李海耀

(煤炭工業(yè)太原設計研究院，山西太原　030001)

?

關于煤礦地表沉陷預測模型和參數選取的分析

李海耀

(煤炭工業(yè)太原設計研究院，山西太原030001)

【摘要】煤礦開采對環(huán)境的影響主要體現在生態(tài)環(huán)境影響和水環(huán)境影響方面，生態(tài)環(huán)境影響主要是煤礦開采引起地表沉陷對環(huán)境的影響，地表沉陷預測在煤礦環(huán)境影響評價中占著重要的作用，預測的正確與否直接決定著預測結論的正確性和生態(tài)恢復治理措施的合理性。在計算機軟件普及的情況下，決定地表沉陷預測的正確與否，關鍵在于預測模式及基本參數選取的，本文以現階段常用的預測模式為依據，分析巖移觀測資料的可利用性，同時建議國家相關部門建立巖移觀測站，完善預測模式，為環(huán)境影響預測和實際生產生態(tài)治理提供依據。

【關鍵詞】煤礦開采 預測模型 參數選取

1引言

煤炭目前還是我國的主要能源之一，煤炭開采在提供大量的資源的同時對環(huán)境也造成影響較大的影響，煤炭環(huán)境影響評價是確定煤炭開采環(huán)境可行的前提，煤炭開采對環(huán)境的主要影響為水環(huán)境影響、生態(tài)環(huán)境影響，生態(tài)環(huán)境的可行性和治理措施合理可行關鍵取決于地表沉陷的影響程度，地表沉陷預測的合理性與否落在預測模式及參數選取的合理性上。目前礦井生產沉陷預測主要采用概率積分法，現有的預測模式僅適合平原地區(qū)和坡度小于30°的山區(qū)模式，坡度大于30°的地區(qū)目前沒有預測模型，主要原因是由于地下采空，造成地表下沉，坡度較大的地形產生滑坡等次生地質災害，該環(huán)境影響沒有規(guī)律性遵循，目前在環(huán)境影響評價中屬于空白，國家環(huán)保部要求礦井建立巖移觀測站，但是，大多數礦井并未建設巖移觀測站，只有大型礦井和地形相對平坦的地區(qū)進行了巖移觀測，大量實測數據的空白，對環(huán)境影響預測和治理造成一定的影響，即使部分礦井設立了巖移觀測站，由于資源的不共享性以及資料的可用性不確定，目前礦井沉陷影響預測參數選取只能參考開采規(guī)程，本文就現已生產的兩個礦井的巖移觀測資料進行分析，在預測中怎樣利用和辨別巖移觀測資料，以使煤炭地表沉陷預測更加符合實際情況。

2預測模型的選取

在預測地表移動和變形時，主要采用的預測方法有4種，典型曲線法、負指數函數法，概率積分法，數值計算法，常用的方法為概率積分法，概率積分法是以正態(tài)分布函數為影響函數用積分式表示地表下沉盆地的方法，適用于常規(guī)的地表移動和變形計算。概率積分法根據煤層分布傾斜程度，又分為緩傾斜煤層(α<15°)、傾斜煤層(15°<α<75°)和急傾斜煤層(α>75°)地表下沉盆地的移動和變形值預測模式。根據大量礦區(qū)煤礦的數據統(tǒng)計，傾斜煤層和急傾斜煤層在我國國內分布比較少，大多數礦井開采煤層傾角小于15°，故緩傾斜煤層開采計算存在的普遍性。傾斜煤層預測模式與緩傾斜煤層的地表移動預測模式基本相同，只是根據計算點的相對位置，將傾斜工作面轉換為一等價的計算面，并以等價工作面的采深替代，存在的一個簡單的轉換。急傾斜煤層開采后的地表下沉盆地表現為瓢形下沉盆地和兜形下沉盆地，瓢形下沉盆地的地表移動與變形發(fā)生在頂板覆巖內，仍可以采用等價工作面計算方法，兜形下沉盆地的地表移動與變形已擴展至煤層底板，可采用對深度積分的方法。

