桑树坪煤矿北一采区浅部开采沉陷影响稳定性分析

李赟瑜

(陕西陕煤韩城矿业有限公司地质测量部，陕西 韩城 715400)

0 引言

桑树坪煤矿北一采区浅部各采掘工作面曾于1997年前回采结束。2013年韩城市人民政府“关于尽快解决桑树坪镇崖岔村北山房屋(窑洞)裂缝问题的函”反映崖岔村33户村民房屋出现裂缝系桑树坪煤矿开采所致。为此，针对煤矿开采引起地面沉陷的范围、影响程度以及稳定时间等进行调查研究。经过现场测量，结合国家有关开采沉陷规程、有关资料和研究成果，对该区域开采沉陷影响村庄煤柱的稳定程度进行了定性和定量分析。

1 采区概况

1.1 煤层开采情况

桑树坪煤矿北一采区浅部依次开采了4301～4307等7个工作面，开采设计时留设了保安煤柱。从其开采时间上划分为2组：4301～4304工作面为一组，其开采结束时间为1986年3月以前；4305～4307工作面为另一组，其开采结束时间为1992年4月～1996年4月。开采方法为分层炮采，一般为2～3个分层开采，分层采厚均在2 m以下，全部冒落法管理顶板。

4302、4303和4304工作面距离崖岔村村民房屋较近，其煤炭开采深度为135～278 m，煤炭开采深度变化较大，在山谷区域煤炭埋深较浅、山梁地段煤炭埋深较大，该区域黄土覆盖层厚度随着地形的起伏也存在较大的变化，该区域黄土覆盖层厚度为6～33 m，平均厚度在15 m以下。桑树坪煤矿北一采区浅部各工作面开采情况见表1。

表1 北一采区浅部开采工作面情况

该区域建筑物依据地形而建，一般建设在地形较为平缓的地带。建筑物有桑树坪煤矿医院、职工宿舍楼以及崖岔村的村民房屋。村民房屋大多为2002年以后建设，建筑结构多为砖石基础，木屋顶或空心楼板屋顶，一般无圈梁、地梁。村庄还有一类建筑为黄土窑洞，分布在土坡的山脚下，大多已废弃，有的在原窑洞位置平整后建设了平房，目前仅个别窑洞仍在使用，如图1所示。

图1 桑树坪煤矿北一采区工作面布置图

1.2 小煤矿开采情况

根据相关资料，位于崖岔村和桑树坪工业广场北侧的禹昌煤矿在桑树坪煤矿北一采区浅部进行煤炭开采，开采2#、3#和11#煤层，经过多年的开采，其浅部资源早已枯竭，近年来主要复采桑树坪煤矿采空区的残余煤炭、留设的煤柱资源以及桑树坪未开采的2#和11#煤层，禹昌煤矿部分采掘巷道分布图如图2所示。

图2 禹昌煤矿部分采掘巷道分布图

2011年8月7日，陕西陕煤韩城矿业公司桑树坪煤矿发生透水事故，造成矿井被淹。国家安监总局【安委办〔2011〕29号】明确事故原因是禹昌煤矿11#煤层底板发生突水，通过采空区进入桑树坪煤矿北一采区，在280大巷密闭墙处溃入矿井。从其突水事故及调查资料看，禹昌煤矿在桑树坪煤矿北一采区浅部的4303、4304工作面区域对2#煤、3#煤和11#煤进行开采。

2 矿井开采影响分析

2.1 地表移动稳定时间

开采引起的地表移动随着开采的结束，采空区垮落的岩石被逐渐压实，岩层内部应力重新达到平衡，地表移动也逐渐稳定，开采沉陷带来的对地表及其建筑物的影响也逐渐减小。采动影响依据地表移动特征一般可分为移动初始期、移动活跃期和地表移动衰退期3个阶段。开采引起的地表移动一般以下沉10 mm时作为地表移动期的开始时间，连续6个月下沉值不超过30 mm时，可认为地表移动结束。因此，地表移动的延续时间是判定地表移动稳定与否的依据。地表移动的延续时间可根据下式计算

T=2.5H0(d)

式中：H0—工作面平均采深，m；T—地表移动延续时间，d。

桑树坪煤矿北一采区浅部的4302、4303和4304工作面，依据其开采结束时间和开采深度，其地表延续时间计算结果详见表2。

表2 桑树坪煤矿北一采区工作面地表移动延续时间表

由表2可以看出，桑树坪煤矿北一采区浅部的4302、4303和4304工作面最晚于1986年3月开采结束，最长地表移动延续时间为688天，其对相应区域地表的移动于1988年初已结束。经调查，该村村民房屋裂缝均在2002年后产生，与桑树坪煤矿北一采区浅部开采无关。

2.2 影响范围计算

煤炭开采引起的地表下沉、变形程度及范围与开采方法、开采深度以及煤层赋存条件等相互关联。为了掌握煤层开采和地表影响范围的关系，采用边界角法和概率积分法2种方法进行煤炭开采地表影响范围计算。

边界角法：边界角法是利用在煤炭开采过程中，通过岩层移动观测取得的开采影响边界角，划分采动影响区和不受采动影响区边界，如图3所示。参照桑树坪煤矿北一采区的4310工作面地表移动观测站的实际观测结果，综合边界角为56°～61°，取综合边界角56°划定开采影响范围，如图4所示。位于影响范围线以内(开采侧)的房屋会受到开采的影响，而位于影响线以外的房屋不会受到开采的影响。

