曹存先　史晨曉

（山東設(shè)協(xié)勘察設(shè)計審查咨詢中心山東濟南250001）

復(fù)雜地質(zhì)體下開采礦體引發(fā)地表移動變形致災(zāi)的危險性預(yù)測分析

曹存先史晨曉

（山東設(shè)協(xié)勘察設(shè)計審查咨詢中心山東濟南250001）

本文通過對礦體開采地質(zhì)條件分析，概括總結(jié)了礦區(qū)地表移動變形的影響因素，針對不同的地表破壞形式，結(jié)合地面塌陷變形的定量化計算方法，對復(fù)雜地質(zhì)體條件下采空區(qū)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)測分析，估算采空區(qū)移動盆地影響范圍內(nèi)地表移動變形量，預(yù)測結(jié)果對于礦區(qū)的安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

覆巖移動地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測

0　前言

礦區(qū)采礦工程引發(fā)的地表移動變形是礦區(qū)工程活動存在的主要工程地質(zhì)問題，特別是復(fù)雜地質(zhì)體下開采礦體引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害對礦區(qū)地表穩(wěn)定性影響日趨嚴重。本文正是基于某煤礦區(qū)工程開采技術(shù)現(xiàn)狀與環(huán)境地質(zhì)條件來對復(fù)雜地質(zhì)體下開采活動引發(fā)地表移動變形進行預(yù)測分析。

1　礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1地質(zhì)條件

該礦區(qū)地處場地地貌類型為沖洪積平原地帶，局部地形稍有起伏，地形地貌較為簡單，地表上部為褐色黃土、砂礫層覆蓋，礦井揭露地層由老至新主要為：奧陶系馬家溝組，石炭系本溪組，二疊系山西組，二疊系石盒子組，侏羅系三臺組，古近系官莊組。區(qū)域內(nèi)巖漿活動劇烈，分布主要受構(gòu)造控制。中生代晚期活動最強烈，第三紀以來也有活動，多以斷裂形式出現(xiàn)。

1.2水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水按賦存介質(zhì)類型可分為松散巖類孔隙潛水、碎屑巖裂隙水以及巖溶水?？紫稘撍饕植荚诘谒南蹈采w層內(nèi)，巖性主要由黏性土、中砂等組成，埋藏淺，該含水層富水性強，循環(huán)條件好，直接接受大氣降水補給，動水補給循環(huán)條件較好，平時地下水水位埋深季節(jié)變化幅度一般為2～3m，一般埋深在6.50～10.50m，平均8.47m。裂隙水，埋藏較深，主要賦存于下伏基巖，為砂巖地層裂隙中，屬非可溶巖組。富水性差，水循環(huán)條件差，該層接受第四系潛水補給。巖溶水主要賦存太原組和本溪組薄層石灰?guī)r中，由于石灰?guī)r層隨著埋藏深度加大水頭壓力也相對增高。

2　采空區(qū)地質(zhì)及開采煤層概況

該礦區(qū)內(nèi)礦井可采煤層為第2、4、7、9、15、19煤層，共6層，目前礦區(qū)主要開采2、4、7、15煤層，估算深度為標(biāo)高-300～-500m，采煤方法采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。地下采礦活動對區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響，對采空區(qū)巖、土體的穩(wěn)定性影響較大。

3　采礦影響程度及地表移動變形分析

3.1影響地表移動過程的因素及程度分析

通過對礦區(qū)地質(zhì)與開采技術(shù)條件分析得出影響巖層與地表移動過程的因素主要有：

3.1.1覆巖地質(zhì)體力學(xué)性質(zhì)及煤系地層傾角

煤層頂板以及上覆巖體為較堅硬～堅硬巖體時，開采條件下頂板可能發(fā)生碎塊狀冒落。在采空過程中，斷裂帶內(nèi)的巖體除了有垂直層面的裂縫發(fā)育外，還有大量的順層面發(fā)育的離層裂縫。因而，上覆巖層為堅硬巖體時，采空區(qū)地表影響區(qū)內(nèi)下沉量要比軟弱巖層時小。采空層位上覆巖體為強度較低的性脆易碎巖體時，其開采層位頂板將發(fā)生冒落，上覆巖層隨著開采時間和空間的變化而發(fā)生位移變形，巖層變形下沉量較大將很快傳播到地表，一定條件的應(yīng)力釋放后下沉量不斷縮小，因此上覆巖層為強度較低的性脆易碎巖體不易產(chǎn)生離層裂縫，其地表下沉位移量要比堅硬巖體下沉變形要大。

3.1.2重復(fù)采動影響

礦區(qū)內(nèi)可采煤層共6層，可采煤層平均總厚度為8.18m，上層煤層開采后，開采下部煤層時，巖層及地表移動過程比初次采動劇烈，地表下沉值增大，地表移動速度加大，移動總時間縮短，地表移動范圍擴大。

3.2地表破壞形式

地下煤層開采后，其上覆巖層與底板巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，從而產(chǎn)生移動、變形和破壞。根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、影響巖層與地表移動過程的因素及程度分析，礦區(qū)地表破壞的形式分析有如下幾種。