根據以上分析，一般礦井開采，沉陷規(guī)律基本符合緩傾斜煤層沉陷規(guī)律，預測基本按照緩傾斜煤層預測模式預測。

由于開采區(qū)地表的分布情況不同，緩傾斜煤層預測模型僅適用于平原地區(qū)預測，山區(qū)預測模式需要是在平原模式的基礎上進行修正，依據是當地的地質情況的賦存性和地形情況。

2.1緩傾斜煤層預測模式

緩傾斜煤層預測模式為半無限開采緩傾斜煤層地表下沉主斷面地表移動和變形值計算公式，預測模式如下：

(1)對主剖面地表移動變形，充分采動時按下面公式計算：

(2)非充分采動時按下面公式計算：

(3)計算傾向主剖面公式同上，僅需以y代x，以rl(或r2)代r即可。

(4)計算充分分采動時，地表移動變形最大值用下列公式計算及出現位置：

最大下沉值：Wcm=m·q·cosα(mm)[出現位置：χ=∞]。

最大水平移動值：Ucm=b·Wcm(mm)[出現位置：χ=0]。

2.2山區(qū)預測模式(適用于山坡平均傾角小于30°的水平和緩傾斜煤層)

山區(qū)地表任意點(x，y)的下沉值和任意點(x，y)和任意方向(φ)的水平移動值可按下式求出：

P(x)、P(y)和P(x，y)可按下列公式計算：

式中：A、P、t為滑移影響函數參數，可根據礦區(qū)地表移動觀測資料按多元函數回歸方法求取?；朴绊懞瘮祬禐锳=2π，P=2，t=π；Wmax為該地質采礦條件下的最大下沉值，以毫米計。

在求得山區(qū)任意點的下沉W′(x，y)和任意點任意方向的U′(x，y)φ后，按給定的點間水平距離d，用數值導數規(guī)則計算點和點間的平均垂直變形與水平變形。設相鄰點編號為i、j、k，則有：

3參數選取

根據以上礦井預測模式分析，利用計算機預測時需要的參數為：計算點坐標(x，y)、計算方向角()、煤層傾角(α)、采厚(b)、開采工作面的角點坐標及采深(x，y，z)、下沉系數(q)、水平移動系數(b)、主要影響角正切(tgβ)、拐點偏移距(S1、S2、S3、S4)、開采影響傳播角(θ)，這些數據來源均可參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》(簡稱開采規(guī)程)中的地表移動變形基本參數來確定礦井的地表移動基本參數或者參照本礦井和周邊礦井已有地表巖移觀測資料，根據巖移觀測資料推算而得。對于山區(qū)預測模式，除去地表移動參數還需要輸入的數據有地表傾角(α′x，y)、地表傾斜方向角(φx，y)、計算方向角(φx，y)和地表特性系Dx，y地質采礦條件。

3.1開采規(guī)程中地表移動基本參數的選取

參考《開采規(guī)程》選取地表移動基本參數，主要參考表1開采規(guī)程地表移動變形基本參數和表2覆巖性質區(qū)分的重復采動下沉活化系數。

表1　開采規(guī)程中地表移動變形基本參數表

表2　覆巖性質區(qū)分的重復采動下沉活化系數

參數選取在實例中的應用，上社煤礦可采煤層為5、6、9、12、15號煤層，根據礦井地質報告，該礦井煤層覆巖為中硬巖層，煤層傾角為4°，結合當地煤田區(qū)域地質構造和地層情況，確定礦井開采地表移動變形基本參數如下：

