关于煤矿地表沉陷预测模型和参数选取的分析

李海耀

(煤炭工业太原设计研究院，山西太原　030001)



关于煤矿地表沉陷预测模型和参数选取的分析

李海耀

(煤炭工业太原设计研究院，山西太原030001)

【摘要】煤矿开采对环境的影响主要体现在生态环境影响和水环境影响方面，生态环境影响主要是煤矿开采引起地表沉陷对环境的影响，地表沉陷预测在煤矿环境影响评价中占着重要的作用，预测的正确与否直接决定着预测结论的正确性和生态恢复治理措施的合理性。在计算机软件普及的情况下，决定地表沉陷预测的正确与否，关键在于预测模式及基本参数选取的，本文以现阶段常用的预测模式为依据，分析岩移观测资料的可利用性，同时建议国家相关部门建立岩移观测站，完善预测模式，为环境影响预测和实际生产生态治理提供依据。

【关键词】煤矿开采 预测模型 参数选取

1引言

煤炭目前还是我国的主要能源之一，煤炭开采在提供大量的资源的同时对环境也造成影响较大的影响，煤炭环境影响评价是确定煤炭开采环境可行的前提，煤炭开采对环境的主要影响为水环境影响、生态环境影响，生态环境的可行性和治理措施合理可行关键取决于地表沉陷的影响程度，地表沉陷预测的合理性与否落在预测模式及参数选取的合理性上。目前矿井生产沉陷预测主要采用概率积分法，现有的预测模式仅适合平原地区和坡度小于30°的山区模式，坡度大于30°的地区目前没有预测模型，主要原因是由于地下采空，造成地表下沉，坡度较大的地形产生滑坡等次生地质灾害，该环境影响没有规律性遵循，目前在环境影响评价中属于空白，国家环保部要求矿井建立岩移观测站，但是，大多数矿井并未建设岩移观测站，只有大型矿井和地形相对平坦的地区进行了岩移观测，大量实测数据的空白，对环境影响预测和治理造成一定的影响，即使部分矿井设立了岩移观测站，由于资源的不共享性以及资料的可用性不确定，目前矿井沉陷影响预测参数选取只能参考开采规程，本文就现已生产的两个矿井的岩移观测资料进行分析，在预测中怎样利用和辨别岩移观测资料，以使煤炭地表沉陷预测更加符合实际情况。

2预测模型的选取

在预测地表移动和变形时，主要采用的预测方法有4种，典型曲线法、负指数函数法，概率积分法，数值计算法，常用的方法为概率积分法，概率积分法是以正态分布函数为影响函数用积分式表示地表下沉盆地的方法，适用于常规的地表移动和变形计算。概率积分法根据煤层分布倾斜程度，又分为缓倾斜煤层(α<15°)、倾斜煤层(15°<α<75°)和急倾斜煤层(α>75°)地表下沉盆地的移动和变形值预测模式。根据大量矿区煤矿的数据统计，倾斜煤层和急倾斜煤层在我国国内分布比较少，大多数矿井开采煤层倾角小于15°，故缓倾斜煤层开采计算存在的普遍性。倾斜煤层预测模式与缓倾斜煤层的地表移动预测模式基本相同，只是根据计算点的相对位置，将倾斜工作面转换为一等价的计算面，并以等价工作面的采深替代，存在的一个简单的转换。急倾斜煤层开采后的地表下沉盆地表现为瓢形下沉盆地和兜形下沉盆地，瓢形下沉盆地的地表移动与变形发生在顶板覆岩内，仍可以采用等价工作面计算方法，兜形下沉盆地的地表移动与变形已扩展至煤层底板，可采用对深度积分的方法。

根据以上分析，一般矿井开采，沉陷规律基本符合缓倾斜煤层沉陷规律，预测基本按照缓倾斜煤层预测模式预测。

由于开采区地表的分布情况不同，缓倾斜煤层预测模型仅适用于平原地区预测，山区预测模式需要是在平原模式的基础上进行修正，依据是当地的地质情况的赋存性和地形情况。

2.1缓倾斜煤层预测模式

缓倾斜煤层预测模式为半无限开采缓倾斜煤层地表下沉主断面地表移动和变形值计算公式，预测模式如下：

(1)对主剖面地表移动变形，充分采动时按下面公式计算：

(2)非充分采动时按下面公式计算：

(3)计算倾向主剖面公式同上，仅需以y代x，以rl(或r2)代r即可。

(4)计算充分分采动时，地表移动变形最大值用下列公式计算及出现位置：

最大下沉值：Wcm=m·q·cosα(mm)[出现位置：χ=∞]。

最大水平移动值：Ucm=b·Wcm(mm)[出现位置：χ=0]。

2.2山区预测模式(适用于山坡平均倾角小于30°的水平和缓倾斜煤层)

