劉 勇

(貴州六枝工礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州省六盤水市,553400)

導(dǎo)水裂隙帶法在貴州小型煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

劉 勇

(貴州六枝工礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州省六盤水市,553400)

根據(jù)貴州小型煤礦開采深度小、可采煤層少且較厚、開采后一般只出現(xiàn)冒落帶特點(diǎn),采用導(dǎo)水裂隙帶法對(duì)煤礦開采后地表深陷面積進(jìn)行預(yù)測(cè),并以貴州某煤礦為例對(duì)導(dǎo)水裂隙帶法在開采沉陷地的應(yīng)用進(jìn)行說明。

煤礦開采 地表塌陷 導(dǎo)水裂隙帶

1 前言

貴州是我國產(chǎn)煤大省,地方煤礦較多,目前,在貴州2000多對(duì)礦井中大多數(shù)屬于中小型礦井,礦山資源的大規(guī)模開發(fā)和利用,既給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,也對(duì)人類生存環(huán)境產(chǎn)生了一系列影響。礦山開采引起的地表移動(dòng)和變形對(duì)位于下沉盆地范圍內(nèi)的建筑物、河流、鐵路及耕地等產(chǎn)生一定的破壞,對(duì)礦區(qū)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展也造成嚴(yán)重的影響?！笆弧蔽迤陂g貴州省調(diào)查發(fā)現(xiàn)的采空塌陷區(qū)106處,按規(guī)模計(jì)有104處為小型礦井,按礦種計(jì)97處屬煤礦的采空塌陷區(qū)。按貴州省國土資源公報(bào),2007年度礦山破壞土地4450.48 ha,采礦塌陷449.37 ha(占10.1%)。

今后大量的地下開采還會(huì)繼續(xù)形成采空區(qū),但目前我國常用的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法主要有典型曲線法、負(fù)指數(shù)法、概率積分法以及力學(xué)方法。概率積分法是應(yīng)用最多的方法,但概率積分法公式復(fù)雜,引用時(shí)應(yīng)具備相應(yīng)的參數(shù),如果一個(gè)參數(shù)用錯(cuò),就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,該方法適用于參數(shù)較少的平原地區(qū),而山區(qū)巖石通常不是均勻介質(zhì),產(chǎn)生的參數(shù)很多,因此該方法一般不適用于山區(qū)。對(duì)貴州山區(qū)而言,因煤層的覆巖多以較堅(jiān)硬的脆性巖石為主,且貴州小型煤礦開采深度小,可采煤層少,煤層厚度一般為中厚煤層,開采后一般只出現(xiàn)冒落帶,冒落帶可直達(dá)地表形成塌陷坑。因此,根據(jù)貴州特定的地質(zhì)條件和小煤礦的特點(diǎn)可運(yùn)用導(dǎo)水裂隙帶法來預(yù)測(cè)采煤塌陷區(qū)。

2 導(dǎo)水裂隙帶法分析

導(dǎo)水裂隙帶的高度與上覆巖層的巖石結(jié)構(gòu)、煤層傾角、采高、厚煤層分層次數(shù)、采空區(qū)范圍大小和采煤方法等因素有關(guān)。

2.1 導(dǎo)水裂隙帶影響因素分析

(1)頂板巖性。當(dāng)直接頂和基本頂都比較堅(jiān)硬的條件下,基本頂由于堅(jiān)硬而下沉緩慢,下沉量小,使垮落過程充分發(fā)展,導(dǎo)水裂隙帶高度較大。當(dāng)直接頂和基本頂比較松軟破碎時(shí),由于頂板穩(wěn)定性差,在垮落發(fā)生和發(fā)展過程中,覆巖下沉量較大,開采空間和已垮落的空間由于覆巖下沉而不斷縮小 ,因此,垮落過程不能充分發(fā)展,導(dǎo)水裂隙帶高度均較低。

(2)煤層傾角。煤層傾角能引起兩帶高度變化,主要原因在于垮落巖塊隨傾角加大在采空區(qū)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。煤層傾角小于35°時(shí),垮落巖塊就地堆積,采空區(qū)各部分的導(dǎo)水裂隙帶高度基本相同;煤層傾角在35～54°時(shí),垮落巖塊下滑到采空區(qū)下部,使采空區(qū)下部的導(dǎo)水裂隙帶高度小于采空區(qū)上部;當(dāng)煤層傾角大于54°時(shí),垮落的巖塊及煤向下滾動(dòng),采空區(qū)下部發(fā)展很小,上部很高,而且影響到采空區(qū)上部煤柱。

(3)采高及厚煤層分層次數(shù)。一次采全高或分層初次開采時(shí),導(dǎo)水裂隙帶的高度與采高呈近似直線關(guān)系。水平至傾斜煤層分層開采或近距離煤層群開采條件下,導(dǎo)水裂隙帶高度隨分層次數(shù)增加而遞減。

(4)采空區(qū)范圍大小。采空區(qū)范圍決定了開采充分程度,當(dāng)采空區(qū)范圍足夠大時(shí),導(dǎo)水裂隙帶得到充分發(fā)展,反之將受到限制。

(5)采空區(qū)處理方法。我國普遍采用全部垮落法管理頂板,這種處理采空區(qū)的方法使上覆巖層破壞得最充分,充填法處理采空區(qū)時(shí),一般不發(fā)生垮落性破壞,因而導(dǎo)水裂隙帶高度也就不明顯。

