山区重复采动下地表沉陷移动分析

王 伟

(山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 太原 030053)

西山晋兴能源有限责任公司斜沟矿位于河东煤田北部，吕梁山脉的西北端，矿区面积88. 54 km2。矿区内总体上为一走向近南北，倾向西的单斜构造，岩层倾角5° ～16°。矿区内山河交错，沟壑纵横，山川层叠，侵蚀冲刷剧烈，为低山黄土丘陵区，区内地表大部分被第三系上新统(N2b)和第四系上更新统(Q3m)、全新统(Q4)所覆盖，基岩仅在沟谷中出露。斜沟井田内共含7 层可采或局部可采煤层，自上而下依次为山西组的4#、5#、6#、8#煤层和太原组的10#、12#、13#煤层。目前，主采8#和13#煤层，由于8#煤层位于13#煤层上方，所以，13#煤层的开采属重复开采。本文结合斜沟煤矿13#煤层23103 工作面岩移观测站的实测资料和地表破坏的现场调查，分析研究了山区及重复采动下的地表变形规律和地表破坏规律。

1 地表岩移观测

23103 工作面开采太原组13#煤层，四周无采空区，上部为8#煤层18109 工作面和18107 工作面采空区，属重复开采。工作面沿走向布置，走向长为2 940 m，倾向长242.4 m，采厚14.38 m，，倾角9°，工作面底板标高698 ～758 m，地面标高970 ～1 140.9 m。直接顶为泥岩，老顶为中粒砂岩。

23103 工作面地表为低山黄土丘陵区，地表起伏较大。根据23103 工作面地表实际情况，沿走向主断面布设半条走向观测线(Z 线)，沿倾向主断面布设1条倾向观测线(O 线)，走向和倾向观测线测点间距30 m，控 制 点 9 个，监 测 点 43 个，总 测 线长度2 119 m。

2 山区重复采动下的地表移动规律分析

根据现场实测资料，通过计算及分析地表移动变形的动态和静态分布规律，获取了开采13#煤层的各种角量参数和地表移动概率积分法变形预计参数。另外，斜沟煤矿于2008 年6 月在该矿区8#煤18111工作面开展了地表沉陷观测，8#煤和13#煤的具体参数见表1，并绘制了地表移动变形走向观测线(Z 线)地形断面图(见图1)，倾向观测线(O 线)地形断面图(见图2)，走向观测线Z 线和倾向观测线O 线的水平移动分布曲线图(见图3，图4)。

通过对表1，图1 ～图3 和图4 进行综合分析，发现山区重复采动条件下的岩移规律，具体表现在以下几个方面:

1)利用开采23103 工作面求取的地表移动参数和开采上部8#煤所求取的参数进行对比分析，得出23103 工作面厚煤层、重复开采情况下的岩移规律:a)边界角、移动角、裂缝角、超前影响角、最大下沉速度滞后角、下沉系数和水平移动系数等参数值比8#煤要小。b)充分采动角、最大下沉角和主要影响角正切值明显比8#煤变大。c)拐点偏移距和8#煤区别不大。

表1 实测开采沉陷基本参数表

2)由于受山区地形坡度的影响，使得地下开采引起山体滑移或滑坡，坡体的上部因拉应力或推应力的作用产生向下坡方向的滑移，进而引起下坡方向的水平移动增大，造成水平移动的最大主方向是坡体的最大倾斜方向;而在山体的沟谷部位由于山体的滑移影响，产生变形挤压，结果使地表上升，造成了指向山体下坡方向的水平移动增大。从图3，4 可以看出，水平移动曲线与平地不相似，指向下坡方向的水平移动增大，地表移动的范围增大，移动角和边界角较平地偏小。

3)受山区地形的影响，地表移动观测线上各点的水平移动包括观测线方向的水平移动和垂直于观测线方向的横向水平移动两个部分。

3 山区重复采动下地表破坏分析

3.1 开采引发的地表裂缝分析

从23103 工作面地表实地调查的裂缝情况看，地表明显出现了纵横交错的多条大裂缝，地表裂缝的走向具有较强的规律性:大致与工作面走向方向相垂直。地表产生的裂缝主要出现在走向观测线Z 线的Z20 ～Z30 范围内，也就是在靠近23103 工作面的开切眼附近(见图5)。

