采煤活动对唐山城市建设场地稳定性的影响分析

杜兴明，田小伟，董加强

(河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北沧州 061000)

采煤活动对唐山城市建设场地稳定性的影响分析

杜兴明，田小伟，董加强

(河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北沧州 061000)

通过InSAR地表变形监测技术和数学模型理论计算，采空塌后期场区地基土的稳定性主要取决于采空区顶部的土体而不是岩体。城市规划区内局部有5层可采煤层，尤其是－200m以下的煤层停采在20世纪70年代以前，已完全塌落、压密、再造。而塌后期的土体底部粘土隔水层被拉裂，在双层水位作用下发生潜蚀形成土洞造成地面不均匀沉陷，影响城市建设场地的稳定性。

采空塌后期;InSAR监测;模型计算;潜蚀土洞;场地稳定性;唐山城市建设

1 城市规划区内煤层分布情况

根据开滦唐山矿的资料［1］，城市规划区内局部有5层可采煤层，其中5、6、8、9煤层赋存于二叠系大苗庄组的砂质页岩，炭质页岩之中，煤12煤层赋存于石炭系赵各庄组的页岩、砂岩中，各煤层赋存情况见表1。

2 煤层的开采情况

城市规划区在唐山矿5到14开采剖面西北部范围内［2］，历史上5、8、9、12－1、12－2煤层都曾经开采过，开采深度从－100～－700m，煤层产状从近水平→倾斜→急倾斜→倒转。最大采深约720m;最大累计采厚约16m;开采时间为20世纪20～80年代，最晚停采时间为1981年(表2)。

表1 各煤层赋存情况表Table 1 Each coal occurrence status

表2 煤层开采情况一览表Table 2 List of the coal seam mining status

3 采煤塌陷的影响分析

唐山矿停采时间较长，据开滦集团公司多年对采煤塌陷观测和研究，采煤结束后地表下沉初始时间为开采过后6～8个月，活跃期1～1.5a，衰退期1～1.5a，塌陷总移动时间2.5～3a。在唐山城市规划区域内的采矿活动已停止近30a，特别是经过1976年唐山大地震，岩层内部空隙得到重新耦合，应力达到新的平衡，地表已趋稳定。

通过近年的地表变形监测和理论采空最大沉降量的对比，评价其对城市建设场地稳定性的影响。

3.1 InSAR调查与监测

对工作区分别利用1992～2000年、2004～2006年和2006～2009年的InSAR数据资料［3］，利用重复轨观测获取的干涉相位，通过差分处理得到形变相位，进而反算形变量，其中1992～2000年的沉降速率为－5.0mm/a左右，累计沉降量在40mm左右;2004 ～2006年的沉降速率为－7.5～－12.5mm/a，累计沉降量约在22.5～37.5mm;2006～2009年的沉降速率为－7.5～－10.0mm/a，累计沉降量约在22.5～30.0mm。通过内插法计算，城市规划区建设场地1992～2009年最大累计沉降量约130mm(图1、2、3)。

3.2 采煤地表沉陷规律及沉陷计算

3.2.1 采动影响范围的确定

确定为城市规划区唐山矿5到14开采剖面西北部范围内，其中，增盛煤矿7剖面到14剖面的9煤、12煤，从－248.3m(五水平)到－475m(九水平);刘庄煤矿12号剖面线至14号剖面线的9煤、12煤，从－248.3到－299.7(五、六水平)和唐山矿5、8、9、12煤层，从0到－600(11水平)的开采残余影响。

图1 1992～2000年唐山市区地面沉降速率等值线图Fig.1 The land subsidence rate contour map of urban Tangshan in 1992～2000 1－地面沉降等值线

3.2.2 沉陷预测模型

城市规划区唐山矿5到14开采剖面西北部范围内，均为急倾斜煤层开采条件，唐山矿、增盛煤矿、刘庄煤矿大多在此区域采用落垛法。主要表现为急倾斜煤层地质开采条件和采煤方法对岩层移动的方式和地表移动的形态具有决定作用。综合有以下三点:

(1)急倾斜地层的陡峭产状使顶底板岩层均可发生跨落破坏，充填开采空间;

