雷崇利，管園園

（1.中煤科工集團(tuán) 西 安研究院，陜西 西 安 7 10054；2.西安科技大學(xué) 地 質(zhì)與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西 安 7 10054）

0 引言

亭南煤礦、大佛寺煤礦是陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)相鄰的兩個(gè)大型煤礦，煤礦區(qū)內(nèi)地貌主要為黃土塬梁溝谷，局部為河流階地；本區(qū)地處渭北撓褶帶北緣廟彬凹陷區(qū)，地層總體為走向NE—NEE，傾向NW—NWW的單斜構(gòu)造，深部發(fā)育寬緩褶皺；區(qū)內(nèi)地層從老到新依次為三疊系上統(tǒng)胡家村組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池組，新近系紅土，第四系黃土和沖積物，地表大多被新近系、第四系覆蓋，主采煤層為延安組的4號(hào)煤層，厚0～23.24m；洛河組砂巖裂隙承壓水和第四系沖積層孔隙潛水分布面積廣，前者富水性強(qiáng)—中等，后者富水性弱，為區(qū)內(nèi)兩個(gè)主要含水層；區(qū)內(nèi)村莊眾多，村民集中居住。

亭南煤礦、大佛寺煤礦經(jīng)過多年生產(chǎn)，形成了一定面積的采空區(qū)。但兩礦采空區(qū)引發(fā)的地面變形卻明顯不同：亭南煤礦地表變形量小，目前對(duì)張家咀村、安華村影響不明顯；而大佛寺煤礦地表變形量大，已形成約1.6km2地面塌陷，塌陷區(qū)內(nèi)伴生地裂縫發(fā)育，裂縫有近EW、SN兩組，長(zhǎng)約200～400 m，寬約20～30cm，深約5～10 m，裂縫間距約10～20m，使菜子塬村、朱家坡村建筑物、土地?fù)p壞，成為媒體關(guān)注熱點(diǎn)。

亭南煤礦、大佛寺煤礦采用長(zhǎng)壁式采煤法，綜采放頂煤工藝開采4煤，全部跨落法管理頂板，已分別回采完了4個(gè)、2個(gè)工作面，各工作面基本情況如表1所示，因已采工作面少，各工作面為獨(dú)立開采或?yàn)闂l帶開采。亭南煤礦除113工作面在涇河、村莊下限高7m開采外，其它工作面因煤厚變化，采厚變化大。

亭南煤礦、大佛寺煤礦為相鄰礦井，為什么兩礦采空區(qū)引發(fā)的地面變形明顯不同，本文將對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行分析。

表1 工作面基本情況表Table 1 The basic situation of working face

1 不同程度地面變形的主要因素對(duì)比

1.1 有效長(zhǎng)深比

地表的采動(dòng)程度分為充分采動(dòng)和非充分采動(dòng)，以采空區(qū)的尺寸（長(zhǎng)度和推進(jìn)長(zhǎng)度）與開采深度之比決定地表的采動(dòng)程度。通常在采空區(qū)的長(zhǎng)度和推進(jìn)長(zhǎng)度均達(dá)到1.2～1.4H0（H0為平均開采深度）時(shí)，地表可達(dá)到充分采動(dòng)，否則為非充分采動(dòng)。由于采空區(qū)的長(zhǎng)度較推進(jìn)長(zhǎng)度小，所以，本文采用采空區(qū)的長(zhǎng)度與開采深度之比（長(zhǎng)深比）判斷采動(dòng)程度。

充分采動(dòng)時(shí)，地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)、采礦條件下的最大下沉值，地表移動(dòng)盆地呈盆形。非充分采動(dòng)時(shí)，地表任意點(diǎn)的下沉值均未達(dá)到該地質(zhì)、采礦條件下的最大下沉值，地表移動(dòng)盆地呈碗形。

與充分采動(dòng)相比，非充分采動(dòng)時(shí)，下沉值，傾斜值、曲率值、水平移動(dòng)值、水平變形值減小，地表變形減弱、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度降低。亭南煤礦、大佛寺煤礦已有工作面的長(zhǎng)深比計(jì)算如表2。從表可見，兩礦的6個(gè)工作面采空區(qū)都為非充分采動(dòng)，只是大佛寺煤礦工作面的長(zhǎng)深比亭南煤礦的大。

本區(qū)地表大多為厚層第四系和新近系松散層覆蓋，由于松散層較基巖軟弱，松散層隨基巖移動(dòng)而移動(dòng)，地表的移動(dòng)變形主要受基巖的移動(dòng)變形影響，如果基巖面上的點(diǎn)達(dá)到了充分采動(dòng)，可以認(rèn)為其上地表也達(dá)到了充分采動(dòng)［1］。

