萍乡安源煤矿地表移动变形分析

刘地福，陈富贵

（江西省煤田地质勘探研究院，江西 南昌 330001）

1 矿区位置和自然地理

安源煤矿位于萍乡市南东120°方位，直距6 km，隶属于江西煤业集团有限责任公司。

矿区为低山丘陵地形，西南高，东北低，山脉走向NE～SW，山形成排，天子山最高，海拔+596.75 m，最低点+120 m。矿区属于大陆性亚热带，四季温度相差很大，年平均温度18.93℃，年平均降雨量1 570.4 mm，年平均蒸发量为1 242.4 mm。矿区无常年性地表水体，间歇性冲沟一般无水，雨时有水，雨后短时间内即被疏干。

2 矿井地质及煤层

2.1 矿井地质

本区出露地层有第四系、白垩系上统南雄组、三叠系上统安源组、三叠系下统大冶组、二叠系中茅口组［1］，分述如下：

（1）第四系（Q）：厚度0～20 m，一般5 m。由粘土、亚粘土、砂粒及卵石组成，分布于冲沟及低洼处。

（2）白垩系上统南雄组（K2n）：厚度0～155 m，一般75 m。红色或棕红色砂砾岩，夹条带或透镜状泥岩，分布于井田以北外围大片地区。

（3）三叠系上统安源组（T3a）：平均总厚度710 m，是区内含煤地层。自上而下分三丘田段（T3a3），三家冲段（T3a2）及紫家冲段（T3a1）。三丘田段分二个亚段，上下亚段合称上煤组；三家冲段（T3a2）分为上、中、下三个亚段，该段不含煤；紫家冲段分二个亚段，上亚段（T3a12），又称下煤组，下亚段（T3a11）为底部砾岩。以南翼地层分述如下：

①三丘田段（T3a3）：

厚度135～390 m，一般270 m。灰色石英砂岩、细砂岩、粉砂岩及炭质泥岩，上亚段含煤三层（上煤组一煤层、二煤层及三煤层）；下亚段中部含上煤组四煤层

②三家冲段（T3a2）： 厚度10～366 m，一般厚220 m。深灰色粉砂岩、细粉砂岩、泥岩。

③紫家冲段（T3a12）：厚度107～445 m，一般200 m。上亚段为灰色细至中粒石英砂岩、深灰色粉砂岩、细砂岩、泥岩，含大槽、砚子槽及硬子槽煤层；下亚段为底部砾岩。

