薄基岩厚松散层矿区地表开采移动对灵泉水库的影响

曹广远，郏慧慧

(河南神火集团泉店煤矿，河南 许昌 461000)

应用研究·煤矿·

薄基岩厚松散层矿区地表开采移动对灵泉水库的影响

曹广远，郏慧慧

(河南神火集团泉店煤矿，河南 许昌 461000)

泉店煤矿处于薄基岩厚松散层区域，当地下煤层开采后，其岩层与地表移动变形规律呈现出特殊性。14020工作面北部与灵泉水库相邻，14020、14040和14060工作面开采造成的地表移动会对水库及其水利设施造成影响。基于薄基岩厚松散层条件，使用概率积分法预测4种开采方案导致的地表移动变形，分析地表移动对水库的影响。总结了水库移动变形的特征，通过综合对比，建议按AB1B2C方案开采。

薄基岩； 厚松散层； 地表移动； 概率积分法

1 前言

地下煤炭资源开采后，开采区上覆地层的应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏，这种现象称为“开采沉陷”，其会对地面上的一些生产和生活设施产生影响。在薄基岩厚松散层条件下开采，岩层与地表移动变形规律呈现出特殊性，只有在充分掌握薄基岩厚松散层开采条件下岩层与地表内部的沉陷机理，才能有效指导矿区开采和生产活动。

河南神火兴隆矿业有限公司泉店煤矿位于许昌市西16km，禹州市东21km。该矿设计生产能力120万t/a，主采二1煤和二3煤。该区域基岩面和煤层倾角中等倾斜，煤层厚度大，覆岩厚度薄。矿区14020工作面北部与一总库容为32.5万m3的小(2)型水库灵泉水库相邻，14020工作面与相邻的14040和14060工作面开采后造成的地表移动必然会对水库和其水利设施造成影响，所以在开采前需要对地表移动对水库及其水利设施的影响程度进行预测，为煤层开采后水库的治理和恢复提供指导。

2 研究区概况

2.1 矿区地质和地面条件

泉店煤矿位于禹州矿区东南部，许禹背斜东部南翼。矿井整体为一走向北西、倾向南西的单斜构造，西部发育一宽缓向、背斜构造，地层走向300°～330°，倾向210°～240°，倾角10°～29°，一般为25°。地层由老至新有寒武系、石炭系上统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、新近系和第四系，其中太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组为含煤地层。

泉店井田位于禹州煤田东南的山前微倾斜平原区，为第四系全掩盖区，地形平坦，地面标高+105～+125m，地势北部稍高，南部稍低，冲沟较发育，深度一般不大于10m。本区属于淮河水系，较大的颖河在本区西缘流过，河谷宽约300～50m，河曲十分发育，历年最大流量1 720m3/s，年平均径流量为1.776亿m3，最高水位标高+105.15m(1955年8月20日)，最低水位标高+102.12m(1953年6月4日)，1929年8月12日曾发生一次洪泛，区内东北部有一条季节性小河流。

在井田西北部二1煤层隐伏露头上的灵泉水库，平面面积约4.9万m2，库容约32.5万m3，水库与库底第四系连通，上游干渠不放水时水库水位较浅，根据现场走访最深时水深2.5m，库内蓄水约13万m3，主要接受大气降水补给。水库北侧、西侧与区内灌溉渠道相连，南侧靠近泉店煤矿一侧为高度约7m的堆土库堤，可通车，库堤外为农田。该水体是本区最大的地表水体，下距可采煤层最小垂直距离不足300m。

2.2 地表沉降范围内工作面概况

本次地表沉降研究范围主要受14020、14040和14060工作面开采的影响。其中14020工作面北侧紧邻二1煤层露头，工作面切眼宽100m，推进长度920m，14040工作面切眼宽150m，推进长度1 470m，14060工作面切眼宽170m，推进长度1 560m，其采掘工程平面图如图1所示。

