黄土丘陵区急倾斜煤层开采引发地面塌陷及地裂缝分析——以甘肃省华亭县某社区地面塌陷为例

姚正学,周自强

(甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所,甘肃 兰州 730000)

甘肃省华亭县地处六盘山褶皱带及东部黄土高原的过渡带,属黄土丘陵区,亦是我国目前开采的20多个急倾斜煤层矿区之一[1]。由于急倾斜煤层在赋存条件和地质体物理力学性质上与缓倾斜煤层存在本质上的不同,故煤层开采引起的地表沉陷主要以塌陷、裂缝等非连续变形破坏为主[2],具有地表破坏剧烈、沉陷破坏持续时间长、地表下沉非线性等特征。而黄土地貌又具有黄土层厚度大、结构松散、孔隙度大、垂直节理发育的特点[3],因此,在黄土丘陵区开采急倾斜煤层极易引发崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷及地裂缝等地质灾害[4],给当地居民的生命财产安全和矿区经济的可持续发展带来极大的威胁。研究以华亭县某社区地面塌陷为例,以该社区所在区域急倾斜煤层开采条件为原型,采用基于概率积分法建立的任意形多工作面多线段开采沉陷预计模型[5],分析黄土丘陵区开采急倾斜煤层引发地表变形的特征和成因机理,以期对黄土丘陵区急倾斜煤层的合理开采和环境保护提供科学依据。

1 区域地质背景

1.1 地质概况

区域上研究区属祁吕贺兰山字型构造体系的脊柱——贺兰褶皱带南端和陇西系旋卷构造体系的六盘山旋回褶皱带的复合部位,受两大构造体系的影响,区域内的断裂褶皱十分发育[6]。区域地质构造简图见图1(a)。

区划上研究区属鄂尔多斯分区南部的焦坪——华亭小区域,地层自下而上为三叠统延长群(T3yn)、下侏罗统延安组(J1y)、中侏罗统直罗组(J2z)、下白垩统志丹群(K1zd)、新近系甘肃群(Ngn)和第四系(Q),其中第四系厚度在2～18 m之间,且覆盖整个研究区。区域综合地层柱状图见图1(b)。

研究区内含煤地层为侏罗统延安组,煤6为全区可采的特厚煤层,其层位稳定,但结构复杂,自上而下又可分为煤6-1上、煤6-1下、煤6-2上、煤6-2中、煤6-2下、煤6-3、煤6-4及煤6-5共8层煤,各煤层厚度在0.65～44.82 m之间,有由北向南、由轴部向东西两翼逐渐变薄之势。A-A′地层剖面简图见图1(c),其中煤6-2为研究区最稳定的可采煤层,全区分布,其他煤层均为不稳定的薄煤层,零星可采。

图1 研究区地质

1.2 地质灾害概况

研究区位于华亭县城主城区南部的东华镇,根据实地调查,区内最早于2011年9月地面及房屋开始出现变形裂缝,2011年10月前后变形加剧,于2013年10月出现了大面积的地面塌陷及地裂缝现象,形成的地表沉陷区呈近圆形,面积约0.23 km2,周围伴生的主要裂缝有27条(见图2),形态多为直线和低曲率弧线,成因为张拉和下错所致。27条裂缝的长度、宽度及下错高度不一,长度最短的为6 m,最长的为320 m;相邻错台间的高差在1～42 cm;裂缝宽度在0.5～40 cm。

图2 研究区地质灾害简图

研究区内民房多为砖木结构平房,少数为土坯瓦房,临街区为砖混结构一、二层楼房。此次受损房屋共4 000余间,部分房屋严重倾斜开裂,甚至倒塌,53户居民被迫搬迁,同时环城公路出现开裂错断变形,公共设施受到严重破坏,严重威胁着当地居民的生命财产安全,社会影响巨大。

2 急倾斜煤层开采数值模拟

2.1 理论模型的选择

近年来,由于数值计算方法和计算机软件的采用与开发,理论模拟法也得到了广泛地应用,例如ADINA、SAP5、FLAC3D等。此次研究采用中国矿业大学开发的MSPS软件,模拟急倾斜煤层开采上覆岩层移动引发的地表移动变形。