（4）三叠系下统大冶组（T1d）

厚度不详，小坑到紫家冲一带出露。泥岩与粉砂岩互层，局部为泥灰岩。

（5）二叠系中统茅口组（P2m）

井田范围内，出露在北翼煤系底部。厚度100～280 m，一般200 m。上部浅灰色厚层状灰岩，下部黑灰色泥灰岩。

2.2 煤层

安源井田以RF2断层为界，分为南北两翼：南翼含煤5 层，其中下煤组可采3 层，上煤组可采2 层；北翼下煤组可采4 层。各可采煤层由上往下叙述如下：

（1）南翼上煤组煤层：

①三煤层：煤层全层厚度3.3～10 m，平均厚5.6 m，平均计量煤厚2.52 m，煤层结构极复杂，全区可采，为不稳定煤层。

②四煤层：煤层全层厚度6.3～12 m，平均厚8.6 m，平均计量煤厚4.05 m，煤层结构极复杂，全区可采，为不稳定煤层。

（2）南翼下煤组煤层：

南翼下煤组为紫家冲段，地层平均厚220 m，可采煤层厚6.17 m。

①砚子槽：层位较稳定，全层厚0～5.05 m，一般厚2.17 m，平均计量煤厚1.12 m。往西变薄，全区大部可采，为较稳定煤层。

②硬子槽：层位较稳定，全层厚0～4.9 m，一般厚3.5 m，平均计量煤厚1.2 m。全区基本可采，为较稳定煤层，煤层结构较简单。

③大槽：层位稳定，全层厚2.02～29.2 m，一般8.47 m，平均计量煤厚3.85 m，全区可采，为较稳定煤层，煤层结构复杂。

（3）北翼下煤组煤层

①列皮槽：煤层厚度0.24～2.35 m，平均0.75 m，平均计量煤厚0.91 m。煤层结构复杂，为局部可采的不稳定煤层。

②一号大槽： 厚度为0.17～2.54 m，平均为0.83 m，平均计量煤厚1.02 m。结构较简单，为大部可采的较稳定煤层。

③二号大槽：煤层厚度0～1.38 m，平均0.65 m，平均计量煤厚0.88 m，灰分26.69%，为局部可采的不稳定煤层。

④四页槽：煤层厚度0.80～1.48 m，平均1.12 m。结构较简单，为全区可采的较稳定煤层。

3 矿井开采技术条件

3.1 水文地质

矿区含水层分为孔隙含水层、基岩裂隙含水层、碳酸盐岩裂隙岩溶含水层，本矿属基岩裂隙充水的水文地质条件中等矿床。安源组煤系地层抽水试验q=0.008 8～0.51 L/s·m，k=0.012 3～0.163 m/d，富水性较差。北翼茅口灰岩稳定水位为+155.12 m，q=0.30 L/s·m；矿井东邻高坑煤矿：茅口灰岩抽水试验q=1.14 L/s·m，Q=420 m3/h，为中—强富水，但对煤层开采影响不大。

3.2 工程地质

矿井开采主要是安源组紫家冲段，煤层顶板多为灰黑色致密粉砂岩、砂岩及砾岩透镜体，局部夹泥岩；底板为灰黑色泥质砂岩、细粒砂岩。属半坚硬岩层，围岩类别属Ⅲ类，矿井工程地质条件为中等。

3.3 环境地质

矿区内无危岩、崩塌、滑坡等不良地质现象。因开采历史久远，部分地段出现了地面开裂、塌陷，系采煤造成地表移动所致。堆放的煤矸石栽种了松木，并长有杂草；矿坑排水由于煤层含硫较低，对环境影响不大；地表水、地下水水质较好；矿井属瓦斯矿井，煤层具有自然发火倾向；煤尘具有强爆炸危险性。本矿井地质环境质量属于复杂类型，地表裂缝、塌陷和矿井瓦斯是影响开采技术条件的主要问题。

4 矿井开采历史、生产规模及开拓系统

安源煤矿于1898年5月建矿，1906年投产，1938年因日本侵华停产，解放后1954年10月复矿建井，1956年5月投产至今。

矿区面积为12.816 5 km2，开采深度+320 m至-450 m，生产规模0.78 Mt/a。分四个水平开采，+150 m、±0 m已开采结束，现集中开采南翼-150水平和-300 水平的大槽煤。

安源煤矿为平峒、暗立井、暗斜井的综合开拓方式，采煤方法采用倾斜分层，走向长壁，顶板全陷落采煤方法。

5 开采地表移动变形分析

安源煤矿现在主要开采为第三、四水平大槽煤层，开采标高为-150～-300 m，本矿计划最低开采标高为-450 m。本次对-450 m标高以上煤层采完时地表移动变形进行研究。

当煤层被采空后，上覆岩层的原始状态遭到破坏，覆岩上部的地表各点向采空区方向移动，形成地表下沉盆地。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》，评价地表采动影响的指标有下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形［2］。由于煤层的厚度及分布的不均匀性，则不同位置引起的最大下沉值和最大水平变形不同。根据以下公式计算相应的各指标值。

