杭来湾井田煤炭开采地表移动变形预测

张博辉，贺卫中，吕 新

(1.陕西省煤炭科学研究所，陕西 西安710001;2.陕西省地质环境监测总站，陕西 西安710054;3.长安大学 环境科学与工程学院，陕西西安710054)

陕北是我国西部最重要的煤炭生产基地，采煤与生态环境保护矛盾突出，安全、科学开采不仅关系到国家能源供给，也关系到区域水资源和生态安全[1－3]。由于地下煤炭资源的大规模开采，破坏了煤层上覆岩层的稳定，导致上腹岩层的破碎、垮落，进而造成地表的下沉、塌陷和开裂，导致泉井干涸，河流断流[4]，所以煤炭开采造成的地表移动变形破坏是煤矿安全生产面临的严峻问题。如何采用合适的方法对煤炭开采引起的地表移动进行准确预测，从而采取行之有效有的防治措施是目前亟待解决的主要问题。

多位专家学者就采煤沉陷预测进行了研究，1965年，刘宝琛和廖国华在影响函数法的基础上建立了非常实用的概率积分法[5];1997年邹友峰对地表下沉系数计算方法进行了研究[6];2000年戴华阳、王金庄等基于倾角的变化，建立了的矢量预计法[7，8];我国学着王泳嘉和杜庆华等对边界元法进行了大量研究，将边界元法引入岩层移动研究，对均质模型进行了探讨[9]。

杭来湾井田位于陕北风沙滩地区，采用长臂式全部垮落法开采方式，高强度开采在地表产生了塌陷和地裂缝等地质灾害[10]〛，其地表沉陷的分布规律和沉陷机理在陕北风沙滩地区具有典型性。本论文以杭来湾井田为例，以采煤沉陷基本理论为指导，将野外调查与室内综合分析相结合，运用概率积分法对该井田的30101盘区采煤引起的地表移动变形进行预测，以此为该井田其他盘区以及类似井田的开采沉陷造成的损害提供科学依据[11，12]。

1 研究区概况

杭来湾井田属于榆神矿区的一期规划区，位于规划区的西南部，是榆神矿区一期规划区建设的重点煤矿，井田东西长约 12.0 km、南北宽约 7.7 km，面积 92 km2。

井田位于鄂尔多斯盆地，区内地质构造简单，无较大褶皱和断裂，无明显岩浆活动痕迹，局部发育有宽缓的波状起伏。井田内的地层由老至新依次为:三叠系上统瓦窑堡组(T3w)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、第四系下更新统午城组(Q1w)、中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q31s)、全新统冲洪积层(Q41al+pl、Q42al)、风积层(Q42eol)。

矿井首采区301盘区的30101综采工作面，位于杭来湾井田的东北部。设计矿井初期开采3号煤层，该煤层最大厚度 10.66 m，最小厚度 8.27 m，平均 9.13 m，煤层倾角 0.5°，为近水平煤层，构造简单。开采方式为倾斜长臂式全部垮落法开采。

2 采煤移动变形分布规律

2.1 地表移动变形规律

根据野外调查，30101工作面开采后，在其上方形成了一个大范围移动盆地，面积约为2.2 km2。陕西有色榆林煤业有限公司的地表移动变形监测点监测到地表下沉最大值为7.25 m，倾斜变形最大值为69.1 mm/m，水平变形最大值为31.5 mm/m，主要影响半径为91～105 m，地表最大下沉速度为 773.3 mm/d，地表移动持续时间为 547.5 d。

在采空区边界上方地表附近形成地裂缝，其发育程度与距开采边界的距离以及开采深度有关。对本次调查裂缝的研究区域选取在一个主断面上，其裂缝发育明显，并且该区域的地裂缝在长时间停采后已经逐渐趋于稳定。调查测量区地表上的裂缝共发育21条，裂缝走向约135°，与煤炭开采边界走向132°大致平行;裂缝宽度不等;区域首尾裂缝宽度小(基本小于1 cm)，裂缝两侧基本无高差，区域中间的裂缝宽度较大且两侧存在高差，采空区中心的一侧的裂缝低于另一侧的裂缝。根据地裂缝的调查结果及该区地层资料，经过研究计算求得产生地裂缝的裂缝角为89°。

2.2 采煤沉陷形成原因

当煤层采空以后，采空区上部的覆岩及采空形成的煤柱边邦，均形成自由面。原来的应力平衡被破坏，在上覆岩土层重力作用下，覆岩承受的压力随着采空区范围的扩大而增加，当这种压力超过煤层顶板岩石的承载力以后，顶板岩石破裂塌落形成冒落带，进而在其上部依次形成裂隙带和弯曲变形带。在弯曲带影响下地面上造成塌陷，形成塌陷盆地或地裂缝。

影响地表沉陷的因素主要有两个:地质条件和开采条件。地质条件主要包括上覆岩层的岩性、岩层层位、表土层性质和煤层倾角等;开采条件主要包括采深采厚比、开采方法以及工作面的推进速度等。结合30101工作面的地质条件以及开采方式对采煤沉陷进行分析(见图1)。

