趙振遠(yuǎn)，韋開行，潘 喆

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘測局地質(zhì)勘測設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽 550005;2.重慶市208水文地質(zhì)隊(duì)，重慶400700;3.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550000)

煤層被開采以后，由煤層的上覆巖層到地表形成了三個破壞影響帶:冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，冒落帶的巖層主要發(fā)生了斷裂、破碎，裂隙帶的巖層主要發(fā)生了較大的彎曲，彎曲下沉帶的巖層只是發(fā)生了巖層的連續(xù)破壞，變形沒有超出巖體的破壞強(qiáng)度，只是發(fā)生了彈塑性形變。

開采引起的地表移動破壞受多種因素的影響為此在采煤的同時，在地表設(shè)立觀測站，以分析地表變形的規(guī)律，為煤礦的下一步開采作指導(dǎo)。

1 觀測區(qū)井下開采情況

該煤礦礦區(qū)面積共 14.596 2 km2，由60個拐點(diǎn)圈閉而成，東翼開采標(biāo)高+300～-700 m，西翼開采標(biāo)高 +250～-200 m，開采 K1、K2、K3煤層，礦區(qū)走向長約 13 030 m，傾向平均寬1 062m，目前采空區(qū)面積5.82 km2。

觀測區(qū)內(nèi)地形地貌主要為丘陵山區(qū)地貌，煤層為背斜一翼，為單一傾斜，煤層傾角35°，工作面走向1 200 m，傾斜長110 m，采用走向長壁垮落回采法，煤層頂板上覆巖層以灰?guī)r為主，其次為泥巖、頁巖，煤層底板為灰?guī)r，煤層頂板為含水層，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，溶洞發(fā)育。

在觀測區(qū)邊界有營寨煤礦淺部開采，地表觀測的部分觀測點(diǎn)可能會受到一定的影響，采區(qū)開采 K1、K2、K3三層煤，為重復(fù)開采，由于該煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦山先開采K2煤層作為解放層，則 K2煤層為首采，按先采上煤層后采下煤層的原則，K3為第一次復(fù)采，K1為第二次復(fù)采。

2 地表移動觀測站的建立

2.1 地表移動觀測站的設(shè)計(jì)

觀測站一般由兩條觀測線組成，一為沿煤層的走向方向，另一為沿煤層的傾斜方向，兩條線基本垂直，依照此原則，該煤礦布置了一定數(shù)量的走向觀測線和傾斜觀測線。

主要選取傾向觀測線進(jìn)行分析，按照設(shè)計(jì)的觀測點(diǎn)位置，結(jié)合實(shí)地情況在現(xiàn)場挖直徑為0.5～0.6 m，深不小于0.6 m的坑，采用長約20 cm，直徑20 mm的螺紋鋼條，用混凝土灌注。在鋼條橫截面中心以沖擊鉆鉆出1 mm直徑的小洞，作為標(biāo)心。觀測線長約1.6 km，共埋設(shè)觀測點(diǎn)51個。在觀測線沿線按相應(yīng)要求各埋設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)7個，作為變形監(jiān)測的工作基點(diǎn)。

2.2 變形監(jiān)測

平面測量以固定點(diǎn)水準(zhǔn)測量高程為高程起算數(shù)據(jù)，按三維導(dǎo)線法測出各工作基點(diǎn)及各測點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程。導(dǎo)線測量使用儀器為瑞士徠卡TC702全站儀，以各觀測點(diǎn)平面坐標(biāo)，解算點(diǎn)間距并歸算至煤層傾向方向。計(jì)算軟件為NASEW2008平差軟件。

2007年12月開始首次觀測，首次觀測獨(dú)立進(jìn)行兩次，2007年12月11-12日獨(dú)立進(jìn)行兩次三維導(dǎo)線測量。兩次次觀測成果符合要求后，取其平均值作為首次觀測成果。此后在2008、2009、2010年每季度次月進(jìn)行全面觀測一次，總計(jì)完成全面觀測12次。

3 觀測資料整理分析

在對監(jiān)測點(diǎn)全面觀測12次之后，將其數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出各點(diǎn)下沉量與時間曲線圖、觀測線下沉量與時間曲線圖、部分點(diǎn)下沉速度與曲線圖(見圖1、圖2)。

圖1 地表下沉曲線圖

(1)由圖1可以看出，自 Q17至 Q31點(diǎn)的各點(diǎn)的下沉曲線為地表連續(xù)沉降，而其余各觀測點(diǎn)都出現(xiàn)不同程度的地面隆起，由此可見，該煤礦開采沉陷壓縮區(qū)域主要分布在上山方向，而拉伸區(qū)域主要集中在下山方向。

圖2 地表水平移動曲線圖

(2)由圖1可以看出，該煤礦在傾向開采線上最大下沉量為447.1 mm，出現(xiàn)在 Q22點(diǎn)，每次觀測的最大下沉點(diǎn)也出現(xiàn)在Q22點(diǎn)附近，最大下沉值在采空區(qū)的偏下山方向，上山方向的下沉速率亦較下山方向大。

