黄陵2号煤层采空塌陷变形对村庄稳定性影响研究

杨 川，高德彬，马学通，胡定康

(长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

0 引言

采煤采空塌陷引起的地表变形极易造成地表建(构)筑物的变形破坏，严重威胁采空区群众的生命财产安全[1-6]。同时，采空塌陷引起的地表裂缝、错台、塌陷及采动边坡发生崩塌、滑坡等地质灾害也加剧了矿区的水土流失[7]。本文依托黄陵某煤矿采掘对村庄稳定性影响专项评价工程实践，通过资料收集、现场调查、井下测量、钻探等方法，查明了村庄及其周边采煤采空分布及地表、村庄房屋变形破坏情况。在此基础上，通过开采条件判别法与概率积分法，分析了该矿采煤采空地表移动变形特征及发展趋势，为村庄整体稳定性评价及房屋翻修或异地搬迁提供科学依据。同时，为黄陵地区具有相似地质环境条件的采煤采空塌陷引起地表建(构)筑物的安全评价提供参考。

1 地质环境及矿区设置

研究区地貌单元属黄土台塬沟壑区，地形北高南低，高差约130 m。村庄西侧发育一大型深切黄土冲沟，近南北走向，断面呈“V”字形，沟壁陡峭。钻探揭露黄土台塬的地层岩性主要为第四系中—上更新统黄土、中—下侏罗统及上三叠统砂岩及砂泥岩，其中2号煤层赋存于中侏罗统延安组。黄土厚度为162.4～167.0 m，煤层上部的砂岩及砂泥岩厚度为57～60 m，煤层厚度为1.2～1.3 m，煤层顶板标高为960.0～962.5 m[7]。

黄陵东方煤矿呈长方形，面积约1.6 km2。其西侧与北侧为瑞能煤矿，东南侧为仓村煤矿。由于该矿区由多个矿区整合而成，采煤采空分布较为复杂。根据现场调查、井下测量及钻探综合显示，村庄及周边60 m范围内煤层未被采掘，不存在采煤采空区。目前研究区出现地表变形主要为村庄周边分布的采煤工作面塌陷变形诱发所波及的。同时，对村庄地表建(构)筑物稳定性有影响的工作面为2201、2202和2203(图1、图2)。其中2203目前未被采掘，2201工作面距村庄较远，因而对村庄稳定性直接影响为2202工作面。

图1 矿区位置、采掘工作面及村庄示意图Fig.1 Schematic diagram of mining area location，working face and village

图2 研究区典型断面图Fig.2 Typical section map of the study area

2 采空影响区地表变形破坏特征分析

2.1 地表变形特征

现场调查表明，矿区2201、2202工作面采空塌陷造成村庄西侧的黄土冲沟两侧采动边坡发生黄土崩塌、滑坡等次生地质灾害。同时造成村庄西侧的广场、道路、果园及耕地等出现一条长大裂缝，长约400 m，宽5～10 cm，局部错距10～30 cm(图3、图4)。裂缝走向与2202工作面近似平行，局部受到采动边坡影响，裂缝两端走向发生改变，裂缝以外的村庄地表变形裂缝分布较少，且变形破坏程度较轻。同时，矿区道路上发育多条与该裂缝走向垂直的裂缝，即与2202工作面垂直。

图3 采空塌陷引起采动边坡滑坡及道路裂缝塌陷灾害Fig.3 Landslide disaster of mining slope and road crack collapse caused by goaf collapse

2.2 村庄房屋裂缝及发育特征

该村庄有105户96院落村民集中居住区及村委会、炮房、广场等区域，东西长400 m，南北宽350 m，面积0.14 km2。现场调查了房屋403间，其房屋破坏等级、数量及占比见表1。

表1 沟西村民房破坏情况统计Table 1 Statistical table of the destruction of residential houses in Gouxi Village

同时调查结果显示，采空塌陷引起的房屋裂缝走向或平行或垂直于2202工作面，且距离2202工作面越近，房屋裂缝宽度及长度愈大，由此可以判定居民房屋裂缝出现与2202工作面采空塌陷具有直接关系。

3 采空塌陷对村庄稳定性影响分析

3.1 基于开采条件判别法的采空区场地稳定性分析

2201工作面于2018年6月开采完成，而2202工作面2019年6月完成，因而2201、2202工作面采空变形距今150～520天，依据终采时间判定采空区场地属不稳定状态；煤层上覆岩层属中硬岩层，根据顶板岩性判断属基本稳定状态；同时，厚层黄土下采煤黄土厚度采用3∶1折算为基岩厚度[8]，采厚比约为87.2，属基本稳定状态，因此综合判定2201、2202工作面采空区场地属不稳定状态，其沉陷变形将波及到其东侧村庄的安全稳定。

