黑龙江省鸡西市某煤矿矿山开采预留铁路保护煤柱预测地面沉降地质灾害评估

董学良　金英子

[摘要]文章通过对黑龙江省某煤矿矿山采用巷道地下开采方式，由于矿区内穿越国家一级铁路，需要预留铁路保护煤柱计算，后对全矿井开采后地面沉降范围、沉降量进行预测评估。

[关键词]矿山开采 地面沉降 巷道 垮落式 预测评估

[中图分类号] P694 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-351-2

1引言

黑龙江省某煤矿位于黑龙江省鸡东县东海镇境内，属新建矿山，采用地下巷道垮落式开采方式，面积93.29km2，开采高度200至-1300m。该矿区为新建矿山未进行过开采，区内无其它生产矿井、废弃小煤窑和采空区。

矿区地貌以低山～丘陵为主，中部地势高，南、北两侧低。勘查区的北部和东部为锅盔河冲积平原，南部为穆棱河冲积平原，大、小锅盔山分别分布于本区的中西部和中东部。勘查区内地形起伏较大，最高海拔标高为392.9m，最低海拔标高为147.6m，高差为245.30m。地表大部被第四系松散沉积层覆盖，只是在山地附近及山顶部有新近系上新统玄武岩出露。

区内地层总体呈复向斜构造，轴向为SWW～NE向，主向斜南北两侧各有一个次级小背斜，被几组不同级别、不同序次、不同方向的断层所切割。含煤地层全区均有分布，呈SWW～NE向展布，地层倾角一般在2°～25°之间，个别层段因受断层影响倾角可达到30°～67°。穆棱组和城子河组含煤地层产状沿走向、倾向均有一定变化，断层较发育。已施工的多数钻孔中均发现侵入岩对煤层造成破坏现象，构造复杂程度为中等，属第二类偏复杂。

2矿体特征

2.1穆棱组可采煤层

本区穆棱组只有4号煤层为局部可采煤层，并对其进行了资源量估算；其它煤层均为不可采煤层。该组除4号层外其它多数煤层发育不稳定，在平面上变化很大，无法计量。

穆棱组可采煤层的主要特征如下：

Ⅰ煤层：位于穆棱组中段（主要含煤段），见煤点数16个，可采点数4个，可采面积1122.6万km2。全层厚度（含夹石）0.92～1.42m，平均1.18m；煤层可采厚度（纯煤）0.92～1.07m，平均0.96m；煤层含1～2泥岩或炭质泥岩夹矸，结构简单～复杂。局部可采，属不稳定煤层。

2.2城子河组可采煤层

本区城子河组中可采与局部可采煤层共计6层，自上而下分别是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ号煤层，煤层稳定程度为不稳定型。

各可采煤层的主要特点分述如下：

Ⅱ煤层：位于上部次要含煤段，见煤点数13个，可采点数8个，可采面积4073.1万km2。煤层可采厚度0.75～2.16m，平均1.13m，结构单一，顶板为泥岩、粉细砂岩，底板为泥岩、中细砂岩，大部分可采，为较稳定煤层。

Ⅲ煤层：位于中部主要含煤段，见煤点数13个，可采点数6个，可采面积1565.9万km2。全层厚度（含夹石）0.87～2.44m，平均1.53m；煤层可采厚度（纯煤）0.79～2.24米，平均1.38m；煤层结构简单～复杂。距上部Ⅱ煤层84.93～126.04m，间距平均为106.70m，顶板为泥岩、粉细砂岩，底板为泥岩、中细砂岩，局部可采，为不稳定煤层。

Ⅳ煤层：位于中部主要含煤段，见煤点数8个，可采点数6个，可采面积1238.9万km2。全层厚度（含夹石）0.70～1.27m，平均1.00m；煤层可采厚度（纯煤）0.70～1.27m，可采厚度平均0.93m；煤层结构单一，或含一层炭质泥岩夹石。距上部Ⅲ煤层35.90～43.57m，间距平均为39.32m，顶板为含炭泥岩、粉细砂岩，底板为泥岩、中细砂岩，局部可采，为不稳定煤层。

Ⅴ煤层：位于中部主要含煤段，见煤点数8个，可采点数4个，可采面积953.5万平方米。全层厚度（含夹石）0.93～1.49m，平均1.21m；煤层可采厚度（纯煤）0.89～1.49m，可采厚度平均1.14m；煤层结构单一，或含1层泥岩夹石。距上部Ⅳ煤层20.01～26.52m，间距平均为23.05m，顶板为凝灰岩、细砂岩，底板为泥岩、粉砂岩，局部可采，为不稳定煤层。

Ⅵ煤层：位于中部主要含煤段，见煤点数8个，可采点数3个，可采面积693.4万km2。全层厚度（含夹石）0.78～0.92m，厚度平均0.85m；煤层可采厚度（纯煤）0.70～0.92m，厚度平均0.82m。煤层结构单一，或含1层泥岩夹石。距上部Ⅴ煤层1.15～20.70m，间距平均为8.66m，顶板为泥岩、凝灰岩，底板为凝灰岩、粉细砂岩，局部可采，为不稳定煤层。