图1 杭来湾井田采煤沉陷示意图

3 移动变形预测

3.1 相关参数计算

概率积分法是我国的刘宝琛和廖国华等多位学者在影响函数法和随机介质理论的基础上提出的一种比较实用的开采沉陷预计方法[3]。其基本思想是将岩体看作为随机介质，把地表的移动变形看作随机事件且服从统计规律，把整个区域分解成无限个微小单元，根据叠加原理看作开采对地表的影响等于采区内开采各个微小单元对地表的影响之和来计算整个开采引起的地表及岩层变形。利用概率积分法对地表沉陷进行预计时主要用到的参数有:下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、开采传播角及拐点偏移距。李培现等通过综合分析国内矿区的实测数据，并进行回归计算，建立了从矿区地质条件确定参数的统计方法 ，通过对比，表明用该方法计算出的参数与实测参数误差较小。为缺少地表移动实测资料的情况下获取概率积分法的参数提供了技术保障。

表1 各个参数的计算结果

3.2 移动变形预测

根据该矿区的地质结构、岩性和采空区平面分布图，对30101综采工作面可能出现的沉陷进行了预计，应用概率积分法对30101工作面(300 m×4 252 m)进行地表移动预测，并使用MATLAB软件绘制移动变形的预测结果，结果见图2和图3。

由图2、3，得出的理论下沉值是关于采空区中心轴对称的椭圆形，沉陷最大值在采空区中心，向两侧逐渐减小，在采空区倾向边界外100 m处塌陷值小于1 cm，视为沉陷边界，经计算分析，该工作面的理论边界角为68.9°。下沉等值线以采空区中心为对称原点呈椭圆分布，并且椭圆的长轴位于开采工作面中心;由图4，看出下沉曲线近似一条抛物线，在该工作面地表塌陷的理论最大值为7.17 m，理论值非常接近陕西有色榆林煤业有限公司监测的实测最大下沉值7.25 m;理论主要影响半径为104.42 m，该理论值在实测的91～105 m区间之内。

图2 开采沉陷下沉值等值线图(m)

图3 开采沉陷下沉值三维斜视图

图4 走向主断面的下沉曲线

通过分析下沉曲线，最大下沉值位于平行于开采倾向的采空区中心区域(EOF段);在采空区倾向边界以外的100 m处(A、B)塌陷值已小于10 mm，可看作塌陷边界。所以下沉曲线的分布规律为:在采空区中央正上方的平地区域处地表下沉值最大，从平底盆地两侧向沉陷区边缘逐渐减小，在移动盆地边界A、B处下沉值十分接近0，而且下沉曲线以采空区中心线对称;地表移动盆地的最大下沉值已达到该地质采矿条件下的最大值;拐点处(C、D)的下沉值为最大下沉值的一半。

从图中分析地表裂缝的分布规律，在近似平底区域EOF内的水平变形、倾斜、曲率为0(或接近0)，此时该区域内没有水平方向的力，所以此区域内的煤矿开采基本不会发生引发地裂缝;在EC和FD之间的区域该区域主要是不均匀下沉，地表的曲率为负而且水平变形也是负的，所以该区域的地表主要受压缩而不会形成拉裂缝，裂缝主要为不均匀沉陷产生的裂缝;而在AC、BD段地表曲率和水平变形均为正，所以该区域的地表受拉力作用产生拉裂缝。

通过概率积分法计算的地表移动变形值见表2，倾斜变形理论最大值为68.9 mm/m，实测的最大值为69.1 mm/m;水平变形理论最大值为31.38 mm/m，实测最大值为31.5 mm/m。该结果再一次证明了概率积分法在该井田的适用性与准确性。

表2 走向主断面内各点的移动变形计算值

我国一般采用针对一般砖木结构建筑物的标准:i=3 mm/m、ε=2 mm/m、k=0.2 mm/m2，是以这三个标准的最外一个值来确定危险边界，根据表2的计算结果，可知在ε=2 mm/m处对应的边界为最外边界，此时距采空区中心的距离为243 m，即取距采空区边界93 m处为危险边界，移动角为70.4°，同理，确定距开采边界93 m以外为对生态环境的轻微影响区，该区沉陷盆地平缓、在地表沉陷区范围不会出现拉伸裂缝，对耕地影响很小，对生态环境影响轻微，可自然恢复。裂缝角对应的边界是裂缝边界，移动角对应的边界是移动边界，边界角对应的地表区域是移动盆地的沉陷边界。而且沉陷由于地质采矿条件简单，以及根据移动盆地的对称性和实测地裂缝的分布，推测出采区内地裂缝的分布范围。经过预测计算，移动盆地的沉陷范围面积约为2.193 km2。

(3)通过野外实测数据证明运用概率积分法对杭来湾井田30101综采工作面地表移动变形的预测结果精度高，对地表移动变形的评价迅速准确，为杭来湾井田及其他类似井田的地表移动变形预测提供了科学依据。

4 结语

以采煤沉陷基本理论为指导，将野外调查与室内综合分析相结合，探讨采煤沉陷分布规律。以杭来湾井田30101工作面为例，运用概率积分法对采煤引起的地表移动变形进行了预测。

(1)通过野外实测以及概率积分法的预测分析结果，得出煤炭开采引起地表变形的理论边界角为68.9°，移动角为70.4°，裂缝角为 89°，移动盆地的沉陷范围面积是 2.193 km2。

(2)通过概率积分法计算的地表移动变形值，倾斜变形理论最大值为68.9 mm/m，实测的最大值为69.1 mm/m;水平变形理论最大值为31.38 mm/m，实测最大值为31.5 mm/m。该结果证明概率积分法在该井田的适用性与准确性。

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