3.2 工作面采空沉陷影响范围

为了确定矿区2201、2202工作面采空沉陷影响范围，根据规范[9]影响半径计算公式(1)：

r=H/tanβ

(1)

式中：r为主要影响半径，m；H为煤层埋深，m；tanβ为主要影响角正切，(°)。

根据矿区已有研究资料，并结合本次勘探，台塬区松散层厚度为164.7 m，基岩厚度为58.5 m，主要影响角正切为1.21。将上述数据代入式(1)计算，结果显示采空沉陷影响半径约为184 m，超过该值其影响可以忽略。

3.3 基于概率积分法的采空区地表变形预测

选用概率积分法对2201、2202工作面采空塌陷引起的地表下沉值进行计算分析，进而确定对村庄的影响范围，见计算公式(2)：

(2)

式中：Wmax为地表最大下沉值，mm；r为主要影响半径，m；x、y为地表任意点坐标，m；s、t为煤层坐标，m。

式(2)预测精度取决于计算参数选取，而矿区内无变形移动实测资料，因此本文依据规范[6]中的地质条件及计算参数的关系，采用径向基函数神经网络并结合K层交叉验证对概率积分法计算参数进行反演，最终确定下沉系数取值0.6。

计算时，首先分析了2201工作面采空塌陷引起的地表下沉量，并与2202工作面进行叠加，作为两个工作面塌陷引起的地表下沉量(图5)。由图5可见，2201、2202工作面塌陷引起的地表移动变形会影响到村庄西侧2～5列民房及村委会的安全稳定，即影响区为地表下沉量为10 mm的等值线所围成区域，面积约43 500 m2。

由于2203工作面目前未被开采，为了预测其未来采掘对村庄稳定性的影响程度，将其沉降量预测结果与2201、2202工作面引起的下沉量进行叠加，作为2203工作面采空塌陷引起的地表沉陷变形的预测结果(图6)。由图6可见，2203工作面开采村庄地表变形量基本无明显变化，但影响范围扩大至46 300 m2，即增加区域约2800 m2。由此可看出，随着2203工作面开采，其采空塌陷引起的地表移动变形将向东侧扩展，其影响民房增加1～3列。

图5 2201、2202工作面地表下沉等值线及影响范围图Fig.5 Contour map of the surface subsidence and affected area for the 2201 and 2202 working faces

图6 2203工作面地表下沉等值线及影响范围Fig.6 Contour map of the surface subsidence and affected area for the 2203 working faces

4 治理措施建议

1)为了防止村庄房屋坍塌，消除村庄居民的恐慌心理，应及时对采空影响的房屋按照破坏等级进行加固或翻修处理，并对已出现于耕地、果园、道路、广场等地段的地裂缝、塌陷坑等应及时进行开挖夯实回填，阻止地表水入渗诱发更大范围的地表不均匀沉降。

2)应建立采空塌陷变形的长期监测及预警系统，尤其每年汛期6—9月及春季融雪时，应加强变形监测，观测塌陷变形的发展趋势，为后期工程治理以及相同或相似采空地面塌陷区评价提供科学依据。

3)建议2203工作面后期采掘时选用充填法开采，减小其采空塌陷引起的地表移动变形。

5 结论

1)根据资料收集、现场调查、井下测量及钻探综合显示，村庄及周边60 m范围内煤层未被采掘，不存在采煤采空区。村庄房屋及周边地表变形的破坏是因2201、2202工作面采空塌陷变形诱发引起。

2)采用径向基函数神经网络对概率积分法计算参数进行反演，在此基础上计算确定了2201、2202工作面塌陷引起的地表移动变形会影响范围面积约43 500 m2，涉及村庄西侧2～5列民房及村委会的安全；2203工作面开采后影响范围扩大约2800 m2，将涉及村庄西侧1～3列民房安全。

3)对村庄房屋按照破坏等级进行加固或翻修处理，并加强变形裂缝监测；对耕地、果园、道路、广场等出现的裂缝、塌陷坑等开挖夯实回填，阻止地表水入渗诱发更大范围的地表不均匀沉降。同时，建议2203工作面选用充填法进行开采，减小其采空塌陷引起的地表移动变形。