張?jiān)趲r, 王俊杰, 陳彤彤
(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)
煤炭開采規(guī)模和深度的不斷增大,開采過程中所產(chǎn)生的地表沉陷也日益嚴(yán)重,從而對(duì)煤礦區(qū)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成直接破壞[1]。當(dāng)煤層被采出以后,開采區(qū)域周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞。隨著工作面的不斷推進(jìn),地表建筑物、水體、管道等勢(shì)必會(huì)受到損害[2]。預(yù)測(cè)開采地表沉陷,以期預(yù)防或減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,有著重大的研究和實(shí)踐意義[3]。自 20 世紀(jì) 60 年代始,基于隨機(jī)介質(zhì)理論[4-5]所創(chuàng)建的概率積分法在我國(guó)沉陷預(yù)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)是進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)的基礎(chǔ),是決定預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[6]。沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)的確定方法有直接法和P系數(shù)法。直接法是直接利用已有的實(shí)測(cè)勘探數(shù)據(jù),參照地表移動(dòng)基本規(guī)律和概率積分法的基本原理求取參數(shù);P系數(shù)法則是利用覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與地表移動(dòng)參數(shù)的關(guān)系求取參數(shù)[7]?!督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[8]中給出了我國(guó)主要礦區(qū)基于概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù)參考值或計(jì)算公式。隨著我國(guó)煤炭開采深度的逐年增加,預(yù)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式難以滿足現(xiàn)有預(yù)計(jì)工作要求。筆者依托雞西市某煤礦已有地質(zhì)資料,探究深部開采情況下基于P系數(shù)計(jì)算概率積分法的沉陷預(yù)計(jì)參數(shù),包括下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、拐點(diǎn)移動(dòng)距S、水平移動(dòng)系數(shù)b和開采影響傳播角θ,并根據(jù)三類建筑物變形破壞誘發(fā)因子閾值進(jìn)行分級(jí)設(shè)置,綜合評(píng)定評(píng)價(jià)區(qū)地表建筑物破壞等級(jí),為煤炭開采引起的地表沉降預(yù)測(cè)提供參考。
評(píng)價(jià)區(qū)位于雞西市梨樹區(qū),居民區(qū)建筑面積約0.201 km2。該煤礦屬半掩蓋式井田,穆棱河及沖積平原區(qū)被第四系覆蓋,極少部分有基巖出露??刹擅簩訛槟吕饨M2#煤層,待分析建筑物下方共有10個(gè)開采工作面,可采面積為3.036 km2,煤層平均厚度2.67 m,最大采深730 m,最小采深455 m,平均采深為559 m。煤礦含煤層位于中生界白堊系下統(tǒng)雞西群穆棱組,主要巖石類型為砂巖、砂質(zhì)頁巖、頁巖,堅(jiān)固性系數(shù)f=3~10,第四系地層厚可達(dá)2~10 m,煤層傾角3°~24°,采深23~456 m,涉及SW1、SJZK-2、74-29三個(gè)鉆孔。采區(qū)大部分采用走向長(zhǎng)壁全部陷落法開采,少部分用長(zhǎng)壁帶狀充填法開采,評(píng)價(jià)區(qū)建筑物和采空區(qū)空間對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。
圖1 評(píng)價(jià)區(qū)工程布局Fig. 1 Project layout of assessment area
根據(jù)《規(guī)范》[8]附表可知,雞西礦區(qū)煤礦全陷初采,取經(jīng)驗(yàn)公式q=1.21-0.09 lnH(32 m≤H≤365 m)計(jì)算地表下沉系數(shù),取tanβ=0.518+0.268 lnH(35 m≤H≤365 m)計(jì)算主要影響角正切。根據(jù)井上下對(duì)照?qǐng)D和2#煤層底板等高線可知,評(píng)價(jià)區(qū)的最小采深為455 m,超出該經(jīng)驗(yàn)公式的適宜采深。因此,按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式直接求取參數(shù)有一定的局限性,故本次分析結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)的實(shí)際情況,最終根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)鉆探資料計(jì)算P系數(shù)來確定預(yù)計(jì)參數(shù)。