5.1 地表下沉系数的确定

充分采动时，地表最大移动下沉值Wcm与煤层法线采厚M在铅垂方向投影长度的比值称为下沉系数：

式中：q为地表下沉系数，α为煤层倾角, M为煤层厚度。

参考相邻高坑煤矿采矿条件下实测下沉系数见表1。

表1 参考的实测下沉系数

煤层开采后，地表下沉系数主要与上覆岩层的性质、开采厚度、开采深度、重复采动次数等因素有关。地表下沉系数随煤层上覆岩层岩性硬度增加而减小，随采深增大而减小，随开采厚度的增加而加大，随采动次数增加而增加。参考高坑煤矿实测，结合理论和经验及安源煤矿的实际情况，以主采的大槽煤和煤层厚度较大的硬子槽为主，计算地表下沉系数取值，见表2。

表2 安源煤矿各煤层下沉系数取值

5.2 水平移动系数的确定

充分采动时，走向主断面上地表最大水平移动值Ucm与地表最大下沉值Wcm的比值称为水平移动系数：

根据萍乡矿区的地表移动实测资料，见表3。确定本区的地表水平移动系数取0.3。

表3 参考的实测水平移动系数

5.3 主要影响角的确定

煤层开采后，地表沉陷区内的移动变形主要集中在采空区边界上方宽度为2rz的范围之内，该范围称为主要影响范围。连接主要影响范围边界点与开采边界的直线，与水平线所成的夹角β称为主要影响角。安源煤矿主要影响角取值为65°［2］。

5.4 分析计算结果

最大倾斜I、最大曲率K、最大水平变形ξ的计算公式如下：

I=Wcm/（H/tgβ）

K=±1.52 Wcm/( H/tgβ)2

ξ=±1.52 bI

式中：采深H（所在水平标高+该点标高）。

计算结果见表4。

表4 各孔采动变形分析计算

钻孔编号最大水平变形（ξ）/mmⅤ0325.004.00342.702 302.02214.4050.1376.569Ⅴ01135.004.00625.002 080.6477.1390.0373.255Ⅴ01215.002.00480.801 226.7265.4720.0372.495Ⅵ0455.001.10505.28400.6441.7000.0110.775Ⅵ0240.002.20625.001 070.1653.6720.0191.674煤层倾角（α）煤层厚度/m煤层到地表的垂深（H）/m最大下沉（η）/mm最大倾斜（I）/mm最大曲率（K）/mm

5.5 地表移动变形规律

将上述计算结果绘制成地表下沉和地表水平变形等值分析图（见图1、图2）。据图可知，由于本区煤层采厚、采深均较大，井下工作面开采在地表形成的下沉盆地，均为连续变形形式，但其下沉情况存在一定的起伏，且呈波浪状；下沉盆地的形成是一个缓慢的发展过程，一般一个工作地表变形会在2.0～5.5年时间里完成。矿区西南部为上世纪80年代以前开采，历经30年，地表已经达到下沉及变形的稳定状态。根据图示，地表最大下沉区域集中在平坡里、猪圆心这些区域，对照该区域开采情况，主要是由于煤层厚度大于4 m所致；最大的水平变形集中在八方井、锡坑、燕子窝、炭冲附近，主要由于采深、采厚比偏小所致（〈60）。

图1 安源煤矿开采影响地面下沉分析等值线

图2 安源煤矿开采影响地表水平变形分析

6 结语与建议

1）安源煤矿终采后，地表发生不同程度的移动变形，最大下沉区域将集中在平坡里、猪圆心等地，最大水平变形将集中在八方井、锡坑、沈庙里、燕子窝、炭冲附近。地表移动变形主要取决于采深、采厚比［3］，在采深、采厚比〈60 的地段，变形值较大，反之较小。

2）受采掘影响，地表建筑物可能出现不同等级的移动变形。矿区内大部分建筑物分布在距离下沉盆地中心较远的位置，下沉值和水平变形值较大的区域多数为空地，采煤活动对建筑物的破坏影响总体较小。

3）建议矿山加强地表和建筑物变形监测，对变形预测较大的地区设置警示牌及防护栅栏，发生破坏的建筑，应及时加固处理。沈庙里、燕子窝、长窝里等地区地面变形值大于6 mm/m，不可新建地面建筑，避免引发人身危害及财产的损失。