(1)下沉系數：初采q0=0.65，q1=0.78，q2=0.86，q3=0.9；

(2)水平移動系數：b=0.25；

(3)開采影響傳播角：θ=90°-0.65α=87.4°，α為煤層傾角，α=4°；

(4)主要影響角正切：tgβ0=2.0，tgβ1=2.2，tgβ2=2.3，tgβ3=2.4；

(5)拐點偏距：S=0.15H(m)；

(6)主要影響半徑：r=H/tgβ；

(7)達到充分采動時的條區(qū)尺寸：L=l≥2(r+s)。

其余需要輸入的數據均為本礦井特定指標，一般參考礦井初步設計和地質報告可以得出，依據開拓布置圖可以查出預測點相應的拐點坐標，根據地形圖和開拓圖以及鉆孔可以獲取采深數據，煤層厚度除去初步設計給出范圍值，更加精確的可根據采區(qū)鉆孔資料獲取，煤層傾角一般礦井初步設計和地質報告給出，山區(qū)模式還需要輸入地表傾角、地表傾斜方向角、計算方向角，地表特性系，這些數據均是在預測過程中按照軟件劃分塊區(qū)按照礦井地形地質圖錄入特定的數據。

3.2地表巖移觀測資料參數取得

為了預測的準確性，在地表沉陷預測中，一般收集本礦井及周邊礦井地表巖移觀測數據，通過反算得出地表移動變形基本參數，該數據的可利用性成為參數正確性與否的關鍵。充分采動時在不受外環(huán)境干擾的巖移觀測資料才可直接引用，充分采動的前提是當開采范圍的傾斜長度Lq、走向長度Lz都滿足大于等于2倍于影響半徑和拐點偏距的和，即Lq和Lz≥2(r+s)時，其采動影響達到充分采動條件。然而，在實際工作中，由于礦井對地表巖移觀測的工作不重視，大多數礦井并沒有進行巖移觀測，有的礦井觀測時間較短，沒有達到充分采動，有的觀測資料受到外環(huán)境干擾，對數據影響很大，本文就元堡煤礦和王家?guī)X煤礦的地表巖移觀測值對下沉系數進行分析。

3.2.1元堡煤礦地表巖移觀測

元堡煤礦地處山西黃土高原晉西北低山丘陵區(qū)，井田內全區(qū)地形起伏不大，最高點標高1504.6m，最低點標高1418.3m，全區(qū)最大相對高差86.3m，地形地面接近平地。2011年礦井投入試生產，首采工作面為1901工作面，工作面地面標高+1441.6m，井下標高+1187～+1246m，煤層平均埋深為241m，工作面長為196m，推進長度為1424m，煤層平均厚度為12m，煤層穩(wěn)定，煤層傾角平均為5°，煤層上覆巖層為中硬巖層。

采用全站儀進行觀測，共布設41個測點，觀測頻率為每10天一次，自2011年6月20日至2012年3月6日期間，走向觀測線觀測了13次，傾向觀測線累計觀測了9次，觀測結束時，1901工作面推進了305m，1901綜放面采后地面移動變形最大值匯總見表3。

表3　1901綜放面采后地面移動變形最大值匯總表

根據元堡煤礦1901綜放工作面走向觀測線最后一次的實測下沉曲線，找出邊界下沉為10mm的位置，以此作為1901綜放面采后的影響邊界點，1901綜放面采后，地表最大采動影響范圍約為162m，對應的邊界角為54°，移動角為68°，裂縫角為79°，主要影響角正切為1.35。根據1901工作面采后傾向測線最大下沉對應的位置，得出1901綜放面采后地表最大下沉角為85°。為了復核巖移觀測值的合理性，采用模擬軟件UDEC4.0分析工作面采后覆巖的移動和地表的沉陷，模擬結果為工作面300m時，地表呈現鍋底形狀，最大下沉量為9.6m，表明已經達到充分采動，充分采動時地表最大下沉系數為0.80，水平移動系數為0.31。

根據分析1901綜放面采后未達到充分采動，充分采動程度為0.911。如果在實際應用過程中直接應該觀測值，不進行分析，地表下沉值將偏小于實際沉陷值。

3.2.2王家?guī)X煤礦巖移觀測

王家?guī)X煤礦位于晉西黃土高原的最南端，井田內最高點標高為1421.4m，最低點標高為604.0m。20104、20105兩個工作面為首采工作面，地表標高735-954m，首采面地質條件簡單，煤層穩(wěn)定，平均采厚6.24m，煤層傾角5度，20105、20104工作面平均采深為250m，20105和20104工作面寬度均為250m，推進速度670m/a。

