潘奇波

（中國神華能源股份有限公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100）

20 世紀(jì)中期以來，由于煤礦井下開采，采空區(qū)所引起的地表沉陷問題已日益突出，該問題在我國西北部黃土覆蓋區(qū)域更為嚴(yán)重[1-4]。目前，研究地表沉陷的方法較多，主要有屬于維象研究范疇的影響函數(shù)法、實(shí)際觀測法等，屬于實(shí)驗(yàn)研究范疇的相似材料模擬法，屬于理論研究范疇的彈、塑性連續(xù)介質(zhì)法、統(tǒng)計(jì)類比法、損傷力學(xué)法、數(shù)值模擬法、三維地形可視化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和灰黑箱法等[5]。針對地表沉陷問題，我國學(xué)者利用不同的研究方法對此問題開展了大量的研究，取得了豐富的研究成果[6-9]。

概率積分法已成為我國應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計(jì)地表沉陷的方法之一。它通過對單元開采下沉盆地進(jìn)行積分即可求取工作面開采地表移動與變形值[5]。以酸刺溝采空區(qū)對哈爾烏素露天煤礦黑岱溝排土場的影響為工程背景，采用概率積分法對該礦地下開采引起的地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)，為后期排土場重新覆土提供依據(jù)。

1 工程概況

哈爾烏素露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中部，目前，黑岱溝排土場已排棄到界。黑岱溝排土場設(shè)計(jì)主要參數(shù)為：占地面積5.06 km2，最終排土標(biāo)高1 275 m，排土高度100～120 m，臺階高度15 m，平盤寬度為20 m，臺階坡面角38°，最小工作平盤寬度90 m，最終幫坡角21°。酸刺溝礦井設(shè)計(jì)能力為12.0 Mt/a，采用斜井開拓，井底均到6#煤層底板，其井底標(biāo)高為+881.4 m，盤區(qū)式開采。酸刺溝一盤區(qū)位于哈爾烏素露天煤礦黑岱溝排土場的下方，煤層平均傾角為4.5°。主要開采4#和6#煤層，其中，4#煤層采用綜采，采高4.8 m，一次采全高；6#煤層采用綜放，采高（3.8±0.2）m，放頂煤高度21 m 左右。根據(jù)酸刺溝煤礦的開采設(shè)計(jì)，在哈爾烏素外排土場境界范圍內(nèi)，4#煤布置4104、4106、4108、4110、4112 5 個工作面，6#煤布置6上102、6上104、6上106、6上108、6上110、6上112、6上114 7 個工作面。目前，6102 工作面已開采完畢，正回采6114 和4112 工作面。采煤工作面布置與哈礦黑岱溝排土場位置關(guān)系如圖1。

圖1 采煤工作面布置與哈礦黑岱溝排場位置關(guān)系

2 井工開采地表破壞特征及沉陷規(guī)律

2.1 典型類型

在露天礦邊坡下進(jìn)行井工開采，最終將導(dǎo)致多種形式的地表破壞類型，主要有地表局部陷落（采空區(qū)頂板發(fā)生垮落，逐漸發(fā)展至地表，最終在地表呈現(xiàn)顯著的變形）、崩塌和滑坡（邊坡巖土體在井工開采的擾動下強(qiáng)度降低，裂隙大面積發(fā)育，潛在滑移面貫通，導(dǎo)致部分巖土體崩落或者大范圍滑坡）、地表裂縫（巖土體中存在大量的節(jié)理和層理等軟弱結(jié)構(gòu)面，受井工開采擾動的影響，這些結(jié)構(gòu)面發(fā)生張拉、剪切或者錯動變形，形成地表裂縫）。這些典型的破壞類型，主要與地表形態(tài)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水及井工開采方式等有關(guān)。

2.2 地表破壞特征

1）突發(fā)性。井工開采誘發(fā)地表移動和變形速率較快，這主要是因?yàn)榫ら_采上覆巖層較薄，而且酸刺溝煤礦采用綜放開采工藝，一次采全厚，這2 個因素導(dǎo)致開采擾動較大，采動影響極易傳遞至地表。

2）非連續(xù)性。井工開采后，在采空區(qū)上方通常以垂直陷落為主，在陷落區(qū)以外的邊坡處常以滑坡和崩落為主，在破壞區(qū)和未變形區(qū)交接面主要以張拉和剪切裂隙為主。不同位置呈現(xiàn)不同的破壞類型，整體表現(xiàn)出非連續(xù)型。

3）破壞模式的組合性。井工開采后地表破壞形式并不是單一的某種形式，而是多種形式的組合。對哈爾烏素外排土場進(jìn)行實(shí)地勘察，發(fā)現(xiàn)羊場位置同時存在滑坡和地表沉陷2 種破壞類型，即其變形是2 種破壞模式的疊加。