3.2.1地表移動盆地

受開采影響，在采空區(qū)上方地表可能產(chǎn)生大面積沉陷，即移動盆地或下沉盆地。確定“移動盆地”影響范圍是根據(jù)《三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合本礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及巖土工程地質(zhì)條件，采用圖解法按第四系巖移角45°，下伏煤系地層巖移角取65°進行估算。據(jù)以上參數(shù)采用圖解法，圈定井下采空區(qū)形成后將嚴重引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的范圍。根據(jù)上述原則、方法和礦區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境條件及“移動盆地”影響范圍，確定最大影響范圍為150m。

3.2.2裂縫

受采空區(qū)移動盆地的影響，移動盆地的外邊緣地帶將會出現(xiàn)不同程度的地裂縫，形態(tài)分布多平行于采空區(qū)的邊界。發(fā)育規(guī)模受復(fù)雜地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和采空邊界的位置影響較大。

3.2.3采空塌陷

采空區(qū)陷落將引發(fā)地面沉降，因開采淺部煤層時，采空區(qū)頂板無法形成“雙拱”支撐結(jié)構(gòu)來支撐上覆巖體自重，易形成采空塌陷，主要在發(fā)育礦井淺部露頭附近，進入深部開采后，采空區(qū)塌陷將會越來越不明顯，如果地質(zhì)體構(gòu)造十分復(fù)雜，各煤層采動不充分，采空區(qū)陷落的現(xiàn)象將不明顯，在局部地表平坦地段，有可能形成塌陷所致小規(guī)模的低洼地。地面沉陷按速率可分為三個階段，初始階段、活躍階段、衰退階段，受多層煤疊加開采，礦區(qū)內(nèi)地表建筑物會不同程度受到影響。

4　地表移動變形致災(zāi)預(yù)測分析

根據(jù)對研究區(qū)開采煤層與覆巖地質(zhì)體結(jié)構(gòu)特征分析，得出礦井開采后地表變形以形成沉陷盆地為主。同時不排除將來礦井生產(chǎn)過程中在礦井范圍內(nèi)及邊緣地帶出現(xiàn)伴生地裂縫和塌陷坑的可能性。采空塌陷盆地的形成總是通過垂直方向的下沉和水平方向上的移動引起地表產(chǎn)生傾斜、彎曲，伸張或壓縮而完成的。根據(jù)國內(nèi)相似煤田礦井開采地表沉陷變形的經(jīng)驗，尤其是參考附近礦區(qū)采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測的經(jīng)驗，來進行預(yù)測分析該礦井采空區(qū)地表最大沉陷量、傾斜位移和水平位移變形量十分重要。

因此對煤礦采空塌陷趨勢的預(yù)測可以通過地表的下沉量W、傾斜T、曲率K、水平位移u和主要影響半徑r等地表形變值來進行分析評判。根據(jù)《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》，對緩傾斜（傾角小于25°）的礦層地表移動和地表變形預(yù)測按表1中所列相關(guān)公式進行計算分析。

表1　地表移動和地表變形預(yù)測計算公式

表中：η—下沉系數(shù)：地表最大下沉值Wmax與煤層法線采厚（m）在垂直方向投影長度的比值，取經(jīng)驗系數(shù)0.2，α—煤層傾角，一般小于25°；b—水平移動系數(shù)：最大水平移動值(Umax)與最大下沉值Wmax的比值，本礦區(qū)取0.30；m-煤層的開采厚度（m）；r=H/tgβ，r—主要影響半徑（m），H—開采深度，β—移動角，tgβ一般為1.5～2.5，本區(qū)取2.0。

通過上述一系列計算，得出該礦井采空區(qū)煤層開采后地面預(yù)測結(jié)果，詳見表2。

表2　采空區(qū)疊加范圍內(nèi)地表變形量計算統(tǒng)計表

根據(jù)采空區(qū)地表變形量預(yù)測值，按照《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》的相關(guān)規(guī)定，對礦區(qū)內(nèi)地表建筑物及采空塌陷危險性預(yù)測進行級別分類劃定，詳見表3、表4。

結(jié)合以上分析，依據(jù)計算結(jié)果參照采空塌陷危險性預(yù)測標(biāo)準值表，對比磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級表，預(yù)測采空區(qū)地表變形及建筑物的損壞級別最大區(qū)域?qū)儆冖蠹?，損壞程度為中度損壞，危險性級別為中等。

表3　磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級

表4　采空塌陷危險性預(yù)測標(biāo)準值表

5　結(jié)論

對礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)體下開采活動引發(fā)地表變形致災(zāi)的預(yù)測分析是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文通過分析采空區(qū)的地質(zhì)特征以及開采過程中頂板穩(wěn)定性受自然和人為因素的綜合影響作用，對地表移動變形進行預(yù)測分析，預(yù)測內(nèi)容及分析方法是把地基基礎(chǔ)工程與礦山工程技術(shù)中的相關(guān)理論相結(jié)合應(yīng)用于礦層井下采空區(qū)地表變形計算分析中，有針對性的對復(fù)雜地質(zhì)體下開采礦體引發(fā)地表移動變形致災(zāi)預(yù)測內(nèi)容及分析過程進行論述，其預(yù)測方法能否精確，是礦區(qū)開發(fā)建設(shè)與防災(zāi)治理的關(guān)鍵，為將來礦區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)提供了重要依據(jù)。

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1000-405X（2015）-7-376-2