煤矿深部开采地表采动损害的评价研究

张在岩, 王俊杰, 陈彤彤

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

煤炭开采规模和深度的不断增大，开采过程中所产生的地表沉陷也日益严重，从而对煤矿区的环境和经济造成直接破坏[1]。当煤层被采出以后，开采区域周围岩体的原始应力平衡状态遭到破坏。随着工作面的不断推进，地表建筑物、水体、管道等势必会受到损害[2]。预测开采地表沉陷，以期预防或减少地质灾害的发生，有着重大的研究和实践意义[3]。自 20 世纪 60 年代始,基于随机介质理论[4-5]所创建的概率积分法在我国沉陷预计中得到广泛应用。地表移动预计参数是进行开采沉陷预计的基础，是决定预测准确性的关键[6]。沉陷预计参数的确定方法有直接法和P系数法。直接法是直接利用已有的实测勘探数据，参照地表移动基本规律和概率积分法的基本原理求取参数；P系数法则是利用覆岩综合评价系数P与地表移动参数的关系求取参数[7]。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称《规范》)[8]中给出了我国主要矿区基于概率积分法的预计参数参考值或计算公式。随着我国煤炭开采深度的逐年增加，预计参数的计算公式难以满足现有预计工作要求。笔者依托鸡西市某煤矿已有地质资料，探究深部开采情况下基于P系数计算概率积分法的沉陷预计参数，包括下沉系数q、主要影响角正切tanβ、拐点移动距S、水平移动系数b和开采影响传播角θ，并根据三类建筑物变形破坏诱发因子阈值进行分级设置，综合评定评价区地表建筑物破坏等级，为煤炭开采引起的地表沉降预测提供参考。

1 工程背景

评价区位于鸡西市梨树区，居民区建筑面积约0.201 km2。该煤矿属半掩盖式井田，穆棱河及冲积平原区被第四系覆盖，极少部分有基岩出露。可采煤层为穆棱组2#煤层，待分析建筑物下方共有10个开采工作面，可采面积为3.036 km2，煤层平均厚度2.67 m，最大采深730 m，最小采深455 m，平均采深为559 m。煤矿含煤层位于中生界白垩系下统鸡西群穆棱组，主要岩石类型为砂岩、砂质页岩、页岩，坚固性系数f=3～10，第四系地层厚可达2～10 m，煤层倾角3°～24°，采深23～456 m，涉及SW1、SJZK-2、74-29三个钻孔。采区大部分采用走向长壁全部陷落法开采，少部分用长壁带状充填法开采，评价区建筑物和采空区空间对应关系如图1所示。

图1 评价区工程布局Fig. 1 Project layout of assessment area

2 地表变形预计参数

根据《规范》[8]附表可知，鸡西矿区煤矿全陷初采，取经验公式q=1.21-0.09 lnH(32 m≤H≤365 m)计算地表下沉系数，取tanβ=0.518+0.268 lnH(35 m≤H≤365 m)计算主要影响角正切。根据井上下对照图和2#煤层底板等高线可知，评价区的最小采深为455 m，超出该经验公式的适宜采深。因此，按规范经验公式直接求取参数有一定的局限性，故本次分析结合评价区的实际情况，最终根据评价区钻探资料计算P系数来确定预计参数。

2.1 下沉系数

根据《煤矿一井深部生产补充勘探报告》(2019)调查可知，2#煤层覆岩主要以中硬的泥岩、粉砂岩、细砂岩和凝灰岩为主，顶板管理方法为全部塌落。由评价区实际钻孔数据计算覆岩综合评价系数：

(1)

式中：mi——覆岩i分层发现厚度，m；

Qi——覆岩i分层的岩性评价系数，从《规范》中查表获取。

我国各矿区的实测资料和研究表明，采用走向长壁全陷法管理顶板时，下沉系数q变化范围在0.40～0.95之间。其值与覆岩性质、初次或重复采动正相关，可采用下式计算：

q=0.5×(0.9+P)。

(2)

表1为评价区各下沉系数计算结果。mi、Qi(i为1、2、3、4、5、6)分别代表第四系、凝灰岩、粉砂岩、泥岩、细粒砂岩、中粒砂岩的厚度和初采岩性评价系数。ht为覆岩总厚度。由地表沉陷规律可知：采动次数、覆岩岩性、顶板管理办法和采煤方法为下沉系数q值的直接影响因素； 评价区2#煤层为初次充分采动，采用式(2)计算得出此工作面初次开采的平均下沉系数q=0. 65，满足《规范》[8]附表中硬类型覆岩对应的地表下沉系数区间分布，即0.55～0.84。

表1 评价区各下沉系数计算结果

2.2 主要影响角正切值

由我国大量矿区地表移动观测站的实测资料可知，tanβ的主要影响因素为岩性、开采深度和煤层倾角。图2表明：开采深度相同时，坚硬覆岩的tanβ值较小，软弱覆岩的tanβ值较大；覆岩岩性相同时，tanβ随采深H的增大而增大[7]。图3表明在岩性和采深条件相同时，水平煤层的tanβ值最大，α愈大tanβ值愈小，具体关系如式(3)所示[7]。

图2 tan β随采深H的变化Fig. 2 tan β variation with mining depth H

图3 tan βα/tan β值随倾角的变化Fig. 3 tan βα/ tan β value varies with inclination

(3)