图1 灵泉水库及临近区域采掘工程平面图

根据钻孔资料二1煤层厚度最大5.76m(5001孔)，最小2.13m(K2孔)，煤厚分布不均匀，工作面附近4个钻孔统计平均值为3.57m。本区处于二1煤层的露头带附近，灵泉水库附近二1煤层埋深297～450m。14020工作面二1煤层上部覆盖基岩厚度0～120m，其中浅部30～40m为风化带，煤系及上部地层与矿区基本一致。二1煤层埋深366～450m，煤系上部为新近系、第四系所覆盖，新生界厚度不足300m，根据补勘可划分为3个含水层和3个隔水层。

3 地表移动变形规律及预测

3.1 地表变形基本规律与预测途径

地表移动是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形，在地表形成沉陷盆地。煤层的赋存条件和采空区大小直接影响地表沉陷盆地的形态和发育范围。煤层开采的下沉盆地范围外边界一般呈椭圆形(采空区为矩形时)。水平煤层开采沉陷盆地位于采空区正上方，倾斜煤层开采沉陷盆地偏向采空区下山方向一侧。如果充分采动，盆地呈盘形，非充分采动则为碗形或槽形。

目前较为成熟的预测地表移动规律的数学方法称为概率积分法，其基本原理是预测矩形工作面开采时地表任意点下沉值，当工作面非矩形时，可将任意形状工作面顺煤层走向划分成若干矩形工作面，用一个或多个矩形工作面代替任意形工作面来预测地表移动规律。

3.2 地表移动变形预测参数

由于14020、14040和14060工作面为待预测工作面，尚未开采，地表变形破坏规律未可知。而在本矿12采区首采面又恰好曾经进行过地表变形破坏观测。两处在地表地貌、地层条件、采面布置等均存在高度的相似性，如图2所示。因此，根据现有资料提炼出预测参数，采用概率积分法预测灵泉水库周边地表变形破坏，存在比较高的可靠性。

图2 实测区与预测区对比图

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》及《神火集团泉店煤矿12采区岩移观测报告》，综合考虑采空区回采情况，考虑覆岩岩性，选取的地面变形计算参数见表1。

表1 地表变形预测计算参数

注：α为煤层倾角；H为工作面平均采深。

3.3 地表移动变形预测

3.3.1 开采方案设计

根据目前开采布局，14采区临近露头需要留设边界煤柱、西风井煤柱且考虑灵泉水库安全问题，因此根据原设计边界煤柱线、西风井预留煤柱线和水库位置，可以对比分析14020工作面4种开采范围的地表变形破坏趋势。按照矿井5年采掘规划，14060工作面为已经回采工作面，14040在14020开采完毕后接续，根据14020的4种开采范围涉及了本区4种开采顺序，如图3所示。按开采顺序将工作面按A(14060工作面)、B(14020工作面)、C(14040工作面)命名，工作面A、C按设计全部开采，工作面B由于离水库距离近，开采造成的地表沉降对水库影响较大，将工作面B按距水库距离进行分区，设计4个开采方案，具体分为AB1C、AB1B2C、AB1B2B3C、AB1B2B3B4C，按不同方案预计地表变形。