由此，筆者提出采用有效長(zhǎng)深比，即工作面長(zhǎng)度與煤層上覆基巖厚度之比進(jìn)行比較，兩礦各工作面的有效長(zhǎng)深比值見表2。

表2 工作面長(zhǎng)深比與有效長(zhǎng)深比對(duì)照表Table 2 The comparative table of length to depth ratio and effective long to deep ratio of working face

從表2可見，亭南煤礦4個(gè)工作面有效長(zhǎng)深比為0.26～0.30，仍很小，顯示地表為非充分采動(dòng)；大佛寺煤礦40301工作面有效長(zhǎng)深比為0.69，為非充分采動(dòng)，40104工作面有效長(zhǎng)深比為1.18，為充分采動(dòng)。另外，亭南煤礦4個(gè)工作面有效長(zhǎng)深比遠(yuǎn)小于大佛寺煤礦2個(gè)工作面有效長(zhǎng)深比。由此可見，因有效長(zhǎng)深明顯不同，大佛寺煤礦地表變形與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度應(yīng)強(qiáng)于亭南煤礦。

亭南煤礦106工作面、大佛寺煤礦40104工作面長(zhǎng)深比、有效長(zhǎng)深比變化如圖1所示。

1.2 有效深厚比

當(dāng)煤礦采空區(qū)增大到一定面積后，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，這種移動(dòng)變形隨開采深度、開采厚度、采煤方法等的變化而不同。可采用煤層深厚比劃分地表移動(dòng)和變形的程度及不同程度的分布區(qū)域。

煤層深厚比是煤層采深與采厚的比值。比值越大，表明地表移動(dòng)和變形在空間和時(shí)間上是連續(xù)的、漸變的，具有明顯的規(guī)律性，采煤對(duì)地表的影響較??；比值越小，表明地表移動(dòng)和變形在空間和時(shí)間上是不連續(xù)的、沒有嚴(yán)格的規(guī)律性，采煤對(duì)地表的影響較大。

圖1 106、40104工作面地質(zhì)采礦數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.1 The geology mining data contrast chart of working face 106 and 40104

通常將深厚比值分為小于30、30至60、大于60三級(jí)，分別對(duì)應(yīng)地表變形和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育強(qiáng)、中等、弱三級(jí)。

亭南煤礦、大佛寺煤礦已采工作面深厚比計(jì)算結(jié)果如表3。從表3可見，兩礦的5個(gè)工作面的深厚比介于30至60之間，只有亭南煤礦的106工作面深厚比大于60，由此推測(cè)似乎兩礦地表地質(zhì)災(zāi)害總體差別不大，但實(shí)際情況并非如此。

本區(qū)地表大多為厚層第四系和新近系松散層覆蓋，其力學(xué)性質(zhì)軟弱，抗變形能力差，因此，本文提出采用有效深厚比，即煤層上覆基巖厚度與采厚的比值進(jìn)行對(duì)比分析。亭南煤礦、大佛寺煤礦已采工作面有效深厚比計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 工作面深厚比與有效深厚比對(duì)照表Table 3 The comparative table of depth to thickness ratio and effective depth to thichness ratio of working face

從表3可見，大佛寺煤礦2個(gè)工作面的有效深厚比小于30，亭南煤礦3個(gè)工作面的有效深厚比介于30至60之間，106工作面有效深厚比大于60，這些數(shù)值的不同和兩礦地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀的不同相吻合。因有效深厚比的明顯不同，大佛寺煤礦地表變形與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度應(yīng)強(qiáng)于亭南煤礦。

亭南煤礦106工作面、大佛寺煤礦40104工作面深厚比、有效深厚比變化如圖1所示。

1.3 覆巖力學(xué)性質(zhì)及厚度變化

覆巖對(duì)采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響取決于覆巖的巖石力學(xué)性質(zhì)及不同力學(xué)性質(zhì)巖石的厚度。當(dāng)覆巖中在一定位置上存在厚層狀堅(jiān)硬巖層時(shí)，覆巖冒落發(fā)展到該堅(jiān)硬巖層時(shí)會(huì)形成懸頂，堅(jiān)硬巖層產(chǎn)生拱冒變形，地表產(chǎn)生緩慢的連續(xù)移動(dòng)變形。當(dāng)覆巖為堅(jiān)硬、中硬、軟弱巖層及其互層時(shí)，開采后容易形成冒落，不會(huì)形成懸頂。