(3)由圖2可以看出，最大水平位移移動量也出現(xiàn)在Q23點(diǎn)，最大移動值330 mm。

4 地表移動影響因素分析

4.1 地形對地表下沉的影響

圖3 觀測線上的地形示意圖

本次采取觀測線為丘陵山區(qū)，因此觀測線出現(xiàn)地形起伏(見圖3)，表1和表4分別為上山方向和下山方向的坡向和移動盆地下沉傾向一致的觀測點(diǎn)的沉降值，由沉降數(shù)值可以看出，在采動影響剛傳至地表時，地表主要表現(xiàn)為上升或鼓起，主要是因?yàn)楫?dāng)坡向和地表移動盆地的傾向一致時，隨著采礦的不斷進(jìn)行，移動盆地不斷擴(kuò)大，山體將由坡頂向坡腳順向滑移，形成靠近坡腳方向的隆起，越靠近坡腳方向，隆起的幅度將越大，坡度越大，隆起的數(shù)值也將越大，由表一可以看出坡腳上的Q3點(diǎn)達(dá)到最大的18 mm，此時達(dá)到一定的受力平衡，當(dāng)采煤活動的繼續(xù)進(jìn)行，將出現(xiàn)一定量的下沉值，仍將達(dá)到一種平衡，隨著采煤的不斷進(jìn)行，這種隆起下降也不斷變換，越靠近盆地中心的觀測點(diǎn)下降的越快。

表1 上山方向 坡向與移動盆地下沉傾向一致時各點(diǎn)下沉值 mm

表2 上山方向 坡向與移動盆地下沉傾向相反時各點(diǎn)下沉值 mm

表3 下沉盆地中心各點(diǎn)下沉值 mm

表4 下山方向邊界坡向和移動盆地下沉傾向一致 mm

表2為上山方向的山體坡向與移動盆地下沉傾向相反的各觀測點(diǎn)的沉降值，可以看出，此時山體觀測點(diǎn)的最大沉降值既不在坡腳也不在坡頂，而是位于坡腳和坡頂之間。

表3為移動盆地中心的一山體的沉降觀測值，由表看可以看出位于移動盆地中心的山體的最大位移值仍符合采動影響的基本規(guī)律，越靠近移動盆地中心，下沉值越大，位于盆地移動中心的坡體，由于移動盆地中心的下沉數(shù)值相對較大，坡體上的各點(diǎn)的下沉值大于側(cè)向滑動的值，以下沉為主。

圖4 Q39點(diǎn)所在剖面圖上位置

4.2 巖溶對地表破壞的影響

地下水對可溶性巖石的溶蝕，在地下形成了各種各樣的巖溶結(jié)構(gòu)，該部分巖體受巖溶影響，巖體自身的破壞程度相對較強(qiáng)，部分呈碎塊狀，在采煤影響到該巖體時，由于巖體的破碎以及地下空洞，在下沉的過程中不一定會出現(xiàn)連續(xù)的下沉，在某時間內(nèi)會出現(xiàn)隆起，造成巖移的不連續(xù)性( 見圖4) 。

圖5 Q39點(diǎn)下沉線

由圖2，Q39點(diǎn)處在 T1j4的灰?guī)r和 T2l泥巖分界面附近，T1j4的灰?guī)r有巖溶發(fā)育，T2l底部為綠色的硅質(zhì)泥巖，有直徑2～10 mm園形砂質(zhì)顆粒分布其中放射狀結(jié)構(gòu)，俗稱“綠豆巖”，受煤礦采動影響，T2l的泥巖沿盆地的下沉傾斜方向下沉，在下沉的過程中，T1j4的灰?guī)r整體較堅(jiān)硬，剛開始可以抵擋泥巖的壓力，隨著下沉面積的擴(kuò)大，T1j4的灰?guī)r受擠壓的程度越明顯，加上巖溶的作用，形成破碎的巖塊，在不斷受擠壓的過程中，Q39點(diǎn)就呈現(xiàn)下沉隆起不斷變換的現(xiàn)象(見圖5)。

再如Q15、Q16點(diǎn)，剖面圖上處于 T1j1和 T1f7的界線附近，通過對Q15、Q16點(diǎn)的鉆孔勘察，目前該位置的巖芯較破碎，施工過程中出現(xiàn)卡鉆情況，受采動的影響，破碎的巖芯在下沉的過程中相互擠壓，出現(xiàn)某些時刻地面隆起，某些時刻地面沉降的情況。(見圖6、圖7、圖8、圖9)

圖6 Q15、Q16點(diǎn)下沉線

圖7 Q15、Q16點(diǎn)在剖面圖上的位置

圖8 SK5鉆孔巖芯照片破碎

4.3 開采速度對地面沉降的影響

該煤礦原為放炮落煤采煤，現(xiàn)采用高檔普采、綜合機(jī)械化采煤法及放炮落煤相結(jié)合，開采速度大為提高，采空區(qū)面積的增加速度也較以前快，造成地表移動影響范圍的增加速度也越來越快。

圖9 Q16點(diǎn)附近的地面隆起

5 結(jié)語

根據(jù)觀測線的觀測分析成果，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境背景以及開采情況，得出了軟弱夾層、地形、巖溶、老采空區(qū)、斷層以及開采速度對地表移動的影響，由于這些因素的存在，造成了地表移動在某些位置出現(xiàn)突變、不連續(xù)等情況。

傾向觀測線上最大下沉值為447.1 mm，且與最大水平移動值所在的位置基本一致，分布在采空區(qū)的偏下山方向，上山方向的下沉速率大于下山方向。開采后的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在采空區(qū)上方偏下山方向，最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在煤層底板附近;在采空區(qū)的上山方向附近的地表出現(xiàn)壓應(yīng)力，下山方向附近出現(xiàn)拉應(yīng)力。

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