岩溶山区采煤地表移动规律研究

2014-12-14赵振远韦开行

地下水 2014年4期

赵振远，韦开行，潘喆

(1.贵州省有色金属和核工业地质勘测局地质勘测设计院，贵州贵阳 550005;2.重庆市208水文地质队，重庆400700;3.贵州省地质环境监测院，贵州贵阳 550000)

煤层被开采以后，由煤层的上覆岩层到地表形成了三个破坏影响带:冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，冒落带的岩层主要发生了断裂、破碎，裂隙带的岩层主要发生了较大的弯曲，弯曲下沉带的岩层只是发生了岩层的连续破坏，变形没有超出岩体的破坏强度，只是发生了弹塑性形变。

开采引起的地表移动破坏受多种因素的影响为此在采煤的同时，在地表设立观测站，以分析地表变形的规律，为煤矿的下一步开采作指导。

1 观测区井下开采情况

该煤矿矿区面积共 14.596 2 km2，由60个拐点圈闭而成，东翼开采标高+300～-700 m，西翼开采标高 +250～-200 m，开采 K1、K2、K3煤层，矿区走向长约 13 030 m，倾向平均宽1 062m，目前采空区面积5.82 km2。

观测区内地形地貌主要为丘陵山区地貌，煤层为背斜一翼，为单一倾斜，煤层倾角35°，工作面走向1 200 m，倾斜长110 m，采用走向长壁垮落回采法，煤层顶板上覆岩层以灰岩为主，其次为泥岩、页岩，煤层底板为灰岩，煤层顶板为含水层，水文地质条件较复杂，溶洞发育。

在观测区边界有营寨煤矿浅部开采，地表观测的部分观测点可能会受到一定的影响，采区开采 K1、K2、K3三层煤，为重复开采，由于该煤矿为煤与瓦斯突出矿井，矿山先开采K2煤层作为解放层，则 K2煤层为首采，按先采上煤层后采下煤层的原则，K3为第一次复采，K1为第二次复采。

2 地表移动观测站的建立

2.1 地表移动观测站的设计

观测站一般由两条观测线组成，一为沿煤层的走向方向，另一为沿煤层的倾斜方向，两条线基本垂直，依照此原则，该煤矿布置了一定数量的走向观测线和倾斜观测线。

主要选取倾向观测线进行分析，按照设计的观测点位置，结合实地情况在现场挖直径为0.5～0.6 m，深不小于0.6 m的坑，采用长约20 cm，直径20 mm的螺纹钢条，用混凝土灌注。在钢条横截面中心以冲击钻钻出1 mm直径的小洞，作为标心。观测线长约1.6 km，共埋设观测点51个。在观测线沿线按相应要求各埋设导线点7个，作为变形监测的工作基点。

2.2 变形监测

平面测量以固定点水准测量高程为高程起算数据，按三维导线法测出各工作基点及各测点平面坐标及高程。导线测量使用仪器为瑞士徕卡TC702全站仪，以各观测点平面坐标，解算点间距并归算至煤层倾向方向。计算软件为NASEW2008平差软件。

2007年12月开始首次观测，首次观测独立进行两次，2007年12月11-12日独立进行两次三维导线测量。两次次观测成果符合要求后，取其平均值作为首次观测成果。此后在2008、2009、2010年每季度次月进行全面观测一次，总计完成全面观测12次。

3 观测资料整理分析

在对监测点全面观测12次之后，将其数据进行整理，得出各点下沉量与时间曲线图、观测线下沉量与时间曲线图、部分点下沉速度与曲线图(见图1、图2)。

图1 地表下沉曲线图

(1)由图1可以看出，自 Q17至 Q31点的各点的下沉曲线为地表连续沉降，而其余各观测点都出现不同程度的地面隆起，由此可见，该煤矿开采沉陷压缩区域主要分布在上山方向，而拉伸区域主要集中在下山方向。