本區(qū)煤層上覆地層主要為第四系黃土和新近系紅土松散層，白堊系的洛河組、宜君組，侏羅系的安定組、直羅組、延安組。

松散層為散體結(jié)構(gòu)，力學(xué)性質(zhì)軟弱。洛河組以砂巖為主，局部夾礫巖，宜君組為礫巖，這兩組巖層為整體塊狀結(jié)構(gòu)，力學(xué)性質(zhì)堅(jiān)硬。安定組為泥巖、砂巖，直羅組以砂巖為主，泥巖次之，延安組由泥巖、煤層、砂巖組成，這三組巖層為薄層—層狀結(jié)構(gòu)，力學(xué)性質(zhì)中硬—軟弱。

通過對(duì)亭南煤礦、大佛寺煤礦已采工作面上覆不同地層厚度的統(tǒng)計(jì)（表4）發(fā)現(xiàn)：亭南煤礦4個(gè)已采工作面上覆洛河組與宜君組厚度之和為255～308m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大佛寺煤礦2個(gè)已采工作面的65～89m。

表4 工作面上覆地層厚度統(tǒng)計(jì)表（m）Table 4 The thickness statistical table of overlying strata of working face （m）

另外，亭南煤礦4個(gè)已采工作面上覆洛河組與宜君組厚度之和也遠(yuǎn)大于安定組、直羅組和延安組厚度之和的98～156m，而大佛寺煤礦2個(gè)已采工作面上覆洛河組與宜君組厚度之和卻遠(yuǎn)小于安定組、直羅組和延安組厚度之和的189～200m。

因此，覆巖力學(xué)性質(zhì)、不同力學(xué)性質(zhì)巖石厚度的不同，也能夠說明兩礦地質(zhì)災(zāi)害的不同。

兩個(gè)煤礦洛河組與宜君組厚度之和變化情況見圖2，在亭南煤礦大部分地區(qū)，大佛寺煤礦中南部、東北角為巨厚洛河組與宜君組分布區(qū)，厚度大于200m。在大佛寺煤礦大部分地區(qū)，洛河組與宜君組厚度較薄，小于100m。

圖2 宜君組、洛河組厚度之和等值線圖Fig.2 Contour Map of Total Thickness of Yijun，Luohe Formation

2 地面變形危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

本次預(yù)測(cè)假設(shè)4煤全厚、順序開采、區(qū)間煤柱屈服采空區(qū)連通，達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)的最大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況。

覆巖力學(xué)性質(zhì)及不同力學(xué)性質(zhì)巖石厚度的不同對(duì)最初開采工作面上的地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生不同的影響，但隨著煤層順序開采、區(qū)間煤柱屈服采空區(qū)連通，這種影響將逐漸減弱，最終在厚層堅(jiān)硬巖層區(qū)將可能形成切冒現(xiàn)象，引發(fā)大規(guī)模的地面塌陷及伴生地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。

在上述假設(shè)條件下，只有有效深厚比能夠預(yù)測(cè)不同程度地質(zhì)災(zāi)害分布范圍。根據(jù)有效深厚比，以小于30、30至60、大于60為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將亭南煤礦、大佛寺煤礦進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度及危險(xiǎn)性分區(qū)（圖3）。

圖3 有效深厚比等值線圖Fig.3 The contour map of effective depth to thickness ratio

從圖3可見，在煤層可采區(qū)，有效深厚比小于30的區(qū)域分布在兩礦東北部，該范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)發(fā)育，對(duì)村莊的危險(xiǎn)性大。30至60的區(qū)域分布在兩礦中部，多呈條帶狀，地質(zhì)災(zāi)害中等發(fā)育，對(duì)村莊的危險(xiǎn)性大。大于60的區(qū)域分布在兩礦西部，呈條帶狀，地質(zhì)災(zāi)害弱發(fā)育，對(duì)村莊的危險(xiǎn)性中等。

3 結(jié)論

亭南煤礦、大佛寺煤礦采空區(qū)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的程度不同，采用有效長(zhǎng)深比、有效深厚比、覆巖力學(xué)性質(zhì)、不同力學(xué)性質(zhì)覆巖厚度的不同能夠較好的解釋這種現(xiàn)象。

根據(jù)有效深厚比劃分了兩礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)、中等和弱發(fā)育區(qū)的分布范圍，預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)、中等發(fā)育區(qū)對(duì)村莊的危險(xiǎn)性大，弱發(fā)育區(qū)對(duì)村莊危險(xiǎn)性中等，因此應(yīng)采取村莊集中搬遷安置或留設(shè)保護(hù)煤柱的防治辦法。

［1］郝延錦，吳立新，等.厚松散層條件下地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)理論研究［J］.礦山測(cè)量，2000（2）：24-25.HAO Yanjin，WU Lixin，et al.Theoretical study of ground movement by mining ender thick alluvium ［J］.mine surveying，2000（2）：24-25.