六道湾煤矿西翼塌陷区沉降变形规律研究

李云龙，郭春颖，徐 敏，刘军柱，孙建敏

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083；2.中国地质工程集团公司，北京 100083)

1 六道湾煤矿简介

六道湾煤矿塌陷区位于乌鲁木齐市水磨沟区七道湾乡六道湾村至七道湾之间。塌陷区西段位于乌鲁木齐市中心地带，西面和南面紧邻南湖路和外环路，东面临近六道湾路，南面距乌鲁木齐市政府700m。六道湾煤矿已有50多年的开采历史。塌陷区内大槽煤层露头处，呈条带状或串球状塌陷坑。由于长期开采地下煤层，采空区及其影响范围，己形成了4.4 km2的大面积地面塌陷及沉降变形区，严重破坏了地表地质环境。

随着六道湾煤矿不断地向深部开拓回采，塌陷区地面变形处于活跃期，岩移和地面冒落式塌陷随时都有可能发生，危害十分严重。对六道湾煤矿西翼塌陷区地面变形进行监测，可以获得有关地质灾害危害性、实时沉陷变形量等信息。特别是通过长期的观测资料，掌握其变形规律，有助于了解地面沉降，地面变形的机理，为进一步治理提供科学依据。

2 地质概况

在构造上，塌陷区属六道湾井田的西翼，构造特征基本上与六道湾井田整体构造一致。塌陷区内构造简单，没有明显的断裂破坏，地层产状变化不大，东段走向为60°左右，西段为64°～66°，在六道湾煤矿西二石门～西三石门一带微向南凸呈弓形，倾向330°～336°。岩层倾角一般65°～75°，下段煤层(B1～B6)倾角较大，为65°～75°；上段煤层(B7～B33)倾角逐渐变为60°～65°，局部54°。岩层浅部倾斜较陡，倾角在70°～75°，个别可达80°，向深部变缓为50°～55°。岩层东部倾角较小，西部较大，东西部有6°之差。总的变化规律是：岩层倾角由南向北逐渐变小，由东向西逐渐变大，由浅到深岩层逐渐变缓。

六道湾井田位于准南煤田东南部乌鲁木齐矿区西部，塌陷区内均为陆相沉积地层,以中新生界为主，其中以侏罗系分布最广,新生界次之。塌陷区区域出露地层除南部的红山背斜有二叠系分布外，在整个工作区及其南北广大地区均分布着第四系松散沉积物，下伏地层为侏罗系含煤地层，侏罗系大部分被第四系所覆盖。侏罗系包括下统的三工河组、中统的西山窑组、头屯河组,其岩相为一套河湖相,泥炭沼泽沉积,三组地层中,含煤地层为西山窑组。第四系厚度由南向北逐渐增大，在六道湾煤矿西翼塌陷区一带多为10～20m左右。

3 水文地质概况

塌陷区地下水类型，除西部靠近乌鲁木齐河床地带分布有松散岩类孔隙水外，其余广大地区均为碎屑岩类裂隙孔隙水。煤层开采前，由于煤层和所夹的炭质泥岩起相对隔水作用，煤层顶底板含水层互不连通或连通微弱。煤层开采后，所有含水层均连为一体，地下水位埋深与上覆第四系砂卵砾石孔隙含水层相一致。地下水主要接受南侧和西南、东南侧地下径流侧向补给，遇强降雨天气时，还接受少量降水入渗补给。地下水大体由南向北径流，至六道湾路以北大部分以地下迳流方式向北排泄到邻区，一部分排入六道湾煤矿的矿区排水系统，至该矿1JHJ立井以北排出地表。地下水型为SO4·Cl型，矿化度1～2 g/L。六道湾煤矿因采矿需要，通过采取井下排水措施，降低地下水位。1995～2002年间，整个矿区日排水量平均3 275.6 m3(136.5 m3/h)。丰水期为8～9月，最大日排水量4 389 m3(182.9 m3/h)；枯水期为4～5月，最小日排水量1 944m3(81 m3/h)。

4 煤层特征

六道湾井田共含煤33层，其中可采煤27层，33层煤从下到上编号依次为B1～B33。煤层走向52°～65°，倾向322°～335°，倾角在63°～88°之间，一般为67°～78°，全部为急倾斜煤层，赋存稳定。现生产水平可采煤层平均总厚度117.07～175.45 m。

井田内的可采煤层可分为上、下两段4个煤层组：下段包括B1～B6，其中B1和B2为第1组，B3～B6为第2组；上段包括B7～B33，其中B7～B20为第3组，B21～B33为第4组。下段两个组为特厚煤层，其中第1组(B1+2)称为南大槽，第2组(B3+4+5+6)称为北大槽。上段两个组为薄、中厚和厚层煤层形成的两组近距离煤层群。

5 开采历史

六道湾煤矿投产至今，已累计生产原煤3 100万t，按矿井最终开采水平为+300 m标高计算，目前已探明的剩余地质储量为18 716.6万t，剩余工业储量为12 874.1万t。

六道湾煤矿矿井开拓方式，采用立井阶段石门开拓。在20世纪80年代以前，开采规模较小，其开采方法主要采用水平分层放顶式、仓储式、斜坡落垛式等采煤方式。80年代以后，六道湾煤矿在+650m水平东翼采区北大槽，使用急斜水平分段综采放顶煤采煤技术。矿井共划分为四个水平，分别为：+650m水平；+540m水平；+430m水平；+300m水平。其中+650m水平已采完。各水平沿煤层走向划分为五个采区，分别为：东一采区；东二采区；西一采区；西二采区；西三采区。中央石门距东一、西一石门间距350 m，采区间石门间距为550 m。