图2 地表水平移动曲线图

(2)由图1可以看出，该煤矿在倾向开采线上最大下沉量为447.1 mm，出现在 Q22点，每次观测的最大下沉点也出现在Q22点附近，最大下沉值在采空区的偏下山方向，上山方向的下沉速率亦较下山方向大。

(3)由图2可以看出，最大水平位移移动量也出现在Q23点，最大移动值330 mm。

4 地表移动影响因素分析

4.1 地形对地表下沉的影响

图3 观测线上的地形示意图

本次采取观测线为丘陵山区，因此观测线出现地形起伏(见图3)，表1和表4分别为上山方向和下山方向的坡向和移动盆地下沉倾向一致的观测点的沉降值，由沉降数值可以看出，在采动影响刚传至地表时，地表主要表现为上升或鼓起，主要是因为当坡向和地表移动盆地的倾向一致时，随着采矿的不断进行，移动盆地不断扩大，山体将由坡顶向坡脚顺向滑移，形成靠近坡脚方向的隆起，越靠近坡脚方向，隆起的幅度将越大，坡度越大，隆起的数值也将越大，由表一可以看出坡脚上的Q3点达到最大的18 mm，此时达到一定的受力平衡，当采煤活动的继续进行，将出现一定量的下沉值，仍将达到一种平衡，随着采煤的不断进行，这种隆起下降也不断变换，越靠近盆地中心的观测点下降的越快。

表1 上山方向坡向与移动盆地下沉倾向一致时各点下沉值 mm

表2 上山方向坡向与移动盆地下沉倾向相反时各点下沉值 mm

表3 下沉盆地中心各点下沉值 mm

表4 下山方向边界坡向和移动盆地下沉倾向一致 mm

表2为上山方向的山体坡向与移动盆地下沉倾向相反的各观测点的沉降值，可以看出，此时山体观测点的最大沉降值既不在坡脚也不在坡顶，而是位于坡脚和坡顶之间。

表3为移动盆地中心的一山体的沉降观测值，由表看可以看出位于移动盆地中心的山体的最大位移值仍符合采动影响的基本规律，越靠近移动盆地中心，下沉值越大，位于盆地移动中心的坡体，由于移动盆地中心的下沉数值相对较大，坡体上的各点的下沉值大于侧向滑动的值，以下沉为主。

图4 Q39点所在剖面图上位置

4.2 岩溶对地表破坏的影响

地下水对可溶性岩石的溶蚀，在地下形成了各种各样的岩溶结构，该部分岩体受岩溶影响，岩体自身的破坏程度相对较强，部分呈碎块状，在采煤影响到该岩体时，由于岩体的破碎以及地下空洞，在下沉的过程中不一定会出现连续的下沉，在某时间内会出现隆起，造成岩移的不连续性( 见图4) 。

图5 Q39点下沉线

由图2，Q39点处在 T1j4的灰岩和 T2l泥岩分界面附近，T1j4的灰岩有岩溶发育，T2l底部为绿色的硅质泥岩，有直径2～10 mm园形砂质颗粒分布其中放射状结构，俗称“绿豆岩”，受煤矿采动影响，T2l的泥岩沿盆地的下沉倾斜方向下沉，在下沉的过程中，T1j4的灰岩整体较坚硬，刚开始可以抵挡泥岩的压力，随着下沉面积的扩大，T1j4的灰岩受挤压的程度越明显，加上岩溶的作用，形成破碎的岩块，在不断受挤压的过程中，Q39点就呈现下沉隆起不断变换的现象(见图5)。

再如Q15、Q16点，剖面图上处于 T1j1和 T1f7的界线附近，通过对Q15、Q16点的钻孔勘察，目前该位置的岩芯较破碎，施工过程中出现卡钻情况，受采动的影响，破碎的岩芯在下沉的过程中相互挤压，出现某些时刻地面隆起，某些时刻地面沉降的情况。(见图6、图7、图8、图9)