(2)由于急倾斜煤层工作面在水平面上的投影面积小，单一工作面开采在倾向主断面上一般总是非充分开采，地表的最大下沉值不存在上限，最大下沉值会随着开采垂高的增加而不断增大;

(3)在开采影响区内，沿水平方向分布着高角度的岩层层面，甚至是断层，它们对岩层移动的传播方式起到控制作用，受采动影响的层间弱面和断层弱面，其露头常发生非连续变形，易出现裂缝或台阶式裂缝，这是急倾斜地层普遍的沉陷现象。

城市规划区唐山矿5到14开采剖面西北部范围内，煤层大部分为急倾斜煤层及倒转，可以采用皮尔森Ⅲ型公式法进行计算［4］。在以底板移动边界为坐标原点、下山方向为X轴的坐标系统下，倾向主断面的下沉和水平移动计算式为:

图2 2004～2006年唐山市区地面沉降速率等值线图Fig.2 The land subsidence rate contour map of urban Tangshan in 2004～20061－地面沉降等值线

1-地面沉降等值线

式中:α——煤层倾角(°);

M——煤层厚度(m);

H1，H0，dH——下边界采深、平均采深、阶段垂高(m);

图3 2006－2009年唐山市区地面沉降速率等值线图Fig.3 The land subsidence rate contour map of urban Tangshan in 2006－20091－地面沉降等值线

λ0，β0——底板，顶板边界角(°);

Ka——下沉影响系数;

La——下沉盆地全长(m);

a1，a2，a3——下沉盆地系数;

b0，b1，b2，b3——水平移动系数;

B=b0La;i(x)——主断面倾斜变形。

据此可进行地表下沉盆地倾向主断面上的移动变形值计算。

急倾斜煤层沿走向方向的变形iy、Ky、Uy、εy采用上述概率积分法计算公式。

对单一工作面开采引起的地表任意点P的下沉w、沿某一方向的倾斜il、曲率kl、水平移动ul、水平变形εl，当煤层倾角小于或等于55°时，采用概率积分法的数学模型为:

m——煤层采厚(m);

α——煤层倾角(°);

A——引起地表移动变形的有效面积即考虑拐点偏移后的计算面积(km2);

Q——下沉系数;

b——水平移动系数;

θ——开采影响传播角(°);

K——开采影响传播系数;

Hs——积分变量s处的采深(m)(不随t变化);

x，y——地表点P在工作面局部坐标系中的坐标，x指向上山方向，y平行于走向方向，由x轴顺时针转90°得到;Ost坐标系和Oxy坐标系的原点重叠;

Ψ——x与l方向的夹角(°)。

其中充分开采的最大下沉值Wmax改用开采急倾斜煤层(非充分采动)的最大下沉值W0max。

上面各式是单一工作面开采对地表任意一点P的移动与变形的计算公式，由多个工作面(包括煤层倾角小于等于55°或大于55°的急倾斜煤层)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［5］:

在上述各式中:

Wi—第i个工作面的下沉值;

ix、iy、Kx、Ky、Sxy、ux、uy、εx、εy、γxy—分别是第i个工作面沿上山方向和走向的移动变形值;

φ:第i个工作面上山方向到l方向的夹角(°);

(X，Y):地表P点的矿区坐标;

(x，y):地表点P在第i个工作面中的局部坐标。

(X，Y)与(x，y)的关系为:

φ是第i个工作面的上山方向角。

3.2.3 计算参数:

开滦矿区自20世纪50年代开始着手地表移动观测工作。到目前为止，累计建立60余个各种不同类型的地表移动观测站，共设观测线150余条，布测点5100余个，取得了大量丰富的观测成果，部分成果被收录在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中。唐山矿设站进行过地表移动观测和综合分析，为开采沉陷的预计提供了依据。根据唐山矿多条观测站的实测岩移资料综合分析所得:

Ka下沉影响系数:0.03;

a1，a2，a3典型曲线系数:a1:10.323 a2:4.609 a3: 12.587;

走向水平移动系数:0.34;

倾向水平移动系数:0.7;