MSPS软件理论模型采用基于概率积分法山区任意点任意方向的地表移动变形预计模型[6],对山区和平原区均可进行地表移动变形预计。该理论模型采用面积积分方法,克服了以往预计非矩形工作面需大量准备各种参数数据的特点,仅需提供开采工作面各角点坐标、开采厚度、下沉系数、移动角正切、水平移动系数、最大下沉角、倾向方位角等参数,即可进行任意形状工作面开采预计,程序简单、计算速度快,并能将地表移动变形等值线通过CAD软件直观地反映在图中。

2.2 参数选取

以华亭县煤矿A开采的6202及6204工作面为地质模型,数值模拟参数选取参照如下:

据华亭矿区以往地表实测资料显示,矿区开采后移动角β在55°～62°之间,则tgβ为1.43～1.88,又地表下沉系数q与采区上覆岩层岩性及单向抗压强度息息相关,参照研究区附近矿区的经验值,本次取tgβ值为1.7,q值为0.75。倾斜煤层水平移动系数bc=b(1+0.008 6×α)[7],其中b为0.3。最大下沉角θ[8]:中硬覆岩:θ=90°-(0.6～0.7)α;软弱覆岩:θ=90°-(0.5～0.6)α,本次研究对象煤层覆岩岩性属软弱～中硬,采用公式θ=90°-0.6α。

根据以上分析,确定本次地质模型数值模拟计算参数(见表1)。

表1 地质模型数值模型计算参数

2.3 计算结果分析

通过MSPS软件对地质模型进行计算,待煤层采完之后,地表最大下沉值为3 513 mm,最大倾斜值为25.21 mm/m,最大曲率值为0.42 mm/m2,最大水平变形值为37.78 mm/m,最大水平移动值为3 198 mm。地表沉降变形等值线见图3。

图3 地表下沉等值线

由于模型参数的选择具有一定的灵活性,参数是否合理,是否符合岩石的基本特征,直接影响到计算结果是否有价值。

对研究区进行四等水准测量,结果显示,研究区内最大沉降值为2 130 mm,而地质模型预测在相同位置的下沉值为2 370 mm,两者数据基本吻合。因此,本次地质模型选取的参数合理,计算结果可信。

3 煤层倾角对地表移动变形的影响

为研究倾角对煤层开采引发地表移动变形的影响,仍以上述提到的6202及6204工作面地质采矿条件为原型,变化煤层倾角度数,以0°、15°、30°、45°、60°、75°共6个煤层模拟倾角建立模拟方案1～6,采用MSPS数值模型软件,分析在其他地质采矿条件不变的情况下,煤层倾角与覆岩破坏及地表移动变形之间的相关关系。

通过对上述各方案进行模拟计算,得出各方案地表下沉、曲率、倾斜、水平移动及水平变形的最大值(见表2),并绘制出地表移动变形曲线对比图(见图4)。

表2 不同煤层倾角下数值模拟结果

图4 煤层倾角不同时地表移动变形曲线对比

由表2和图4可知:

(1) 当其他地质采矿条件不变时,随着煤层倾角的变大,地表沉降变形曲线由对称于采空区向偏移采空区发展,并逐渐失去对称性。

(2) 当其他地质采矿条件不变时,随着煤层倾角的变大,最大沉降点偏向采空区下山方向。

(3) 当其他地质采矿条件不变时,随着煤层倾角的变大,最大沉降值也随倾角变大而变大,影响范围亦随之增大,即当煤层倾角为0°时,沉降影响区域半径为600 m;而当煤层倾角为75°时,沉降影响区域半径为1 050 m,较前者增加450 m。

(4) 当其他地质采矿条件不变时,随着煤层倾角的变大,地表倾斜、曲率、水平变形及水平移动曲线逐渐向采空区下山方向偏移,且其对应的影响范围也逐渐增大,对应的倾斜值、曲率值、变形值及水平移动值也随之增大。

4 结论

(1) 以研究区内开采工作面为地质模型,运用MSPS软件分析煤层开采引发的地表移动变形情况,在相同位置利用四等水准测量其最大沉降值为2 130 mm,而地质模型预测在相同位置的下沉值为2 370 mm,两者数据基本吻合,结论可信。

(2) 由模型软件分析的地表移动变形特征可知,近水平煤层开采,地表变形基本对称于采空区,当煤层倾角变大,地表变形曲线向采空区下方偏移并逐渐失去对称性,下山方向影响范围增大。

(3) 当其他地质采矿条件不变时,随着煤层倾角的变大,对应的倾斜值、曲率值、变形值及水平移动值也随之增大。