式中：α——煤层倾角，(°)；

D——随岩性变化的常数，可查表2获得；

表2 P-D的对应关系

H——开采深度，m。

根据表2岩性综合评价系数P与系数D的对应关系，查得岩性影响系数D=1.45。由评价区《井南采区采掘工程平面图》煤层底板等高线可知，煤层倾角α平均值为10°，平均采深为559 m。根据P值按式(3)计算tanβ值为3.11，计算结果符合图2揭示规律。

2.3 b、θ与S的求解

结合《规范》[8]和评价区实际情况，计算水平移动系数b、开采影响传播角θ和拐点偏距S分别为

b=(1+0.008 6α)b0，

(4)

θ=90°- 0.64α，

(5)

S=0.17H,

(6)

式中：b0——近水平煤层取0.3；

α——煤层平均倾角，取10°；

H——平均采深，取559 m。

由式(4)～(6)计算可知，评价区水平移动系数b=0.32，开采影响传播角θ=83.6°，拐点偏距S=95.03。

3 地表变形综合影响稳态分析

3.1 地表变形极大值

依据文中所求预计参数，按南北方向生成变形预计图件。在表3中，倾斜与水平移动值有正负号之分，正号表示量的方向为由南指向北；曲率图件中，正号表示地表上凸变化，负号表示下凹变化；水平变形图件中，正号表示地表拉伸，负号表示地表压缩。考虑评价区地表受10个采空区变形的综合影响，分析5类变形预计成果图可知，评价区下沉最大值将达到2 062 mm，其余4类基本变形最大值预计结果见表3。

3.2 采空区影响范围

采用概论积分法，对现有采空区进行稳态预计。沉陷预计格网大小为30 m×30 m，地表下沉等值线及下沉云图如图4所示。

由图4可知：以地表下沉10 mm为边界，2#煤层10个工作面开采完毕且达到沉陷稳定后形成一个不规则的沉陷盆地，面积为2.786 km2；评价区所有建筑物均位于地表沉陷影响范围之内，西南部民房受地表下沉影响最为严重，沉陷范围介于200～2 062 mm。不同下沉值地表沉陷面积及下沉区间沉陷面积统计如表4所示。其中，h为下沉值，S为沉陷面积，S1为区间沉陷面积，k=S1/S×100%。

图4 全采空区综合影响动态预计地表下沉等值线及云图Fig. 4 Isoline and cloud map of surface subsidence in all goafs

表4 全采空区综合影响稳态预计地表沉陷面积汇总

3.3 地表移动变形对建筑物稳定性的影响

建筑物受开采影响的损坏程度取决于地表变形值的大小和建筑物本身抵抗采动变形的能力[8]。评价区建筑物主要以一层砖瓦、砖木及砖混结构的平房为主，其次为土坯平房、简易仓房。该类建筑物允许地表变形值一般为水平变形ε=±2 mm/m，倾斜变形i=±3 mm/m，曲率K=±0.2 mm/m2。因此，根据《规范》[8]第二十七条，将房屋破坏等级按不同破坏诱发因子分为I、II、III、Ⅳ四级，分级阈值设置结果见表5。当2#煤层10个采空区形成并达到沉陷稳态，评价区地表变形损害等级如图5所示。

图5 评价区各变形指标采动损害等级分析 Fig. 5 Analysis of mining damage level of each deformation index in evaluation area

表5 三类破坏诱发因子分级阈值

由图5a可知，评价区下方10个采空区引起的地表变形中，评价区中部区域的倾斜变形集中在3～10 mm/m之间。由图5c可知，东北部区域水平变形集中在2.0～6.0 mm/m之间，对评价区建筑物影响最大，曲率变形影响为I级。按损害等级进行区域融合，绘制综合采动损害等级分析图(图6)。

图6 综合采动损害等级分析(稳态) Fig. 6 Analysis of comprehensive mining damage grade (steady state)

由图6可直观看出，2#煤层10个工作面全采引起的采动损害等级分别为：绿色区域为I级破坏，破坏面积为2.34 km2；黄色区域为II级破坏，破坏面积为0.99 km2；蓝色区域为III级破坏，破坏面积为0.82 km2；红色区域为Ⅳ级破坏，破坏面积为0.09 km2。结合《规范》[8]规定的不同破坏等级的建筑物处理意见及图6建筑物与破坏等级空间对应关系，建议对II级破坏区域房屋进行小修；III级破坏区域房屋进行中修；Ⅳ级破坏区域房屋存在倒塌的危险，建议拆建。

预计分析结果表明，评价区下方10个采区开采引起的地表移动变形达到稳定状态时，评价区多数房屋将位于II、III级破坏区，中部房屋受损较为严重，建议对II、III级破坏区域内的建筑提前做加固和抗变形处理。

4 结 论

(1)采用P系数确定地表移动参数符合参数一般变化规律，2#煤层10个工作面全采引起的地表沉陷面积预计达2.786 km2，评价区下沉最大值将达到2 062 mm。

(2)研究过程中按《规范》对评价区建筑物的三类破坏诱发因子进行了分级阈值设置，从空间上直观评价了建筑物损害等级。采空区上方地表建筑物群多数将达到II级、III级破坏，东南部小部分建筑物将受到Ⅳ级破坏。