2.3 地表沉陷規(guī)律

地表沉陷受地質(zhì)和采礦條件的影響很大，在相對簡單的條件下，地表的移動變形仍表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在非充分采動狀態(tài)下，地表下沉量在采空區(qū)中央上方最大，從盆地中周邊下沉逐漸減小，到盆地邊界處為0；盆地主斷面的傾斜自盆地邊界至拐點(diǎn)逐漸增大，在拐點(diǎn)處傾斜最大，自拐點(diǎn)至最大下沉點(diǎn)間逐漸減小，在最大下沉點(diǎn)處傾斜為0；地表水平變形在邊界點(diǎn)和拐點(diǎn)處為0，盆地邊緣區(qū)為拉伸區(qū)，中部為壓縮區(qū)。當(dāng)充分采動時，地表移動盆地的最大下沉值已達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大值，在最大下沉點(diǎn)，水平變形為0。此外，地表沉陷又是一個復(fù)雜的時間、空間的發(fā)展過程，隨著工作面的不斷推進(jìn)，不同時間下回采工作面與地表點(diǎn)的相對位置不同，開采活動對地表的影響也就不同，地表的移動經(jīng)歷了從開始移動→劇烈移動→移動停止的過程。

根據(jù)上述地表沉陷的規(guī)律來看，地表沉陷由于影響了地下應(yīng)力平衡而引起地表移動和變形的大小、空間分布形態(tài)，它與當(dāng)?shù)貛r性、地質(zhì)條件和采礦條件有密切的聯(lián)系。

當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)面積擴(kuò)大到一定范圍后，巖層移動發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動和變形。分析酸刺溝煤礦的地質(zhì)采礦條件可以看出，4#煤平均采厚4.8 m，平均采深219 m，深厚比為45.6，4#煤開采后能夠形成明顯的三帶結(jié)構(gòu)。6#煤平均采厚25 m，平均采深265 m，深厚比為10.7，開采后形成的斷裂帶已經(jīng)接近地表，彎曲帶厚度較薄，地表存在不連續(xù)變形。

3 工作面開采地表沉陷分析

3.1 酸刺溝煤礦地表沉陷預(yù)計(jì)模型及參數(shù)

分析酸刺溝煤礦的地表移動觀測資料以及地質(zhì)采礦資料發(fā)現(xiàn)，區(qū)域地表沉陷呈現(xiàn)不連續(xù)的特征，存在裂縫、臺階等各種不連續(xù)的變形，但是從整個移動盆地的沉陷分布來講，符合概率積分法模型描述的地表移動盆地特征。因此采用概率積分法對該礦地下開采引起的地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)。

概率積分法，又稱隨機(jī)介質(zhì)理論法。該理論假設(shè)礦山巖體中分布著許多原生的節(jié)理、裂隙和斷裂等弱面，可將采空區(qū)上覆巖體看成一種松散的介質(zhì)。將整個開采區(qū)域分解為無窮多個無限小單元開采，把微單元開采引起的地表移動看作是隨機(jī)事件，用概率積分來表示微小單元開采引起地表移動變形的概率預(yù)計(jì)公式，計(jì)算得到單元下沉盆地下沉曲線為正態(tài)分布的概率密度曲線，從而疊加計(jì)算出整個開采空間引起的地表移動變形。

地表沉陷預(yù)計(jì)的概率積分法參數(shù)包括：下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、水平移動系數(shù)b，拐點(diǎn)偏移距S 及開采影響傳播角θ。這些參數(shù)的取值主要與煤層開采方法、頂板管理辦法、上覆巖層性質(zhì)、重復(fù)采動次數(shù)以及采深采厚比等因素有關(guān)。

酸刺溝煤礦在6上103-1、6上103-2、6上101-1、6上101-2 等工作面上方開展了地表移動與變形監(jiān)測工作，獲取了該區(qū)域地表移動與變形特征。在分析區(qū)域地表移動監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)采礦條件，選擇的4112、6上114 工作面地表沉陷預(yù)計(jì)概率積分法參數(shù)見表1。

表1 工作面地表沉陷預(yù)計(jì)概率積分法參數(shù)

3.2 工作面開采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果

按照選定沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)，采用概率積分法沉陷預(yù)計(jì)模型，4112 工作面開采后地表移動與變形極值統(tǒng)計(jì)見表2 和4112、6114 工作面共同開采后地表移動與變形極值統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 4112 工作面開采后地表移動與變形極值統(tǒng)計(jì)

表3 4112、6114 工作面共同開采后地表移動與變形極值統(tǒng)計(jì)

3.3 排土場地表變形移動分析

通過現(xiàn)場實(shí)測分析，G10 監(jiān)測點(diǎn)最靠近4112 工作面，GNSS 監(jiān)測預(yù)警1— 4 月監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4，G10監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)水平位移和垂直位移逐漸增大，截至4月份，其最大水平位移和垂直位移分別為412.8 mm和536.3 mm。

表4 G10 號點(diǎn)各月份監(jiān)測數(shù)據(jù)

利用概率積分法計(jì)算得到的G10 位置處的地表下沉等值線和水平位移等值線圖（圖略）G10 位置位于酸刺溝煤礦4112 工作面開采后地表下沉等值線500～1 000 mm 之間，東西方向水平移動等值線200～300 mm 之間，南北水平移動等值線500～600 mm 之間，由此可見，概率積分法得到的值與實(shí)際值相差不大，具有重要的參考價值，同時，也說明了理論模型的正確性。

4 結(jié)論

1）利用概率積分法對地表移動變形進(jìn)行預(yù)測，其監(jiān)測結(jié)果與GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)基本吻合。

2）4112 工作面沉陷穩(wěn)定后，地表最大沉降值為3 062 mm，東西水平位移為922 mm，南北水平位移為933 mm。

3）6114 工作面沉陷穩(wěn)定后，地表最大沉降值為21 529 mm，東西水平位移為5 313 mm，南北水平位移為5 379 mm。