姚正學(xué),周自強(qiáng)

(甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所,甘肅 蘭州 730000)

甘肅省華亭縣地處六盤山褶皺帶及東部黃土高原的過渡帶,屬黃土丘陵區(qū),亦是我國目前開采的20多個急傾斜煤層礦區(qū)之一[1]。由于急傾斜煤層在賦存條件和地質(zhì)體物理力學(xué)性質(zhì)上與緩傾斜煤層存在本質(zhì)上的不同,故煤層開采引起的地表沉陷主要以塌陷、裂縫等非連續(xù)變形破壞為主[2],具有地表破壞劇烈、沉陷破壞持續(xù)時間長、地表下沉非線性等特征。而黃土地貌又具有黃土層厚度大、結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大、垂直節(jié)理發(fā)育的特點(diǎn)[3],因此,在黃土丘陵區(qū)開采急傾斜煤層極易引發(fā)崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害[4],給當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全和礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來極大的威脅。研究以華亭縣某社區(qū)地面塌陷為例,以該社區(qū)所在區(qū)域急傾斜煤層開采條件為原型,采用基于概率積分法建立的任意形多工作面多線段開采沉陷預(yù)計模型[5],分析黃土丘陵區(qū)開采急傾斜煤層引發(fā)地表變形的特征和成因機(jī)理,以期對黃土丘陵區(qū)急傾斜煤層的合理開采和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)概況

區(qū)域上研究區(qū)屬祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系的脊柱——賀蘭褶皺帶南端和隴西系旋卷構(gòu)造體系的六盤山旋回褶皺帶的復(fù)合部位,受兩大構(gòu)造體系的影響,區(qū)域內(nèi)的斷裂褶皺十分發(fā)育[6]。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡圖見圖1(a)。

區(qū)劃上研究區(qū)屬鄂爾多斯分區(qū)南部的焦坪——華亭小區(qū)域,地層自下而上為三疊統(tǒng)延長群(T3yn)、下侏羅統(tǒng)延安組(J1y)、中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)、下白堊統(tǒng)志丹群(K1zd)、新近系甘肅群(Ngn)和第四系(Q),其中第四系厚度在2～18 m之間,且覆蓋整個研究區(qū)。區(qū)域綜合地層柱狀圖見圖1(b)。

研究區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅統(tǒng)延安組,煤6為全區(qū)可采的特厚煤層,其層位穩(wěn)定,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,自上而下又可分為煤6-1上、煤6-1下、煤6-2上、煤6-2中、煤6-2下、煤6-3、煤6-4及煤6-5共8層煤,各煤層厚度在0.65～44.82 m之間,有由北向南、由軸部向東西兩翼逐漸變薄之勢。A-A′地層剖面簡圖見圖1(c),其中煤6-2為研究區(qū)最穩(wěn)定的可采煤層,全區(qū)分布,其他煤層均為不穩(wěn)定的薄煤層,零星可采。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)

1.2 地質(zhì)災(zāi)害概況

研究區(qū)位于華亭縣城主城區(qū)南部的東華鎮(zhèn),根據(jù)實(shí)地調(diào)查,區(qū)內(nèi)最早于2011年9月地面及房屋開始出現(xiàn)變形裂縫,2011年10月前后變形加劇,于2013年10月出現(xiàn)了大面積的地面塌陷及地裂縫現(xiàn)象,形成的地表沉陷區(qū)呈近圓形,面積約0.23 km2,周圍伴生的主要裂縫有27條(見圖2),形態(tài)多為直線和低曲率弧線,成因?yàn)閺埨拖洛e所致。27條裂縫的長度、寬度及下錯高度不一,長度最短的為6 m,最長的為320 m;相鄰錯臺間的高差在1～42 cm;裂縫寬度在0.5～40 cm。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害簡圖

研究區(qū)內(nèi)民房多為磚木結(jié)構(gòu)平房,少數(shù)為土坯瓦房,臨街區(qū)為磚混結(jié)構(gòu)一、二層樓房。此次受損房屋共4 000余間,部分房屋嚴(yán)重傾斜開裂,甚至倒塌,53戶居民被迫搬遷,同時環(huán)城公路出現(xiàn)開裂錯斷變形,公共設(shè)施受到嚴(yán)重破壞,嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全,社會影響巨大。

2 急傾斜煤層開采數(shù)值模擬

2.1 理論模型的選擇

近年來,由于數(shù)值計算方法和計算機(jī)軟件的采用與開發(fā),理論模擬法也得到了廣泛地應(yīng)用,例如ADINA、SAP5、FLAC3D等。此次研究采用中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的MSPS軟件,模擬急傾斜煤層開采上覆巖層移動引發(fā)的地表移動變形。

MSPS軟件理論模型采用基于概率積分法山區(qū)任意點(diǎn)任意方向的地表移動變形預(yù)計模型[6],對山區(qū)和平原區(qū)均可進(jìn)行地表移動變形預(yù)計。該理論模型采用面積積分方法,克服了以往預(yù)計非矩形工作面需大量準(zhǔn)備各種參數(shù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),僅需提供開采工作面各角點(diǎn)坐標(biāo)、開采厚度、下沉系數(shù)、移動角正切、水平移動系數(shù)、最大下沉角、傾向方位角等參數(shù),即可進(jìn)行任意形狀工作面開采預(yù)計,程序簡單、計算速度快,并能將地表移動變形等值線通過CAD軟件直觀地反映在圖中。