山区地表任意点(x，y)的下沉值和任意点(x，y)和任意方向(φ)的水平移动值可按下式求出：

P(x)、P(y)和P(x，y)可按下列公式计算：

式中：A、P、t为滑移影响函数参数，可根据矿区地表移动观测资料按多元函数回归方法求取。滑移影响函数参数为A=2π，P=2，t=π；Wmax为该地质采矿条件下的最大下沉值，以毫米计。

在求得山区任意点的下沉W′(x，y)和任意点任意方向的U′(x，y)φ后，按给定的点间水平距离d，用数值导数规则计算点和点间的平均垂直变形与水平变形。设相邻点编号为i、j、k，则有：

3参数选取

根据以上矿井预测模式分析，利用计算机预测时需要的参数为：计算点坐标(x，y)、计算方向角()、煤层倾角(α)、采厚(b)、开采工作面的角点坐标及采深(x，y，z)、下沉系数(q)、水平移动系数(b)、主要影响角正切(tgβ)、拐点偏移距(S1、S2、S3、S4)、开采影响传播角(θ)，这些数据来源均可参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(简称开采规程)中的地表移动变形基本参数来确定矿井的地表移动基本参数或者参照本矿井和周边矿井已有地表岩移观测资料，根据岩移观测资料推算而得。对于山区预测模式，除去地表移动参数还需要输入的数据有地表倾角(α′x，y)、地表倾斜方向角(φx，y)、计算方向角(φx，y)和地表特性系Dx，y地质采矿条件。

3.1开采规程中地表移动基本参数的选取

参考《开采规程》选取地表移动基本参数，主要参考表1开采规程地表移动变形基本参数和表2覆岩性质区分的重复采动下沉活化系数。

表1　开采规程中地表移动变形基本参数表

表2　覆岩性质区分的重复采动下沉活化系数

参数选取在实例中的应用，上社煤矿可采煤层为5、6、9、12、15号煤层，根据矿井地质报告，该矿井煤层覆岩为中硬岩层，煤层倾角为4°，结合当地煤田区域地质构造和地层情况，确定矿井开采地表移动变形基本参数如下：

(1)下沉系数：初采q0=0.65，q1=0.78，q2=0.86，q3=0.9；

(2)水平移动系数：b=0.25；

(3)开采影响传播角：θ=90°-0.65α=87.4°，α为煤层倾角，α=4°；

(4)主要影响角正切：tgβ0=2.0，tgβ1=2.2，tgβ2=2.3，tgβ3=2.4；

(5)拐点偏距：S=0.15H(m)；

(6)主要影响半径：r=H/tgβ；

(7)达到充分采动时的条区尺寸：L=l≥2(r+s)。

其余需要输入的数据均为本矿井特定指标，一般参考矿井初步设计和地质报告可以得出，依据开拓布置图可以查出预测点相应的拐点坐标，根据地形图和开拓图以及钻孔可以获取采深数据，煤层厚度除去初步设计给出范围值，更加精确的可根据采区钻孔资料获取，煤层倾角一般矿井初步设计和地质报告给出，山区模式还需要输入地表倾角、地表倾斜方向角、计算方向角，地表特性系，这些数据均是在预测过程中按照软件划分块区按照矿井地形地质图录入特定的数据。

3.2地表岩移观测资料参数取得

为了预测的准确性，在地表沉陷预测中，一般收集本矿井及周边矿井地表岩移观测数据，通过反算得出地表移动变形基本参数，该数据的可利用性成为参数正确性与否的关键。充分采动时在不受外环境干扰的岩移观测资料才可直接引用，充分采动的前提是当开采范围的倾斜长度Lq、走向长度Lz都满足大于等于2倍于影响半径和拐点偏距的和，即Lq和Lz≥2(r+s)时，其采动影响达到充分采动条件。然而，在实际工作中，由于矿井对地表岩移观测的工作不重视，大多数矿井并没有进行岩移观测，有的矿井观测时间较短，没有达到充分采动，有的观测资料受到外环境干扰，对数据影响很大，本文就元堡煤矿和王家岭煤矿的地表岩移观测值对下沉系数进行分析。

3.2.1元堡煤矿地表岩移观测

元堡煤矿地处山西黄土高原晋西北低山丘陵区，井田内全区地形起伏不大，最高点标高1504.6m，最低点标高1418.3m，全区最大相对高差86.3m，地形地面接近平地。2011年矿井投入试生产，首采工作面为1901工作面，工作面地面标高+1441.6m，井下标高+1187～+1246m，煤层平均埋深为241m，工作面长为196m，推进长度为1424m，煤层平均厚度为12m，煤层稳定，煤层倾角平均为5°，煤层上覆岩层为中硬岩层。

采用全站仪进行观测，共布设41个测点，观测频率为每10天一次，自2011年6月20日至2012年3月6日期间，走向观测线观测了13次，倾向观测线累计观测了9次，观测结束时，1901工作面推进了305m，1901综放面采后地面移动变形最大值汇总见表3。