归算系数:1.6;

重复采动系数:n1=1.1;

水平移动归算系数:q=1.6;

顶板边界角:53°;底板边界角:30°走向边界角:66°

3.2.4 采煤沉陷量预测

经过分析唐山矿和小煤窑的开采资料及结合矿井20a的长远规划，经过模型计算，城市规划区唐山矿5到14开采剖面西北部范围内，最终地表变形结果如下:最大地面下沉Wmax=455mm;最大水平移动εmax=±0.6mm/m。

4 结论

通过InSAR地表变形监测和数学模型理论计算的采空区最大沉降量比较，1992～2009年InSAR地表变形监测累计沉降量最大在130mm左右，远小于煤层全部采空后的最大沉降量455mm。因此，采空区的岩体塌落或岩体压缩小于450mm，并且在相当范围内均匀沉降，对小跨度的拟建构筑物影响较小。但采空区破碎岩体顶部的松散土体将发生潜蚀形成土洞，对拟建构筑物形成威胁。

通过InSAR地表变形监测和数学模型理论计算，场区地基土的稳定性主要取决于采空区顶部的土体而不是岩体。因为岩体的卸荷、崩塌、压密，根据开滦多年对采煤塌陷观测和研究，采煤结束后地表下沉初始时间为开采过后6～8个月，活跃期1～1.5a，衰退期1～1.5a，塌陷总移动时间2.5～3a。场区内所有的采矿活动都停止在3年以上，尤其是－200m以下的煤层停采在20世纪70年代以前，已完全塌落、压密、再造。而塌后期的土体底部粘土隔水层被拉裂，在双层水位作用下发生潜蚀形成土洞造成地面不均匀沉陷。

城市规划区唐山矿5到14开采剖面西北部范围内，采空区塌陷地质灾害勘查与治理的主要目标应针对土体，尤其是基岩顶部粘土隔水层的修补与防漏，将是唐山城市建设场地地基稳定性的决定性因素。

致谢本文得到了开滦(集团)有限责任公司邓志毅博士和国土资源部航空遥感中心葛大庆工程师的帮助，在此表示感谢。

［1］开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司.开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司2003年度矿产(煤炭)资源储量检测报告［R］.唐山:开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司，2003.

［2］河北省地勘局第四水文工程地质大队.唐山市南湖区域地质灾害危险性评估报告［R］.沧州:河北省地勘局第四水文工程地质大队，2007.

［3］国土资源部航空遥感中心.唐山市南湖区域多期InSAR数据解译报告［R］.北京:国土资源部航空遥感中心，2007.

［4］吴一川，王炳立.关于《三下采煤规程》应用中的几个问题和意见［J］.河北煤炭，1990(03):58－59.

［5］李文秀.煤矿开采岩体移动分析的Fuzzy数学模型［J］.河北煤炭，1990(03):44－45.

Abstract:By InSAR surface deformation monitoring technology and mathematical model of theoretical calculation，it was found that the stability of ground depended largely on the soil rather than rock of the mined-out area top at the mined-subside later stage.There were five layers of local coal seam at the Urban planning area.Mining the coal seam of below－200m had stopped before 1970’s，thus the seam has been completely，recycled and collapsed.The impermeable clay layer at the bottom of the soil pulled cracking at the mined－subside later stage.It came into being latency-erosion action and soil caves，introducing an uneven land subsidence on the effect of double groundwater levels.The uneven land subsidence has affected the stability of urban construction area in Tangshan.

Key words:mined-subside later stage;inSAR monitoring technology;model calculation;latency-erosion soil cave;the stability of ground;Tangshan urban construction

Analysis on the impact of coal mining on the stability of construction area in Tanshan City

DU Xing-ming，TIAN Xiao-wei，DONG Jia-qiang
(The 4th Hydrogeology Group of Hebei Bureau of Geological Development，Cangzhou061000，China)

1003-8035(2010)03-0082-05

P642.5

A

2010-03-23;

2010-03-29

杜兴明(1959—)，男，教授级高级工程师，主要从事水文地质工程地质环境地质研究工作。

E-mail:dxm858@yahoo.cn