目前，南大槽西二石门东至西一石门西开采到+540 m水平标高，采深达到230 m左右；北大槽从中央石门至西二石门东，已开采到+510 m水平标高，开采深度达303 m左右；北大槽以北的煤层群，已开采到+650 m水平，采深达到180 m左右；部分小槽煤在西一采区(包括B13、B14、B18、B19、B20各槽煤)，已采到+540 m水平，采深达270 m左右。六道湾煤矿西翼采区已于2007年6月25日停止采掘作业。

6 六道湾煤矿变形观测

6.1 监测点布置

六道湾煤矿西翼塌陷区范围为变形监测工作区，根据六道湾煤矿的实际情况，我们选用剖面线状观测站布点方式。剖面线状观测站是目前各矿区用得较多的一种布站形式，是在选择的特定方向上布点成直线形(除纵六线因条件限制不能布成直线，设少量转点而成折线形)。本监测区由6条倾向观测线(纵向观测线)和2条走向观测线(横向观测线)组成一个监测网。

网络采用2级布网的方法，以高精度、准确地监测六道湾煤矿西翼塌陷区地面沉降和水平移动。一级网为监测基准网，作为GPS监测地面沉降的基准，该网由4个点组成，分布在监测区周围的沉降影响带以外。地层相对稳定。二级监测网为沉降监测的基本网，由八条线构成，共计80个点组成。在监测区煤层开采深度较深的东南(中央石门至西一石门)部布设点密集，在西部(西二至西三石门)较疏。在煤层较宽的监测区南部的南大槽、北大槽布置较密集，北部较疏松。监测点位布置如图1所示。

6.2 变形监测结果分析

监测工作始于2007年12月4日，监测周期为4年，监测时间间隔为前三个月，每10天监测一次，之后每月监测一次。截至2008年10月4日，监测数据分析结果如表1所示。

表1塌陷区沉降观测部分数据单位m

测点日期2-052-062-072-082-197-012008-12-14825 045824 945825 942826 238826 574829 0732008-12-23825 041824 940825 938826 233826 574829 0752008-1-3825 044824 944825 941826 235826 574829 0732008-1-13825 040824 941825 939826 235826 573829 0742008-1-26825 041824 942825 938826 234826 574829 0752008-2-2825 038824 938825 936826 230826 568829 0662008-2-16825 040824 940825 936826 233826 572829 0682008-2-28825 038824 938825 936826 231826 567829 0652008-3-29825 039824 939825 935826 232826 569829 0662008-4-29825 028824 928825 927826 221826 558829 0652008-5-29825 028824 931825 929826 219826 557829 0662008-6-28825 017824 920825 918826 209826 546829 0542008-7-27825 012824 914825 914826 205826 542829 0532008-8-30825 014824 916825 915826 206826 543829 0532008-9-30825 012824 915825 913826 206826 542829 0522008-10-30825 011824 913825 912826 205826 540829 050

图1 监测点位布置图

根据表1数据，采用matlab软件编程，绘制出了地面沉降量的等值线图(图2)，圆圈为监测点。由图2可以看出：

图2 地面沉降等值线图

①图2中黄色线为塌陷区边界。沉降量最大区域在北大槽西一至至西二石门之间，此处煤层的采深最深，采深为303 m左右，沉降量最大达到18 mm。其次是西一采区的第三组煤(B13～B20煤层)，采深为270 m左右，沉降量最大15 mm。这说明采深越深，沉陷量较大。②监测区边界沉降量很小，这说明监测区的边界是稳定的。地层为急倾斜煤层，煤层平均倾角为70°。顶板底板岩性主要为砂岩。塌陷形成的塌陷盆地中心，基本在采空区正上方，煤层顶板方向受影响范围较大，底板受影响范围较小。根据观测资料，图解计算出移动盆地顶板边界角为35～37°，底板边界角为60～62°。③地面沉降变形具有突变性、间歇性。监测点会在短时间内突然发生移动变形。如7-01观测点，在4月29日、6月29日这两个观测周期中沉降变形显著，而在其它时间沉降量微小，或未发生沉降。④地面沉降以前主要是南北大槽煤层形成的两个条带状塌陷槽和三四组煤的串珠状塌陷坑，现在地面沉降主要集中在煤层开采深度较深的区域。而在煤层开采较浅的区域，沉降量很小，如西二石门以西。这说明深部煤层开采引起的地面沉降，已成为地面沉降的主要因素。地面沉降变形仍在继续，尚未稳定。

7 讨论与建议

(1)监测区上部杂填土松散，受降雨、积雪融化等因素影响，冬季、夏季沉降数据变化剧烈，地面沉降量显著。分析可适当考虑消除这部分影响，以反映岩层的岩移规律。

(2)沉降量最大的区域也是点位布置最集中的区域，说明监测点的布置是合理的。监测区西二石门以西，由于煤层采深浅，停采时间长，沉降变形不明显；而中央石门至西二石门之间，由于开采水平较深，且停采时间不长，地面沉降变形尚未稳定，因此还需要长期监测。

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