图3 煤层厚度与开采范围分区示意图

3.3.2 地表移动变形与分析

采用概率积分法，按本区煤厚等值线图做近似分区，取最大值作为分区的开采厚度，分别计算获得14020工作面4种不同开采方案在开采结束后的沉降等值线、最大倾斜等值线、最大水平移动等值线、最大水平变形等值线。可以得出在工作面开采充分变形后，地表将形成非对称的沉降盆地，主要与工作面的地质条件和开采布置有关，受其影响，下沉盆地长轴向煤层倾向和新生界厚度大的方向偏移，导致灵泉水库北东侧沉降变形相对减小，对水库的影响主要集中在南侧和西南侧，主要破坏的堤坝为南堤。水库整体处于由东北向西南的拉伸状态，沉降后库体南侧总体下沉，形成南低北高的簸箕地形，库内水体将向南部低洼区迁移，同时不均匀沉降和水平移动造成南堤和西堤处于拉伸变形，会对堤坝产生破坏，南堤将形成东西向延展、台阶状的拉伸裂缝，西堤南段将形成南北向延展、台阶状的拉伸裂缝。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，开采变形影响范围按开采导致的沉降、水平移动超过10mm的范围较大者确定，水库范围内地表允许最大水平拉应变为4.0mm/m，极限拉应变值为6.0mm/m。根据预测结果统计出不同开采方案的影响范围如表2所示。

表2 4种开采方案对水库的影响范围

开采完B1范围内的煤，水库受地表变形的影响很小，可以继续向前开采。B4为预留的风井煤柱，不开采。开采完B2后，水库最大下沉值100～300mm，水库南侧逐渐向西南倾斜，最大约3～5mm/m，水平移动值和水平变形最大分别约为150～170mm和3～4mm/m，开采变形影响范围内水库的面积约为12 000m2，堤坝长度约为340m，其中南堤190m，西堤100m，东堤50m，库盆底部水平拉应变没有大于4mm/m的区域。开采完B3后，水库最大下沉值400～500mm，水库南侧逐渐向西南倾斜，最大约8～10mm/m，水平移动值和水平变形最大分别约为300～320mm和4mm/m，开采变形影响范围内水库的面积约为17 000m2，堤坝长度约为370m，其中南堤190m，西堤130m，东堤50m，库盆底部水平拉应变大于4mm/m的区域为4 000m2，没有大于6mm/m的区域。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》和《煤矿采空区岩土工程勘察规范》中地表变形破坏标准和场地稳定性评价标准，并取2倍的安全系数，将水库范围内的倾斜和水平变形分别控制在5mm/m和3mm/m内，综合对比后，建议按AB1B2C方案开采。

4 结论

(1)以12采区的开采致地表移动变形观测数据为依据，总结出了适用于14采区进行地表变形预测的地面变形计算参数，并对14020、14040和14060工作面开采对地表的移动变形进行预测。

(2)在工作面开采充分变形后，地表将形成非对称的沉降盆地，主要与工作面的地质条件和开采布置有关，受其影响，下沉盆地长轴向煤层倾向和新生界厚度大的方向偏移。

(3)14020工作面北部与灵泉水库相邻，14020、14040和14060工作面开采后造成的地表移动变形对水库造成了一定的影响，预测了4种不同的开采方案对水库造成的影响，总体上由于下沉盆地长轴向煤层倾向和新生界厚度大的方向偏移，导致灵泉水库北东侧沉降变形相对减小，对水库的影响主要集中在南侧和西南侧，主要破坏的堤坝为南堤。

(4)对比4种开采方案的地表变形对灵泉水库的影响，认为AB1B2C为最合适开采方案。

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Study on the influence of mining subsidence on Lingquan Reservoir in the mining area of thick loose layer with thin bedrock

Quandian Coal Mine is located in the thin bedrock thick loose layer area, the strata and surface movement and deformation law is special when the underground coal seam is mined. The 14020 working face borders on Lingquan Reservoir in the north, so the surface subsidence caused by 14020, 14040 and 14060 working face mining will affect the reservoir and its water facilities. The surface subsidence caused by 4 mining schemes had been forecasted by using probability integral method based on the condition of thick loose layer with thin bedrock. The influence of surface movement on reservoir was analyzed, and the characteristics of reservoir deformation were summarized. Through the comprehensive contrast, AB1B2C mining program was suggested.

thin bedrock; thick loose layer; surface subsidence; probability integral method

1672-609X(2017)05-0035-04

TD325

A

曹广远(1970-)，男，河南永城人，工程师，现任河南神火集团泉店煤矿矿长，一直从事矿井安全与技术管理工作。