2.2 參數(shù)選取

以華亭縣煤礦A開采的6202及6204工作面為地質(zhì)模型,數(shù)值模擬參數(shù)選取參照如下:

據(jù)華亭礦區(qū)以往地表實(shí)測資料顯示,礦區(qū)開采后移動角β在55°～62°之間,則tgβ為1.43～1.88,又地表下沉系數(shù)q與采區(qū)上覆巖層巖性及單向抗壓強(qiáng)度息息相關(guān),參照研究區(qū)附近礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)值,本次取tgβ值為1.7,q值為0.75。傾斜煤層水平移動系數(shù)bc=b(1+0.008 6×α)[7],其中b為0.3。最大下沉角θ[8]:中硬覆巖:θ=90°-(0.6～0.7)α;軟弱覆巖:θ=90°-(0.5～0.6)α,本次研究對象煤層覆巖巖性屬軟弱～中硬,采用公式θ=90°-0.6α。

根據(jù)以上分析,確定本次地質(zhì)模型數(shù)值模擬計算參數(shù)(見表1)。

表1 地質(zhì)模型數(shù)值模型計算參數(shù)

2.3 計算結(jié)果分析

通過MSPS軟件對地質(zhì)模型進(jìn)行計算,待煤層采完之后,地表最大下沉值為3 513 mm,最大傾斜值為25.21 mm/m,最大曲率值為0.42 mm/m2,最大水平變形值為37.78 mm/m,最大水平移動值為3 198 mm。地表沉降變形等值線見圖3。

圖3 地表下沉等值線

由于模型參數(shù)的選擇具有一定的靈活性,參數(shù)是否合理,是否符合巖石的基本特征,直接影響到計算結(jié)果是否有價值。

對研究區(qū)進(jìn)行四等水準(zhǔn)測量,結(jié)果顯示,研究區(qū)內(nèi)最大沉降值為2 130 mm,而地質(zhì)模型預(yù)測在相同位置的下沉值為2 370 mm,兩者數(shù)據(jù)基本吻合。因此,本次地質(zhì)模型選取的參數(shù)合理,計算結(jié)果可信。

3 煤層傾角對地表移動變形的影響

為研究傾角對煤層開采引發(fā)地表移動變形的影響,仍以上述提到的6202及6204工作面地質(zhì)采礦條件為原型,變化煤層傾角度數(shù),以0°、15°、30°、45°、60°、75°共6個煤層模擬傾角建立模擬方案1～6,采用MSPS數(shù)值模型軟件,分析在其他地質(zhì)采礦條件不變的情況下,煤層傾角與覆巖破壞及地表移動變形之間的相關(guān)關(guān)系。

通過對上述各方案進(jìn)行模擬計算,得出各方案地表下沉、曲率、傾斜、水平移動及水平變形的最大值(見表2),并繪制出地表移動變形曲線對比圖(見圖4)。

表2 不同煤層傾角下數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 煤層傾角不同時地表移動變形曲線對比

由表2和圖4可知:

(1) 當(dāng)其他地質(zhì)采礦條件不變時,隨著煤層傾角的變大,地表沉降變形曲線由對稱于采空區(qū)向偏移采空區(qū)發(fā)展,并逐漸失去對稱性。

(2) 當(dāng)其他地質(zhì)采礦條件不變時,隨著煤層傾角的變大,最大沉降點(diǎn)偏向采空區(qū)下山方向。

(3) 當(dāng)其他地質(zhì)采礦條件不變時,隨著煤層傾角的變大,最大沉降值也隨傾角變大而變大,影響范圍亦隨之增大,即當(dāng)煤層傾角為0°時,沉降影響區(qū)域半徑為600 m;而當(dāng)煤層傾角為75°時,沉降影響區(qū)域半徑為1 050 m,較前者增加450 m。

(4) 當(dāng)其他地質(zhì)采礦條件不變時,隨著煤層傾角的變大,地表傾斜、曲率、水平變形及水平移動曲線逐漸向采空區(qū)下山方向偏移,且其對應(yīng)的影響范圍也逐漸增大,對應(yīng)的傾斜值、曲率值、變形值及水平移動值也隨之增大。

4 結(jié)論

(1) 以研究區(qū)內(nèi)開采工作面為地質(zhì)模型,運(yùn)用MSPS軟件分析煤層開采引發(fā)的地表移動變形情況,在相同位置利用四等水準(zhǔn)測量其最大沉降值為2 130 mm,而地質(zhì)模型預(yù)測在相同位置的下沉值為2 370 mm,兩者數(shù)據(jù)基本吻合,結(jié)論可信。

(2) 由模型軟件分析的地表移動變形特征可知,近水平煤層開采,地表變形基本對稱于采空區(qū),當(dāng)煤層傾角變大,地表變形曲線向采空區(qū)下方偏移并逐漸失去對稱性,下山方向影響范圍增大。

(3) 當(dāng)其他地質(zhì)采礦條件不變時,隨著煤層傾角的變大,對應(yīng)的傾斜值、曲率值、變形值及水平移動值也隨之增大。