煤矿矿层埋深及开采方式引起地面塌陷的特征分析——以杉树堡煤矿为例

徐再贤，戴自然，吴福飞，徐一帆

(1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省地质工程勘察院，贵州 贵阳 550004)

0 前 言

贵州煤资源丰富，面积占全省土地面积约40%，高达70 000 km2。20世纪80年代以来，乱开乱采严重，21世纪以来，在煤矿的大规模治理与管理滞后情况下，在地下煤层大面积采空后，采空区的围岩应力发生改变，地质灾害频发，随着时间的推移，开采引起的“地面塌陷”为开始凸显，破坏了地形地貌、地表耕地、林地及地面建(构)筑物，造成了环境与经济的巨大破坏及损失。本文对已发生地面塌陷的矿山现场实地调查，分析地面塌陷形成原因，研究讨论了矿层埋深引起地面塌陷的特点，为简化矿山开采计算力学模型和数值模拟分析提供一些启发。

1 井田地质特征及矿层埋深

杉树堡煤矿井田及附近出露地层有二叠系中统茅口组(P2m);二叠系上统龙潭组(P31),岩性以泥质粉砂岩为主,及4层可采煤层(C4、C5、C9、C15),厚度95～120 m； C4煤层位于龙潭组中上部，上距长兴组灰岩底界15～25 m，厚1.50～2.20 m，平均厚1.80 m；C5煤层位于龙潭组中部，上距C4煤层4～8 m，厚1.28～1.52 m，平均厚1.40 m； C9煤层位于龙潭组中部，上距C5煤层4～15 m，厚1.30～1.60 m，平均1.40 m； C15煤层位于龙潭组底部，上距C9煤层50～65 m，下距茅口组灰岩顶界3～5 m，厚1.80～2.20 m，平均厚2.00 m;长兴大隆组(P3c)；三叠系下统大冶组(T1y)、第四系(Q)。本矿含煤地层为二叠系龙潭组(P3l)。杉树堡煤矿综合柱状图如图1所示，矿层埋深为0～233.5 m。计算得出C4煤层垮落带高度为8.8 m、导水裂缝带高度为33.4 m，C5和C9煤层垮落带高度为7.7 m、导水裂缝带高度为29.6 m，C15煤层垮落带高度为9.2 m、导水裂缝带高度为35 m。如图1所示。

图1 综合柱状图及导水裂缝带高度示意图

矿区大地构造位置为杨子准地台黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区安底背斜北西翼，地层呈单斜产出，产状较稳定，倾向350°～10°，倾角一般6°～10°，平均倾角8°，无区域性断裂构造发育，矿区地质构造简单；地震基本烈度为Ⅵ度；矿区主要岩土工程地质特征为硬质岩类工程地质岩组、软质岩类工程地质岩组及松散岩类工程地质岩组三类。

2 地表沉陷预测模型

地表沉陷预测采用概率积分法模型。该模型稳定态预计模型，即在倾斜煤层中开采某单元i，按概率积分法的基本原理，单元开采引起地表任意点(x，y)的下沉( 最终值 )为：

We0i(x,y)=(1/r2)×exp(-π(x-xi)2/r2)×
exp(-π(y-yi+li)2/r2)

(1)

式中，r为主要影响半径，r=H0/tgβ；H0为平均采深；tgβ为主要影响角β之正切；li=Hi×Ctgθ，θ为最大下沉角；(xi,yi)为 i单元中心点的平面坐标；(x,y)为地表任意一点的坐标。

设工作面范围为：0～p(p为工作面走向长，m)，0～a(a为工作面沿倾斜方向的水平距离组成的矩形，m)。

变形与移动的最大值分别由下式计算：

最大地表下沉值Wmax=η× m×cosα

(2)

最大地表倾斜值imax=Wmax/r

(3)

最大地表曲率值Kmax=±1.52Wmax/r2

(4)

最大水平移动值Umax=b×Wmax

(5)

最大水平变形值εmax=±1.52 b×Wmax/r

(6)

式中，m为煤层法线采厚， m；η为下沉系数；α为煤层倾角；b为水平移动系数；H为开采煤层距地表垂深(采深)， m；r为主要影响半径，r=H/tgβ， m；tgβ为主要影响角正切。

杉树堡煤矿煤矿平均煤层倾角8°。开采后地表沉陷预测采用矿区沉陷预测预报系统hpMSPS软件参数取值下沉系数η =0.665(根据覆岩评价系数P和岩性系数D对应关系取值)，主要影响角正切：tgβ =(1-0.0038α)×(D+0.0032H)；主要影响半径：γ = H/tgβ， m；水平移动系数：b = 0.35；拐点偏移距：S覆岩属中硬性质，其拐点偏移距S =0.177H；影响传播角：θ = 90°-0.68α(α<45°)。

杉树堡煤矿煤矿海拔高程+880～+1013.5 m，高差133.5 m。矿区煤层4层最低开采标高为+780 m，开采煤层厚度6.60 m，矿区浅部采深30 m，深部采深233.5 m。根据煤层开采厚度、采深及有关预测参数，计算矿井矿层开采后产生的地表移动变形最大值见表1。

表1 煤矿矿层开采后地表移动变形预测模型的最大计算值

杉树堡煤矿煤矿全部可采煤层开采后地表移动变形预测最大下沉值5 490 mm，最大水平移动值为1 760 mm，最大倾斜值imax=54.65～393.19 mm/m，最大曲率值Kmax=0.82～42.8(10-3/m)，最大水平变形值εmax=26.63～191.63 mm/m。对于同一煤层，随着深度的增加其地表变形最大值逐渐减小。

3 矿区地面塌陷特征

杉树堡煤矿地面塌陷特征表见表2。

从表2可知，其中TX1～TX8、TX13～TX14主要为开采C4煤层采空区和原有采煤巷道所致。TX9塌陷是开采C5煤层形成采空区所致。TX10、TX12塌陷系原有老采煤巷道和开采C5煤层形成采空区所致。TX11则为原主井巷道顶板塌落所致。

表2 杉树堡煤矿地面塌陷特征表

4 结 论

矿区范围内已发生的地面塌陷标高为+950～980 m，C4、C5、C15矿层埋深14～118 m，属于浅部开采；在采空区顶板覆岩厚小于煤层安全深度(Hδ=220 m)范围内极易发生地面塌陷，除TX11因原主井巷道顶板塌落导致塌陷深度为9 m；其余塌陷现场调查塌陷深度均在3 m左右，预测最大下沉值为5.49 m，最大水平移动值为1.76 m，其塌陷深度在预测最大下沉值范围。

矿区地面塌陷的影响因素与煤层厚度、开采深度(顶板覆岩厚)、地形地貌、水文地质条件、上覆岩土体的物理力学性质、采矿等因素有关，其问题复杂；通过大量矿山地面塌陷调查，建立简化计算力学模型和数值模拟分析，为矿山地质灾害预测、防治提出科学依据，防患于未然。

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