楊 川，高德彬，馬學(xué)通，胡定康

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

采煤采空塌陷引起的地表變形極易造成地表建(構(gòu))筑物的變形破壞，嚴(yán)重威脅采空區(qū)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-6]。同時(shí)，采空塌陷引起的地表裂縫、錯(cuò)臺(tái)、塌陷及采動(dòng)邊坡發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害也加劇了礦區(qū)的水土流失[7]。本文依托黃陵某煤礦采掘?qū)Υ迩f穩(wěn)定性影響專項(xiàng)評(píng)價(jià)工程實(shí)踐，通過(guò)資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、井下測(cè)量、鉆探等方法，查明了村莊及其周邊采煤采空分布及地表、村莊房屋變形破壞情況。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)采條件判別法與概率積分法，分析了該礦采煤采空地表移動(dòng)變形特征及發(fā)展趨勢(shì)，為村莊整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及房屋翻修或異地搬遷提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，為黃陵地區(qū)具有相似地質(zhì)環(huán)境條件的采煤采空塌陷引起地表建(構(gòu))筑物的安全評(píng)價(jià)提供參考。

1 地質(zhì)環(huán)境及礦區(qū)設(shè)置

研究區(qū)地貌單元屬黃土臺(tái)塬溝壑區(qū)，地形北高南低，高差約130 m。村莊西側(cè)發(fā)育一大型深切黃土沖溝，近南北走向，斷面呈“V”字形，溝壁陡峭。鉆探揭露黃土臺(tái)塬的地層巖性主要為第四系中—上更新統(tǒng)黃土、中—下侏羅統(tǒng)及上三疊統(tǒng)砂巖及砂泥巖，其中2號(hào)煤層賦存于中侏羅統(tǒng)延安組。黃土厚度為162.4～167.0 m，煤層上部的砂巖及砂泥巖厚度為57～60 m，煤層厚度為1.2～1.3 m，煤層頂板標(biāo)高為960.0～962.5 m[7]。

黃陵?yáng)|方煤礦呈長(zhǎng)方形，面積約1.6 km2。其西側(cè)與北側(cè)為瑞能煤礦，東南側(cè)為倉(cāng)村煤礦。由于該礦區(qū)由多個(gè)礦區(qū)整合而成，采煤采空分布較為復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、井下測(cè)量及鉆探綜合顯示，村莊及周邊60 m范圍內(nèi)煤層未被采掘，不存在采煤采空區(qū)。目前研究區(qū)出現(xiàn)地表變形主要為村莊周邊分布的采煤工作面塌陷變形誘發(fā)所波及的。同時(shí)，對(duì)村莊地表建(構(gòu))筑物穩(wěn)定性有影響的工作面為2201、2202和2203(圖1、圖2)。其中2203目前未被采掘，2201工作面距村莊較遠(yuǎn)，因而對(duì)村莊穩(wěn)定性直接影響為2202工作面。

圖1 礦區(qū)位置、采掘工作面及村莊示意圖Fig.1 Schematic diagram of mining area location，working face and village

圖2 研究區(qū)典型斷面圖Fig.2 Typical section map of the study area

2 采空影響區(qū)地表變形破壞特征分析

2.1 地表變形特征

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，礦區(qū)2201、2202工作面采空塌陷造成村莊西側(cè)的黃土沖溝兩側(cè)采動(dòng)邊坡發(fā)生黃土崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害。同時(shí)造成村莊西側(cè)的廣場(chǎng)、道路、果園及耕地等出現(xiàn)一條長(zhǎng)大裂縫，長(zhǎng)約400 m，寬5～10 cm，局部錯(cuò)距10～30 cm(圖3、圖4)。裂縫走向與2202工作面近似平行，局部受到采動(dòng)邊坡影響，裂縫兩端走向發(fā)生改變，裂縫以外的村莊地表變形裂縫分布較少，且變形破壞程度較輕。同時(shí)，礦區(qū)道路上發(fā)育多條與該裂縫走向垂直的裂縫，即與2202工作面垂直。

圖3 采空塌陷引起采動(dòng)邊坡滑坡及道路裂縫塌陷災(zāi)害Fig.3 Landslide disaster of mining slope and road crack collapse caused by goaf collapse

2.2 村莊房屋裂縫及發(fā)育特征

該村莊有105戶96院落村民集中居住區(qū)及村委會(huì)、炮房、廣場(chǎng)等區(qū)域，東西長(zhǎng)400 m，南北寬350 m，面積0.14 km2?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了房屋403間，其房屋破壞等級(jí)、數(shù)量及占比見(jiàn)表1。

表1 溝西村民房破壞情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of the destruction of residential houses in Gouxi Village

同時(shí)調(diào)查結(jié)果顯示，采空塌陷引起的房屋裂縫走向或平行或垂直于2202工作面，且距離2202工作面越近，房屋裂縫寬度及長(zhǎng)度愈大，由此可以判定居民房屋裂縫出現(xiàn)與2202工作面采空塌陷具有直接關(guān)系。

3 采空塌陷對(duì)村莊穩(wěn)定性影響分析

3.1 基于開(kāi)采條件判別法的采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性分析

2201工作面于2018年6月開(kāi)采完成，而2202工作面2019年6月完成，因而2201、2202工作面采空變形距今150～520天，依據(jù)終采時(shí)間判定采空區(qū)場(chǎng)地屬不穩(wěn)定狀態(tài)；煤層上覆巖層屬中硬巖層，根據(jù)頂板巖性判斷屬基本穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)，厚層黃土下采煤黃土厚度采用3∶1折算為基巖厚度[8]，采厚比約為87.2，屬基本穩(wěn)定狀態(tài)，因此綜合判定2201、2202工作面采空區(qū)場(chǎng)地屬不穩(wěn)定狀態(tài)，其沉陷變形將波及到其東側(cè)村莊的安全穩(wěn)定。