2.2 導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)典公式

到目前為止,采用長(zhǎng)壁垮落采煤法開采后,導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算大多采用經(jīng)驗(yàn)公式,這些公式是根據(jù)大量的鉆孔和巷道觀測(cè)資料用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法獲得。本文運(yùn)用《礦區(qū)水文地質(zhì)規(guī)程及勘探規(guī)范(GB127-19-91)》中導(dǎo)水裂隙帶最大高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,見表1。

表1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式

3 導(dǎo)水裂隙帶法預(yù)測(cè)塌陷區(qū)步驟

(1)采空區(qū)影響移動(dòng)角及影響范圍的確定。

根據(jù)我國現(xiàn)行《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》確定上山、走向邊界角,下山方向邊界角取[δ0-0.6α]。

(2)確定煤礦主采煤層的頂板和底板巖性。

(3)根據(jù)可采煤層的頂板和底板巖性、傾角等在表1中選用適合的最大導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式。在計(jì)算過程中,可采煤層層數(shù)n為1層,煤層平均厚度小于2.2 m,可采煤層的累計(jì)厚度M取巷道高度2.2 m

(4)在礦區(qū)范圍內(nèi)作相應(yīng)的傾向剖面圖、走向剖面圖,將最大導(dǎo)水裂隙高度、下山移動(dòng)角、走向移動(dòng)角投影到剖面上。

(5)將剖面確定范圍投影到礦區(qū)平面圖上,去除礦區(qū)內(nèi)禁采的部分即為礦山開采塌陷范圍。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 預(yù)測(cè)礦井基本情況

貴州省福泉市某礦為一新建礦井,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為9萬t/a,主采M1#煤層。M1#煤層平均厚度為1 m,傾角50°,屬急傾斜煤層。開采方式為井下開采,采用走向長(zhǎng)壁采煤法(偽斜布置)開采、全部陷落法管理頂板。M1#煤層的頂板和底板均為灰-深灰色的中-厚層燧石泥晶灰?guī)r。

4.2 塌陷區(qū)預(yù)測(cè)

(1)采空區(qū)影響移動(dòng)角的確定。礦區(qū)覆巖為堅(jiān)硬巖礦層,傾角小于50°,煤層傾角為50°,因此上山及走向邊界角采用75°,下山方向邊界角取[δ0-0.6α]=30°。

(2)M1#煤層的頂板和底板均為灰-深灰色中-厚層燧晶灰?guī)r。據(jù)此選用表1中的H=100 M/(2.4n+2.1)+11.2公式計(jì)算其最大導(dǎo)水裂隙帶高度,可采煤層層數(shù)n為1層,煤層最厚約1.08 m,最薄為0.95 m,平均厚度1.00左右;可采煤層的累計(jì)厚度M取巷道高度2.2 m,則導(dǎo)水裂隙帶的最大高度:

H=100×2.2/(2.4×1+2.1) +11.2=60.09 m

(3)做礦區(qū)傾向剖面圖、走向剖面圖,將最大導(dǎo)水裂隙高度、下山移動(dòng)角、走向移動(dòng)角投影到剖面上,見圖1。

(4)將礦區(qū)內(nèi)的地形地質(zhì)圖、井上和井下對(duì)照?qǐng)D進(jìn)行疊加對(duì)照。根據(jù)剖面圖,結(jié)合上山和下山移動(dòng)角,先圈定出塌陷區(qū)投影的平面位置;然后在塌陷區(qū)投影的平面內(nèi),結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶最大高度,在開采深度小于導(dǎo)水裂隙最大高度的區(qū)域內(nèi)畫出煤層埋煤較淺,地形低洼,頂?shù)装鍘r性差的區(qū)域?？鄢蓞^(qū)面積后,即為煤礦塌陷區(qū)預(yù)測(cè)面積,通過以上方法,經(jīng)AutoCAD2007軟件計(jì)算得塌陷區(qū)域面積為9.3545 hm2。

圖1 某礦塌陷區(qū)預(yù)測(cè)剖面圖

5 結(jié)論

導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算公式簡(jiǎn)單、易操作,根據(jù)貴州山區(qū)可采煤層的覆巖多以較堅(jiān)硬的脆性巖石為主,且小煤礦數(shù)量較大、開采深度小、可采煤層少且厚度一般為中厚煤層,開采后一般只出現(xiàn)冒落帶,冒落帶可直達(dá)地表形成塌陷坑的特點(diǎn),因此,運(yùn)用導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)開采煤層少、頂板巖石堅(jiān)硬、開采深度小的貴州小煤礦塌陷區(qū)有一定的可適用性和操作性。

[1]杜計(jì)平,汪理全.煤礦特殊開采方法[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[3]工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[4]煤行管字[2000]第81號(hào)文通知《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[M].北京.煤炭工業(yè)出版社,2004

(責(zé)任編輯 張艷華)

Prediction ofmining subsidence by calculating the height of water flowing fracture zone applied in smallmines in Guizhou Province

Liu Yong
(Guizhou Liuzhigong Mining(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui,Guizhou 553400,China)

Small coalmines in Guizhou Province are generally characterized by shallowmining depths,thick but fewerminable seams and only caving zones occurring as a result ofmining.Based on these characteristics,the area of surface subsidence resulting frommining is predicted by calculating the height of water flowing fracture zones,with a case study to demonstrate the application of the method at a coalmine in Guizhou Province.

coalmining,surface subsidence,water flowing fracture zone

TD997.1

B

劉勇(1969-),男,1993年畢業(yè)于貴州工學(xué)院采礦系,現(xiàn)就職于貴州六枝工礦集團(tuán)公司有限責(zé)任公司安全監(jiān)察部。