黄河流域浅埋深煤层开采冒落沉陷特征及治理复垦技术研究

张会军

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013； 2.中国煤炭科工集团 北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013)

黄河流域煤炭资源富集，晋陕蒙宁甘地区探明煤炭资源保有储量占全国的2/3[1]，该区域浅埋深煤层规模化开发始于20世纪90年代[2]，浅埋煤层的典型特征是埋深浅(大多在200m以下)、基岩薄、表土厚，其中鄂尔多斯矿区就是我国典型浅埋煤层开采区域之一。由浅埋煤层开采引起的覆岩破坏典型特征是顶板来压强烈、工作面顶板易切顶冒落、覆岩破断角大、多波及地表，地裂缝及塌陷对地表损毁严重等[3-5]。

国内许多专家学者关于浅埋煤层覆岩结构与破坏特征、顶板压力显现规律与顶板控制技术及开采参数等方面开展了大量的研究工作。石平五、侯忠杰、黄庆享等教授[6-11]在顶板灾害防治与安全管理、覆岩结构及稳定性控制方面成效显著，揭示了浅埋煤层顶板切落与压架内在机理、顶板来压与地表沉降发育规律。张世凯教授等[12]针对神东矿区顶板来压特征，开展了来压机理和覆岩垮落规律的系统研究，并提出了顶板“全厚切落式”来压的概念。采空区地表沉陷预计方面，国内许多学者通过大量实践研究，也取得了较多研究成果[13]。比如概率积分法[14，15]、曲线法和剖面函数法[16，17]及影响函数法等。但未就浅埋煤层开采中顶板灾害剧烈来压、覆岩破坏冒落与地表沉陷衍生规律、采动沉陷影响区域技术治理与分区复垦等方面开展全面研究，本文以鄂尔多斯薛家湾宝通煤矿浅埋煤层实验工作面为研究切入点，深入地开展了浅埋煤层开采顶板来压规律、冒落沉陷特征、沉降预计、沉陷治理与复垦研究，其对浅埋煤层安全高效开采与治理复垦具有极其重要的指导意义。

1 矿井及工作面概况

鄂尔多斯薛家湾宝通煤矿为整合矿井，位于准格尔煤田东缘，井田面积6.3359 km2，黄河在井田东侧流过，由于黄河的下切和其支沟的向源侵蚀，煤系地层在黄河西岸和冲沟内裸露地表，地貌具有黄土高原典型的沟、峁特征。区内标高一般在1100～1200m，黄河陡峭的基岩河岸与河滩的相对高差180～190m。矿井北部为柳安煤矿，西部为宝昌煤矿，西南角有一废弃老窑。

井田构造简单，为一单斜构造，倾向SE—SW，倾角1°～5°。矿区内可采煤层5层(5、6、8、9、10号)，其中9号煤层为主采煤层，平均采高3.6m。埋深一般在120～160m，平均140m，为典型的浅埋深矿井，本文以1902工作面为实验工作面，工作面长150m，走向长度900m。B5钻孔煤岩柱状图如图1所示。

图1 B5钻孔煤岩柱状

2 顶板来压实测研究

工作面顶板来压规律研究是采场围岩控制的关键环节，由于浅埋深矿井具有埋深浅、基岩薄等特点，其顶板来压特征及显现规律与常规矿压显现规律存在着较大的不同[18-20]。为更深入地研究浅埋矿井顶板冒落特征及矿山压力显现规律，在1902综采工作面集中布置6条测线(工作面长度145m，中部测线两架一组，其余测线一架一组)，采用顶板压力动态测试仪，全程动态监测分析工作面支架压力变化。分析数据选取时间从实验当年的9月24日15时至11月13日12时，此段时间内工作面从485m推进到635m，共推进150m。通过专用数据处理软件进行顶板压力显现特征研究，可准确掌握工作面覆岩来压显现规律。各支架周期来压步距见表1。由表1可知，在实验工作面顶板来压特征监测期间，经同步实时分析监测数据，共捕捉到顶板10次周期来压，最大来压步距25.4m，最小来压步距5.85m，平均来压步距为12.72m。

通过深入研究总结发现，实验工作面顶板显现特征集中表现为顶板来压显现强烈、周期来压规律性不明显。

3 开采沉陷似模拟研究

3.1 模型建立

以相似理论、因次分析为依据，将相似材料模拟实验与现场观测有机结合，对研究对象开展相似模拟研究，实验过程中根据模型的应力、位移及破坏特征变化，用以深入全面地认识和掌握浅埋煤层长壁开采条件下覆岩运动、应力分布及地表沉降等规律[21，22]。采用平面应变模型研究开采过程中煤层及覆岩的移动、变形及地表沉降分布规律。

依据相似定理，并根据鄂尔多斯薛家湾宝通煤矿实验工作面现场条件及实验模型情况，选取以下参数：几何相似参数C1=1∶100；容重相似常数Cγ=1∶1.61；时间相似参数Ct=1∶10；应力及强度相似常数Cσ=1∶1.61。

模型直接铺装到地表，设计高度163.7cm，其中上覆岩层厚度140cm。9#煤层为3.6cm，底板厚度为20.1cm。相似材料主要有河砂、石英砂、碳酸钙、石膏等。实验现象和数据采用素描、拍照、量测(YHD-10型位移传感器)、记录等多种方式进行采集。