Ⅶ煤层：位于下部含煤段，见煤点数4个，可采点数2个，可采面积1968万km2。全层厚度（含夹石）1.16～1.26m，厚度平均1.21m；煤层可采厚度（纯煤）0.97～1.16m，可采厚度平均1.07m。煤层结构单一，或含1层夹石。该层距上部Ⅵ煤层144.00～177.74m，间距平均为162.21mm，顶板为含炭泥岩、泥岩，底板为泥岩、粉细砂岩，局部可采，为不稳定煤层。

3地面沉降地质灾害预测评估

3.1全矿井开采煤层变形量预测

根据矿区煤矿煤层赋存条件、预测采煤方法及工艺等条件，以及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列预计方法，对主要可采煤层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ开采后，采用概率积分法中的最大值预测方法进行全矿井地表变形量预测。模式如下：

最大下沉值：W0= M×q×cosα，mm

最大倾斜值：i0= W00 /r ，mm/m

最大曲率值：K0=1.52× W0 /r2，10-3/m

最大水平移动值：U0=b×W0，mm

最大水平变形值：ε0=1.52×b× i0，mm/m

影响半径： r=H/ tgβ。

上式中：M—煤层开采厚度，m；

H—煤层埋藏深度，m；

α—煤层倾角，°；

r—开采影响半径，m；

q—下沉系数；

b—水平移动系数。

地表变形计算有关基本参数确定如下：

初次采动的下沉系数为：q= 0.55-0.76

重复采动的下沉系数为：q=0.80

水平移动系数： b=0.313

初次采动影响角正切： tgβ= 1.84-2.49

重复采动影响角正切： tgβ=3.0

根据以上预测模型和有关参数对矿区煤矿可采煤层开采引起的地面沉降、倾斜、移动和变形进行预测，预测结果见表1。

可采煤层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ，煤层倾角12.1°～14.11°。

3.2铁路受保护面积的确定依据

铁路受保护面积包括受护对象及其周围的围护带。

3.2.1受护对象的确定

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第57条规定：按建铁路的重要性，用途以及受开采影响引起的不同后果，将矿区范围内的铁路保护等级分为四级。

铁路保持等级划分

保护等级 铁路等级

Ⅰ 国家一级铁路

Ⅱ 国家二级铁路

Ⅲ 国家三级铁路

Ⅳ 工矿企业（一级、二级、三级）

此次矿区内铁路为国家一级铁路，其保护等级为Ⅰ级。

3.2.2围护带的确定

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第59条规定：留设铁路煤柱时，受保护面积的设计：路基两侧路基坡脚外1m为界，然后沿受护对象边界规定向外留设围护带。此次矿区内铁路为国家一级铁路，其保护等级为Ⅰ级，围护带宽度确定为20m。

建（构）筑物各保护等级煤柱的围护带宽度

保护煤等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

围护带宽度（m） 20 15 10 5

综上所述，该项目地面受保护面积为项目用地范围周边各外延20m，大于铁路用地范围。

3.2.3保护煤柱范围（压矿面积）的确定方法

3.2.3.1剖面线的确定

建设项目形状为带状其受护范围为矩形，各边均与煤层斜交，该建设项目压覆煤炭资源量采用垂直剖面法。在平面图上以建筑物用地范围的角点归方，外加宽20m的围护带，剖面线位置是在计入储量计算的各可采煤层的最大埋深和最小埋深处做垂直于建筑物围护带的剖面线。

3.2.3.2剖面图的做法

A、将委托单位提供的地形图与各可采煤层资源储量计算图正确叠加。

B、建设项目的围护带边界线作煤层的倾斜剖面线二条和走向剖面线两条，然后在剖面上分别求出保护煤柱边界。

3.2.3.3确定保护煤柱范围的计算公式

①松散层移动角（φ）

本区松散层厚度最大为8米，松散层移动角按国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定，松散层移动角φ值取45°。

②上山、下山方向岩层移动角（β、γ）

经查阅区域地质报告，白垩系城子河组（K1c）、穆掕组（K1m）岩石硬度属于中硬岩。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的205页（鸡西矿区）γ=70.8°，β=67°。

③走向移动角（δ）

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的205页（鸡西矿区）的岩层水平移动角δ=73.5°。

如剖面线不是垂直或水平于煤层的走向线，可以采用以下公式换算上山、下山岩层伪移动角（β′、γ′）。公式如下：

式中θ为剖面线与走向线夹角。

根据以上计算，铁路两侧预留保护煤柱宽度332.69-388.64m不等。在工作区内预留铁路保护煤柱后，对工作区内全矿井开采量预测地面沉降量范围。详见图1。

4结论

全矿井开采后，矿区形成2个沉降区，面积分别为铁路北侧103.86km2，铁路南侧6.77 km2；沉降中心的最大沉降值为8500mm，最大倾斜值为94.94mm/m，最大曲率值为2.1408×10-3/m，最大水平移动值为2391.47mm，最大水平变形值37.64 mm/m，最大影响半径519.48m。

沉降区域内沉降深度为1-8.5m，其上部不适宜土地建设，仅适合仓储类的建筑物；矿区开采前做好预测沉降区内已有建筑物的动迁工作，矿区工业场地建议建设在铁路预留保护煤柱上部。