表3　1901综放面采后地面移动变形最大值汇总表

根据元堡煤矿1901综放工作面走向观测线最后一次的实测下沉曲线，找出边界下沉为10mm的位置，以此作为1901综放面采后的影响边界点，1901综放面采后，地表最大采动影响范围约为162m，对应的边界角为54°，移动角为68°，裂缝角为79°，主要影响角正切为1.35。根据1901工作面采后倾向测线最大下沉对应的位置，得出1901综放面采后地表最大下沉角为85°。为了复核岩移观测值的合理性，采用模拟软件UDEC4.0分析工作面采后覆岩的移动和地表的沉陷，模拟结果为工作面300m时，地表呈现锅底形状，最大下沉量为9.6m，表明已经达到充分采动，充分采动时地表最大下沉系数为0.80，水平移动系数为0.31。

根据分析1901综放面采后未达到充分采动，充分采动程度为0.911。如果在实际应用过程中直接应该观测值，不进行分析，地表下沉值将偏小于实际沉陷值。

3.2.2王家岭煤矿岩移观测

王家岭煤矿位于晋西黄土高原的最南端，井田内最高点标高为1421.4m，最低点标高为604.0m。20104、20105两个工作面为首采工作面，地表标高735-954m，首采面地质条件简单，煤层稳定，平均采厚6.24m，煤层倾角5度，20105、20104工作面平均采深为250m，20105和20104工作面宽度均为250m，推进速度670m/a。

2个工作面共设观测站190个，观测频率为每周一次，观测时间为2012年11月～2013年5月，期间获得20104工作面累计观测15次，最大垂直下沉量达6.5m，下沉系数1.06；20105工作面累计观测14次，最大垂直下沉量5.1m，下沉系数为0.83。

根据工作面推进情况，分析未达到充分采动，充分采动程度为0.77，但是下沉观测系数已经达到0.83和1.06，出现该现象的主要原因为两工作面煤层位于山沟下面，与煤层相对应的地表地形条件复杂，地表除受煤层采动影响外还会受到倾斜地形的影响，产生沿倾斜方向的滑动。地表塌陷大致沿山沟两侧分布，使得观测数据大于煤层厚度。

4地表沉陷预测现阶段存在的问题

我国大部分矿井位于山区丘陵区，井田范围无论大小，预测范围内山体倾角大于30°的矿井很多，在环境影响评价中，山体倾角大于30°的山区预测模式没有，在预测中只能利用现有的山区模型预测。地表岩移观测资料难收集或者收集到的资料不完整或者存在的资料不准确性，在预测时往往按照开采规程估计。在环境影响报告编制过程中，业主对现有采空区情况不熟悉，没有采空区比较完整的资料和图像，加上山区采空区可达性比较差，现场调查对采空区重视度不够，调查时间短，对预测没有直观印象。有的矿井收集到部分岩移观测资料，但资料的可利用性受到很大的制约，根据上述两个矿井观测资料可知，充分采动是观测资料可用的前提，观测资料由于地质和地形情况的复杂性，最终数据的对错，只有观测数据的人做了深入和严格的调查和实验类比分析对其进行纠正才可利用。

5结论与建议

根据地表沉陷预测过程中存在的现状和问题，建议国家设立岩移观测站，由专业人员进行观测，通过模拟实验与实际观测相结合的手段获取大量的数据，尤其关注山区开采影响，在此基础上不断的完善和修正预测模型，为山区沉陷区生态恢复治理提供更多的依据。

参考文献：

[1]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程.煤炭工业出版社，2008，8.

[2]元堡煤矿顶煤冒放性与地表沉陷规律研究报告.中国矿业大学，2012，7.

[3]山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿.山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿采区沉降观测阶段性报告，2013，7.

[4]煤炭工业太原设计研究院.阳泉市上社煤炭有限责任公司150万t/a矿井增加煤层项目环境影响报告书，2015，12.

Analysis on Surface Subsidence Prediction Model and the Parameter Selection of Coal Mining

LI Haiyao

(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry，Taiyuan Shanxi 030001)

Abstract：Coal mine mining on environment of effect main reflected in ecological environment effect and water environment effect，ecological effect main is coal mine mining caused surface subsidence on environment of effect，surface subsidence forecast in coal mine environment effect evaluation in the accounted for with important of role，forecast of right or not directly decided with forecast conclusion of correctness and ecological recovery governance measures of rationality，in computer software universal of situation Xia，decided surface subsidence forecast of right or not，key is forecast mode and the basic parameter selected of，This article was based on commonly used forecasting models at the present stage，analysis of shifting availability of observational data，and recommends that the relevant State departments moved rock Observatory，improve forecasting models provide the basis for ecological environmental impact prediction and the actual production.

Keywords：coal mining；prediction model；parameter selection

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)02-0168-04

作者简介：李海耀，工程师，主要从事于环境影响评价工作

引用文献格式：李海耀.关于煤矿地表沉陷预测模型和参数选取的分析[J].环境与可持续发展，2016，41(2)：168-171.