2個工作面共設觀測站190個，觀測頻率為每周一次，觀測時間為2012年11月～2013年5月，期間獲得20104工作面累計觀測15次，最大垂直下沉量達6.5m，下沉系數1.06；20105工作面累計觀測14次，最大垂直下沉量5.1m，下沉系數為0.83。

根據工作面推進情況，分析未達到充分采動，充分采動程度為0.77，但是下沉觀測系數已經達到0.83和1.06，出現該現象的主要原因為兩工作面煤層位于山溝下面，與煤層相對應的地表地形條件復雜，地表除受煤層采動影響外還會受到傾斜地形的影響，產生沿傾斜方向的滑動。地表塌陷大致沿山溝兩側分布，使得觀測數據大于煤層厚度。

4地表沉陷預測現階段存在的問題

我國大部分礦井位于山區(qū)丘陵區(qū)，井田范圍無論大小，預測范圍內山體傾角大于30°的礦井很多，在環(huán)境影響評價中，山體傾角大于30°的山區(qū)預測模式沒有，在預測中只能利用現有的山區(qū)模型預測。地表巖移觀測資料難收集或者收集到的資料不完整或者存在的資料不準確性，在預測時往往按照開采規(guī)程估計。在環(huán)境影響報告編制過程中，業(yè)主對現有采空區(qū)情況不熟悉，沒有采空區(qū)比較完整的資料和圖像，加上山區(qū)采空區(qū)可達性比較差，現場調查對采空區(qū)重視度不夠，調查時間短，對預測沒有直觀印象。有的礦井收集到部分巖移觀測資料，但資料的可利用性受到很大的制約，根據上述兩個礦井觀測資料可知，充分采動是觀測資料可用的前提，觀測資料由于地質和地形情況的復雜性，最終數據的對錯，只有觀測數據的人做了深入和嚴格的調查和實驗類比分析對其進行糾正才可利用。

5結論與建議

根據地表沉陷預測過程中存在的現狀和問題，建議國家設立巖移觀測站，由專業(yè)人員進行觀測，通過模擬實驗與實際觀測相結合的手段獲取大量的數據，尤其關注山區(qū)開采影響，在此基礎上不斷的完善和修正預測模型，為山區(qū)沉陷區(qū)生態(tài)恢復治理提供更多的依據。

參考文獻：

[1]建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程.煤炭工業(yè)出版社，2008，8.

[2]元堡煤礦頂煤冒放性與地表沉陷規(guī)律研究報告.中國礦業(yè)大學，2012，7.

[3]山西中煤華晉能源有限責任公司王家?guī)X煤礦.山西中煤華晉能源有限責任公司王家?guī)X煤礦采區(qū)沉降觀測階段性報告，2013，7.

[4]煤炭工業(yè)太原設計研究院.陽泉市上社煤炭有限責任公司150萬t/a礦井增加煤層項目環(huán)境影響報告書，2015，12.

Analysis on Surface Subsidence Prediction Model and the Parameter Selection of Coal Mining

LI Haiyao

(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry，Taiyuan Shanxi 030001)

Abstract：Coal mine mining on environment of effect main reflected in ecological environment effect and water environment effect，ecological effect main is coal mine mining caused surface subsidence on environment of effect，surface subsidence forecast in coal mine environment effect evaluation in the accounted for with important of role，forecast of right or not directly decided with forecast conclusion of correctness and ecological recovery governance measures of rationality，in computer software universal of situation Xia，decided surface subsidence forecast of right or not，key is forecast mode and the basic parameter selected of，This article was based on commonly used forecasting models at the present stage，analysis of shifting availability of observational data，and recommends that the relevant State departments moved rock Observatory，improve forecasting models provide the basis for ecological environmental impact prediction and the actual production.

Keywords：coal mining；prediction model；parameter selection

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)02-0168-04

作者簡介：李海耀，工程師，主要從事于環(huán)境影響評價工作

引用文獻格式：李海耀.關于煤礦地表沉陷預測模型和參數選取的分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：168-171.