表1 各支架周期来压步距

3.2 采场覆岩移动特征

在相似模拟实验中，开展了5次顶板来压观测和9次裂隙带贯通地表观测。裂隙带9次导通地表时，通过分析上覆岩层移动量，发现工作面开采后，煤层直接顶范围内的岩体均随采随冒，而基本顶及其上覆岩层则在工作面推进一定距离时才开始逐步垮落，这与现场实测工作面顶板来压相对强烈特征基本一致，同时受煤层埋藏浅、基岩薄、表土厚等因素影响，工作面顶板周期来压规律性不明显。随着工作面的推进，上覆岩层难形成较稳定的覆岩结构，覆岩垮落带高度及裂隙带高度不断向上发展，直至裂隙带贯通至地表。

图2 历次导通地表后地表位移变化量曲线

本次实验中，在实验台上部表面(地表)共布设20个位移计，相邻间隔16.84cm。根据实际开挖进度，全程记录地表下沉量监测值。实验结束后，每间隔一天相应记录完全采动后下沉数据。实验观察发现，基本顶周期来压裂隙未导通地表时，地表下沉量无明显变化。一旦来压后导通地表，将引起地表下沉，整理数据得出地表下沉变化量的曲线，如图2所示。

4 开采沉陷预计分析

在开采沉陷预计方面，国内专家学者已有较多技术成果，其中概率积分法应用最为广泛，具有参数容易确定、实用性强等优点。开采引起的地表移动过程，受开采深度、开采方法、开采厚度及矿体的产状等多因素影响，地表移动和破坏的形式也不完全相同[23-26]。薛家湾宝通煤矿属典型浅埋矿井，且其井田大部分区域为风化带，采空区上覆岩层顶部基岩风化严重，加之受工作面顶板来压交替影响，其非匀称、偶变沉陷特征将更为显著。采用概率积分法对薛家湾宝通煤矿矿区采动沉陷预计开展研究[27]，其参数选取见表2，地表沉陷预计结果见表3。

表2 概率积分法预计全采参数选取

5 采空区治理复垦技术研究

5.1 采空区补强勘察

薛家湾宝通煤矿为原小型煤矿整合矿井，矿区位于峁梁之上，峁梁南北两侧被小焦稍沟的支沟环绕，平时以基岩裂隙水补给为主；集中雨季，沟谷又汇集雨水注入黄河。地表构筑物主要有电厂至小沙湾Ⅰ回、电厂至小沙湾Ⅱ回、唐黑线、进场公路。经调研核实已知采空区面积仅为0.25km2，矿井周边存在隐蔽采空区域。采用高密度电法和瞬变电磁法对未知1.99km2进行补强勘察，后续新增采空区面积0.67km2。

表3 地表沉陷预计结果

5.2 悬顶老空区治理

在采空区补强勘察的基础上，依据老空区地表周边建(构)筑物状况、周围开采规划，对采空区的安全隐患、危害程度进行评价，合理确定出老空区顶板未塌陷区域且需要对其进行处理的区域范围(主要集中在地表公路区域)，并对该范围内的相关对象提出注浆充填技术方案，详细内容见表4。

表4 公路下采空区治理技术方案

5.3 开采沉陷区土地复垦技术方案

薛家湾宝通煤矿区域生态系统脆弱，生态系统简单，植物种类少，数量也较少。本区土壤主要有4个类型，即栗钙土、粗骨土、潮土、风沙土，其中栗钙土为本区主要地带土壤。区内干旱多风、暴雨集中，水土流失和土地沙漠化严重。特别是伴随矿井开发建设，改变了土地的原有使用功能，矿井配套设施的建设及产生的废物都将占用大面积的土地，毁坏自然植被，同时受开采沉陷影响，土壤结构变松，涵水抗蚀性降低，降低了土地生产能力。煤层开采引起的裂隙带不断拓展延深，进一步加速了有关裂隙带的贯通，地表水体和地下水可能沿裂隙产生透水、下渗，改变地表植物耕层水分原有的动态关系，使上覆土壤更趋干燥，更不利于植物生长。

煤矿土地破坏程度与塌陷深度、地表坡度变化以及塌陷裂缝的宽度和深度紧密相关。综合考虑国内外采煤沉陷土地破坏程度分区的相关成果和经验，并结合宝通煤矿实际条件，建立了地表沉陷土地破坏程度的分级标准，见表5。

表5 土地破坏程度等级分级指标

在采空区实地调查和物探补勘的基础上，同时结合土地破坏程度等级分级指标，经研究分析初步确定出了宝通煤矿的土地破坏面积，见表6。并结合现场的实际条件，提出了对应工程复垦技术手段和复垦标准，见表7。

表6 煤矿开采沉陷后土地破坏面积

表7 矿区复垦技术方案

6 结 论

1)通过开展现场实测和相似模拟研究分析发现，实验工作面覆岩来压显现强烈、来压规律周期性不明显，基本顶及其上覆岩层随工作面推进滞后垮落。基本顶周期来压裂隙未导通地表时，地表下沉量无明显变化。一旦来压后导通地表，将引起地表下沉，这就进一步增加了现场安全防控难度。

2)通过采用概率积分法开展浅埋煤层沉降预计分析，初步确定了开采引起的沉降、倾斜、水平及沉降面积等关键参数，为开展土地损毁统计调研工作奠定了基础。

3)采空区实地调查和物探补勘技术成果确定了采空区的实际分布范围，建立土地破坏分级指标并实现了不同等级土地破坏面积划分，同时对特殊悬空区域提出了治理工程技术方案和开采沉陷影响区的工程复垦技术方案。