从产生的裂缝看，在走向观测线Z 线经过的山坡上(Z20 -Z30 附近)裂缝较为明显，其裂缝走向与工作面推进方向大致垂直。从移动变形上看，该区域随工作面的推进，先处在水平拉伸变形区域，后处在水平压缩变形区域，因而裂缝的发育先随工作面推进张开，而后随工作面的远离，部分裂缝自行弥合或宽度减小。另一部分裂缝均出现在梁峁部位，裂缝走向大致与梁峁的下坡方向垂直，宽度不一，纵横交错，梁峁边缘部位形成向坡体下方的永久性滑塌。

图1 走向观测线Z 线地形断面图

图2 倾向观测线O 线地形断面图

图3 走向线Z 线水平移动分布曲线图

图4 倾向线O 线水平移动分布曲线图

综合分析可以得出，地表裂缝的出现主要与两个因素有关:一是地表坡度和坡向。一般裂缝的走向大致与梁峁部位的地表坡向相垂直，近似沿等高线方向发育;二是工作面的开采。地表裂缝的产生大致与开采工作面推进方向呈平行关系，随工作面的开采先张开，后自行弥合或宽度减小。

图5 23103 工作面开采地表裂缝分布图

3.2 开采引发地质灾害分析

根据实际观测和调查分析，开采对工作面上方地表、植被、水系以及工业设施造成较为严重的破坏。对由开采引发的地质灾害分析如下:

1)开采对土地的破坏。

开采对土地的破坏首先是引起了地表出现裂缝。该区内因开采引起的地表裂缝无论是在长度还是在宽度上均较大，且较为发育，破坏了土地的整体性，给农业生产造成困难;其次开采引起的地表倾斜变形较大，改变了水的径流方向，加速了土地水土流失，对土地的平整性和原有的耕作条件造成破坏，加速了土地的干旱和退化进程，使山区土壤环境进一步恶化。

2)土质和岩质的滑坡。

受山区开采的影响，梁峁边缘部位大多数在开采附加力的影响下，产生拉伸变形，出现地表裂缝，因而会使原来相对较为稳定的土质和岩质边坡产生滑塌。在观测区内，实际观测到有多处风化层和黄土坡体边缘部位出现了滑坡现象，对工农业的安全生产均会造成严重影响。如在倾向观测线O18 点处产生的整体滑塌，滑塌处植被根系裸露，部分植物死亡，O18#测点也因坡体滑塌而受到破坏。

3)对地貌形态的影响。

该项目区内地表大部分由黄土覆盖，在一些梁峁边缘部位均不同程度地出现了坡体滑塌现象。在山体的沟谷部位，由于受到两侧山体的滑移影响，在沟谷的底端，原来的临时路面出现隆起现象。另外，由于地表倾斜变形造成了原地表的坡度发生变化，改变了地表水径流方向，加速了区内的水土流失，自然景观受到破坏。

4 结束语

通过对斜沟煤矿13#煤地表沉陷观测数据资料进行综合分析研究，以及对矿区内实际地形及开采损进行害进行调查，获得了该矿区13#煤重复采动下岩移的实用性成果，提出了符合该矿区地质采矿条件下的地表移动变形参数，以及开采对地表的破坏规律，对指导该矿区的“三下”采煤、保护煤柱的留设和矿山环境的治理具有指导作用，对合理开发和利用煤炭资源、延长矿井寿命、保护矿山环境具有重要意义。

［1］ 杜计平.采矿学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009:398 -411.

［2］ 李天和，王文光.矿山测量［M］.北京:煤炭工业出版社，2005:196 -210.

［3］ 中华人民共和国建设部.GB50026 -2007 工程测量规范［S］.北京:中国计划出版社，2008:75 -83.

［4］ 原中华人民共和国能源部.煤矿测量规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2010:72 -77.