层层数n为1层,煤层平均厚度小于2.2 m,可采煤层的累计厚度M取巷道高度2.2 m

(4)在矿区范围内作相应的倾向剖面图、走向剖面图,将最大导水裂隙高度、下山移动角、走向移动角投影到剖面上。

(5)将剖面确定范围投影到矿区平面图上,去除矿区内禁采的部分即为矿山开采塌陷范围。

4 应用实例

4.1 预测矿井基本情况

贵州省福泉市某矿为一新建矿井,设计生产能力为9万t/a,主采M1#煤层。M1#煤层平均厚度为1 m,倾角50°,属急倾斜煤层。开采方式为井下开采,采用走向长壁采煤法(伪斜布置)开采、全部陷落法管理顶板。M1#煤层的顶板和底板均为灰-深灰色的中-厚层燧石泥晶灰岩。

4.2 塌陷区预测

(1)采空区影响移动角的确定。矿区覆岩为坚硬岩矿层,倾角小于50°,煤层倾角为50°,因此上山及走向边界角采用75°,下山方向边界角取[δ0-0.6α]=30°。

(2)M1#煤层的顶板和底板均为灰-深灰色中-厚层燧晶灰岩。据此选用表1中的H=100 M/(2.4n+2.1)+11.2公式计算其最大导水裂隙带高度,可采煤层层数n为1层,煤层最厚约1.08 m,最薄为0.95 m,平均厚度1.00左右;可采煤层的累计厚度M取巷道高度2.2 m,则导水裂隙带的最大高度:

H=100×2.2/(2.4×1+2.1) +11.2=60.09 m

(3)做矿区倾向剖面图、走向剖面图,将最大导水裂隙高度、下山移动角、走向移动角投影到剖面上,见图1。

(4)将矿区内的地形地质图、井上和井下对照图进行叠加对照。根据剖面图,结合上山和下山移动角,先圈定出塌陷区投影的平面位置;然后在塌陷区投影的平面内,结合导水裂隙带最大高度,在开采深度小于导水裂隙最大高度的区域内画出煤层埋煤较浅,地形低洼,顶底板岩性差的区域。扣除禁采区面积后,即为煤矿塌陷区预测面积,通过以上方法,经AutoCAD2007软件计算得塌陷区域面积为9.3545 hm2。

图1 某矿塌陷区预测剖面图

5 结论

导水裂隙带计算公式简单、易操作,根据贵州山区可采煤层的覆岩多以较坚硬的脆性岩石为主,且小煤矿数量较大、开采深度小、可采煤层少且厚度一般为中厚煤层,开采后一般只出现冒落带,冒落带可直达地表形成塌陷坑的特点,因此,运用导水裂隙带高度预测开采煤层少、顶板岩石坚硬、开采深度小的贵州小煤矿塌陷区有一定的可适用性和操作性。

[1]杜计平,汪理全.煤矿特殊开采方法[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005

[2]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[3]工程地质手册编委会.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[4]煤行管字[2000]第81号文通知《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[M].北京.煤炭工业出版社,2004

(责任编辑 张艳华)

Prediction ofmining subsidence by calculating the height of water flowing fracture zone applied in smallmines in Guizhou Province

Liu Yong
(Guizhou Liuzhigong Mining(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui,Guizhou 553400,China)

Small coalmines in Guizhou Province are generally characterized by shallowmining depths,thick but fewerminable seams and only caving zones occurring as a result ofmining.Based on these characteristics,the area of surface subsidence resulting frommining is predicted by calculating the height of water flowing fracture zones,with a case study to demonstrate the application of the method at a coalmine in Guizhou Province.

coalmining,surface subsidence,water flowing fracture zone

TD997.1

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刘勇(1969-),男,1993年毕业于贵州工学院采矿系,现就职于贵州六枝工矿集团公司有限责任公司安全监察部。