煤层开采引起的地表移动变形预计

2021-02-05季鲲鹏孙炳鑫

天津化工 2021年1期

季鲲鹏，孙炳鑫

（河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038）

在煤炭开采的过程中，随着工作面的不断推进，势必会对地表造成一定影响，例如使地表产生裂缝，沉陷，发生边坡滑坡等灾害。因此，为对开采后导致的地表影响程度进行评估，对煤炭开采造成的沉陷进行预计便具有十分重要的意义。

在开采沉陷的多种预计方法中，概率积分法以其理论基础坚实、计算形式简单、公式便于推导、计算速度较快等诸多特点而成为对开采沉陷进行精确预计的主要方法[1～3]。针对该方法，国内外许多学者进行了大量研究[4～6]。本文利用概率积分法，对某矿区工作面开采后地表变形规律进行预计，为开采工作提供理论基础。

1 预计参数与采动程度分析

该工作面走向L=1200m。倾向L=180m，煤层D=3m，平均采深H 约为280m。通过收集本矿区及周围矿区的相关资料，确定概率积分法的5 个预计参数：下沉系数q=0.8，主要影响正切tanβ=2.2，开采影响传播角θ=90°，拐点偏距s=0.01H，水平移动系数b=0.26。基于以上预计参数，通过概率积分法对开采后的地表移动规律进行预计，绘制出开采后地表移动变形曲线图。

首先应该判断该工作面是否达到充分采动，充分采动程度可以用采动系数n1、n3来表示。采动系数计算公式如下：

式中：n1——倾斜方向采动系数；n3——走向方向采动系数；

K1，K3——＜1 的系数，由实测资料确定，主要与覆岩性质有关，一般是坚硬岩层时为0.7，中硬岩层时为0.8，软弱岩层时为0.9。

通过n1和n3判别地表是否达到充分采动：当n1＜1，n3＜1 时，双向均为非充分采动；n1＜1，n3＞1时，倾向未达充分采动，走向超充分采动；n1＞1，n3＜1 时，倾向已达充分采动，走向为非充分采动；n1=1，n3=1 时，双向均为充分采动。

根据该工作面的实际布设长度，参照上式进行计算，可以发现该工作面走向方向达到超充分采动，因此可视为半无限开采；而工作面倾向方向为非充分采动。因此在通过概率积分法进行计算时，倾向方向需要计算非充分采动系数。

2 地表移动变形规律分析

参照上述概率积分法预计参数，考虑充分采动程度，通过计算得出地表倾向变形曲线如图1～4 所示。

图1 中0 点位置为工作面开切眼上方考虑了拐点偏距的计算边界处，由图1 可知，工作面开采完毕后，地表倾向方向最大下沉值约达到2000mm，由于未达到充分采动，下沉曲线呈现漏斗形，且曲线关于采空区中心对称。由图2 可知，地表倾斜曲线最大值为15mm/m。最小值约为12mm/m。工作面左侧地表向右侧倾斜，右侧地表向左侧倾斜，地表变形均指向采空区中心。由图3可知，水平移动最大值约为500mm 左右，最小值为460mm。由图4 可知，地表最大水平变形值为7mm/m，最小为10.5mm/m。由于煤层接近水平煤层，地表地形为平地，因此上述图1～4 地表变形曲线较为对称。

图1 工作面倾向主断面下沉值曲线

图2 工作面倾向主断面倾斜值曲线

图3 工作面倾向主断面水平移动值曲线

图4 工作面倾向主断面水平变形值曲线

3 采动对地表的影响及治理

根据上文的预计结果，开采工作会对地表产生较为严重的影响，会造成地面沉陷，产生地表裂缝，对耕地，既有建筑物、构筑物等设施产生影响，可能会产生墙体开裂，楼房倾斜等问题。除此之外，煤矿开采的过程中，当顶板突然发生断裂，会产生类似于一次小型地震的震动，可能会使地表的岩石开裂，导致崩塌，滚石。针对工作面开采可能产生的问题，可井上、井下分别采取治理措施。

对于井上，可采取对塌陷区进行回填的措施。回填时应按照规范分层回填，分层压实。首先开挖至塌陷坑的顶部，将混凝土板等较为坚硬的物质填入，再在其上方填入碎石等，最后进行填土，并形成一定的坡度，避免后期采空区发生残余变形导致地表继续下沉，同时方便排水。此外，可根据恢复生态环境的需要，对地表进行绿化和生态恢复处理。对于井下，可考虑采用充填开采法，或采取保留煤柱的措施、或进行离层注浆等，控制煤层顶板压力，减弱煤层开采对地表带来的影响。