图3 边界角划定开采影响边界示意图

概率积分法：①计算模型确定—概率积分法预计地表移动变形是以正态分布函数为影响函数用积分式表示地表下沉盆地的方法，适用于常规的地表移动与变形计算，由多个工作面引起地表点P(x，y)的移动与变形值是各单一工作面影响值的代数和;②计算参数选取—结合该区域的地质采矿条件，确定概率积分法计算参数；③计算结果—依据4302、4303、4304工作面开采厚度、采深等实际情况，对地表变形进行了预计，经过计算地表最大下沉为4.1 m，出现在开采区域工作面中部、崖岔村北部斜坡的上端，最大倾斜42.3 mm/m、最大水平拉伸变形23.0 mm/m、最大水平压缩变形27.0 mm/m。一般以煤炭开采引起的地表下沉10 mm作为地表开始移动的界限，根据地表变形的预计结果，以预计地表下沉等值线10 mm线作为开采影响外边界，边界线以内为开采沉陷影响区受采动影响，边界线以外为非开采沉陷影响区不受采动影响，图4为采用边界角和概率积分法确定的开采影响边界线，边界线由14个坐标点圈定，具体坐标见表3。由上述分析可以看出，桑树坪煤矿北一采区浅部开采时留设的工业广场和崖岔村保安煤柱是可靠的，4302、4303、4304工作面的开采不会对崖岔村村民房屋造成任何影响。

表3 桑树坪煤矿对崖岔村及工广区域开采影响边界拐点坐标表

图4 桑树坪煤矿对崖岔村及工广区域开采影响范围图

2.3 坡体地形稳定性分析

为了更加科学地对工广和崖岔村区域地形结构进行分析，依据桑树坪煤矿的地质钻孔和地形图，对桑树坪煤矿北一采区浅部开采是否对坡体的稳定性产生影响进行分析。为此绘制了沿煤层走向和倾斜的2条剖面线：剖面线位置如图5所示，沿煤层倾向的剖面图如图6所示，沿煤层走向的剖面图如图7所示。

图5 工广和崖岔村区域剖面线位置及对照图

图6 工广和崖岔村区域沿煤层倾向剖面图

图7 工广和崖岔村区域沿煤层走向剖面图

从剖面图可知，影响区域内的坡体坡度为16°，基岩岩层坡度较缓，与煤层倾角基本一致，一般在3°～5°之间，由于受强烈的剥蚀、地表水的长期冲蚀切割和风化作用影响，部分基岩岩层缺失，形成了目前的坡体地形，坡体表层为薄层黄土覆盖，黄土层厚度为6～33 m。

桑树坪煤矿北一采区浅部的开采区域位于坡体的中上部，开采方向与坡体倾斜方向一致，在地表下沉盆地形成过程中，从坡顶往坡脚方向逐渐下沉，崖岔村位于坡体的底部，桑树坪煤矿在崖岔村及工业广场区域留设的保安煤柱，使在靠近煤柱区域下沉量逐渐减小，最终形成以坡顶区域为盆底的下沉盆地，坡体与地下开采下沉的关系如图8所示。

图8 坡体与煤地下开采关系图

从图8可以看出，桑树坪煤矿北一采区浅部的开采影响范围为坡体的中上部，未对坡脚产生开采影响，即不会影响崖岔村村民的房屋。

桑树坪煤矿北一采区浅部的开采已于1986年前开采结束，在无其他采掘扰动条件下，老采空区经过了多年的沉积、压实，采空区上覆岩层应力处于平衡状态，地表稳定。

3 小煤矿采动影响评价

禹昌煤矿在桑树坪煤矿北一采区浅部的老采空区区域进行煤炭的复采和下层11#煤层的开采，并于2011年8月7日发生奥灰岩溶水的突水事故。新的采掘活动将导致原来已稳定的岩层应力平衡被打破，采空区上方岩层再次发生移动，出现地表变形并不可避免地活化或生成了新的地表裂缝。

崖岔村村民房屋一般建设在山脚及土崖的边缘，属于高陡削坡后所建，高陡削坡会引起坡体失稳，从而对村民房屋造成破坏。从房屋裂缝形态及地表裂缝关系看，裂缝成因十分复杂，大多数房屋裂缝与房屋结构、质量、地基以及高陡削坡等有关。禹昌煤矿在该区域的采掘活动，对该区域地表移动产生了活化影响，导致上覆岩层再次移动，并产生了一系列的开采损害影响，与房屋产生裂缝有关系。详见地表裂缝分布及开采如图9所示。

图9 地表调查裂缝分布及开采对照图

4 结论

(1)桑树坪煤矿在开采4302、4303和4304等工作面时留设了保护煤柱且1986年3月停止开采，其开采影响的地表移动已于1988年2月结束。当时村民房屋也未产生裂缝，之后更不会对村民房屋及坡体产生任何影响。

(2)禹昌煤矿在桑树坪煤矿北一采区浅部的已采区域进行复采和11#煤层的开采，曾经于2011年8月7日发生奥灰岩溶水的突水事故，禹昌煤矿在该区域的采掘活动，对其地表移动产生了活化影响。

(3)崖岔村村民房屋一般建设在山脚土崖附近，多为高陡削坡后所建。从房屋裂缝形态及地表裂缝分布情况看，裂缝成因十分复杂，其裂缝与房屋结构、质量、地基以及高陡削坡失稳等有关。