3.2 工作面采空沉陷影響范圍

為了確定礦區(qū)2201、2202工作面采空沉陷影響范圍，根據(jù)規(guī)范[9]影響半徑計(jì)算公式(1)：

r=H/tanβ

(1)

式中：r為主要影響半徑，m；H為煤層埋深，m；tanβ為主要影響角正切，(°)。

根據(jù)礦區(qū)已有研究資料，并結(jié)合本次勘探，臺(tái)塬區(qū)松散層厚度為164.7 m，基巖厚度為58.5 m，主要影響角正切為1.21。將上述數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算，結(jié)果顯示采空沉陷影響半徑約為184 m，超過(guò)該值其影響可以忽略。

3.3 基于概率積分法的采空區(qū)地表變形預(yù)測(cè)

選用概率積分法對(duì)2201、2202工作面采空塌陷引起的地表下沉值進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而確定對(duì)村莊的影響范圍，見(jiàn)計(jì)算公式(2)：

(2)

式中：Wmax為地表最大下沉值，mm；r為主要影響半徑，m；x、y為地表任意點(diǎn)坐標(biāo)，m；s、t為煤層坐標(biāo)，m。

式(2)預(yù)測(cè)精度取決于計(jì)算參數(shù)選取，而礦區(qū)內(nèi)無(wú)變形移動(dòng)實(shí)測(cè)資料，因此本文依據(jù)規(guī)范[6]中的地質(zhì)條件及計(jì)算參數(shù)的關(guān)系，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合K層交叉驗(yàn)證對(duì)概率積分法計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演，最終確定下沉系數(shù)取值0.6。

計(jì)算時(shí)，首先分析了2201工作面采空塌陷引起的地表下沉量，并與2202工作面進(jìn)行疊加，作為兩個(gè)工作面塌陷引起的地表下沉量(圖5)。由圖5可見(jiàn)，2201、2202工作面塌陷引起的地表移動(dòng)變形會(huì)影響到村莊西側(cè)2～5列民房及村委會(huì)的安全穩(wěn)定，即影響區(qū)為地表下沉量為10 mm的等值線所圍成區(qū)域，面積約43 500 m2。

由于2203工作面目前未被開(kāi)采，為了預(yù)測(cè)其未來(lái)采掘?qū)Υ迩f穩(wěn)定性的影響程度，將其沉降量預(yù)測(cè)結(jié)果與2201、2202工作面引起的下沉量進(jìn)行疊加，作為2203工作面采空塌陷引起的地表沉陷變形的預(yù)測(cè)結(jié)果(圖6)。由圖6可見(jiàn)，2203工作面開(kāi)采村莊地表變形量基本無(wú)明顯變化，但影響范圍擴(kuò)大至46 300 m2，即增加區(qū)域約2800 m2。由此可看出，隨著2203工作面開(kāi)采，其采空塌陷引起的地表移動(dòng)變形將向東側(cè)擴(kuò)展，其影響民房增加1～3列。

圖5 2201、2202工作面地表下沉等值線及影響范圍圖Fig.5 Contour map of the surface subsidence and affected area for the 2201 and 2202 working faces

圖6 2203工作面地表下沉等值線及影響范圍Fig.6 Contour map of the surface subsidence and affected area for the 2203 working faces

4 治理措施建議

1)為了防止村莊房屋坍塌，消除村莊居民的恐慌心理，應(yīng)及時(shí)對(duì)采空影響的房屋按照破壞等級(jí)進(jìn)行加固或翻修處理，并對(duì)已出現(xiàn)于耕地、果園、道路、廣場(chǎng)等地段的地裂縫、塌陷坑等應(yīng)及時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖夯實(shí)回填，阻止地表水入滲誘發(fā)更大范圍的地表不均勻沉降。

2)應(yīng)建立采空塌陷變形的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，尤其每年汛期6—9月及春季融雪時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，觀測(cè)塌陷變形的發(fā)展趨勢(shì)，為后期工程治理以及相同或相似采空地面塌陷區(qū)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

3)建議2203工作面后期采掘時(shí)選用充填法開(kāi)采，減小其采空塌陷引起的地表移動(dòng)變形。

5 結(jié)論

1)根據(jù)資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、井下測(cè)量及鉆探綜合顯示，村莊及周邊60 m范圍內(nèi)煤層未被采掘，不存在采煤采空區(qū)。村莊房屋及周邊地表變形的破壞是因2201、2202工作面采空塌陷變形誘發(fā)引起。

2)采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)概率積分法計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演，在此基礎(chǔ)上計(jì)算確定了2201、2202工作面塌陷引起的地表移動(dòng)變形會(huì)影響范圍面積約43 500 m2，涉及村莊西側(cè)2～5列民房及村委會(huì)的安全；2203工作面開(kāi)采后影響范圍擴(kuò)大約2800 m2，將涉及村莊西側(cè)1～3列民房安全。

3)對(duì)村莊房屋按照破壞等級(jí)進(jìn)行加固或翻修處理，并加強(qiáng)變形裂縫監(jiān)測(cè)；對(duì)耕地、果園、道路、廣場(chǎng)等出現(xiàn)的裂縫、塌陷坑等開(kāi)挖夯實(shí)回填，阻止地表水入滲誘發(fā)更大范圍的地表不均勻沉降。同時(shí)，建議2203工作面選用充填法進(jìn)行開(kāi)采，減小其采空塌陷引起的地表移動(dòng)變形。