根據(jù)《煤礦一井深部生產(chǎn)補(bǔ)充勘探報(bào)告》(2019)調(diào)查可知,2#煤層覆巖主要以中硬的泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖和凝灰?guī)r為主,頂板管理方法為全部塌落。由評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù):
(1)
式中:mi——覆巖i分層發(fā)現(xiàn)厚度,m;
Qi——覆巖i分層的巖性評(píng)價(jià)系數(shù),從《規(guī)范》中查表獲取。
我國(guó)各礦區(qū)的實(shí)測(cè)資料和研究表明,采用走向長(zhǎng)壁全陷法管理頂板時(shí),下沉系數(shù)q變化范圍在0.40~0.95之間。其值與覆巖性質(zhì)、初次或重復(fù)采動(dòng)正相關(guān),可采用下式計(jì)算:
q=0.5×(0.9+P)。
(2)
表1為評(píng)價(jià)區(qū)各下沉系數(shù)計(jì)算結(jié)果。mi、Qi(i為1、2、3、4、5、6)分別代表第四系、凝灰?guī)r、粉砂巖、泥巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖的厚度和初采巖性評(píng)價(jià)系數(shù)。ht為覆巖總厚度。由地表沉陷規(guī)律可知:采動(dòng)次數(shù)、覆巖巖性、頂板管理辦法和采煤方法為下沉系數(shù)q值的直接影響因素; 評(píng)價(jià)區(qū)2#煤層為初次充分采動(dòng),采用式(2)計(jì)算得出此工作面初次開采的平均下沉系數(shù)q=0. 65,滿足《規(guī)范》[8]附表中硬類型覆巖對(duì)應(yīng)的地表下沉系數(shù)區(qū)間分布,即0.55~0.84。
表1 評(píng)價(jià)區(qū)各下沉系數(shù)計(jì)算結(jié)果
由我國(guó)大量礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)站的實(shí)測(cè)資料可知,tanβ的主要影響因素為巖性、開采深度和煤層傾角。圖2表明:開采深度相同時(shí),堅(jiān)硬覆巖的tanβ值較小,軟弱覆巖的tanβ值較大;覆巖巖性相同時(shí),tanβ隨采深H的增大而增大[7]。圖3表明在巖性和采深條件相同時(shí),水平煤層的tanβ值最大,α愈大tanβ值愈小,具體關(guān)系如式(3)所示[7]。
圖2 tan β隨采深H的變化Fig. 2 tan β variation with mining depth H
圖3 tan βα/tan β值隨傾角的變化Fig. 3 tan βα/ tan β value varies with inclination
(3)
式中:α——煤層傾角,(°);
D——隨巖性變化的常數(shù),可查表2獲得;
表2 P-D的對(duì)應(yīng)關(guān)系
H——開采深度,m。
根據(jù)表2巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與系數(shù)D的對(duì)應(yīng)關(guān)系,查得巖性影響系數(shù)D=1.45。由評(píng)價(jià)區(qū)《井南采區(qū)采掘工程平面圖》煤層底板等高線可知,煤層傾角α平均值為10°,平均采深為559 m。根據(jù)P值按式(3)計(jì)算tanβ值為3.11,計(jì)算結(jié)果符合圖2揭示規(guī)律。
結(jié)合《規(guī)范》[8]和評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際情況,計(jì)算水平移動(dòng)系數(shù)b、開采影響傳播角θ和拐點(diǎn)偏距S分別為
b=(1+0.008 6α)b0,
(4)
θ=90°- 0.64α,
(5)
S=0.17H,
(6)
式中:b0——近水平煤層取0.3;
α——煤層平均傾角,取10°;
H——平均采深,取559 m。
由式(4)~(6)計(jì)算可知,評(píng)價(jià)區(qū)水平移動(dòng)系數(shù)b=0.32,開采影響傳播角θ=83.6°,拐點(diǎn)偏距S=95.03。
依據(jù)文中所求預(yù)計(jì)參數(shù),按南北方向生成變形預(yù)計(jì)圖件。在表3中,傾斜與水平移動(dòng)值有正負(fù)號(hào)之分,正號(hào)表示量的方向?yàn)橛赡现赶虮?;曲率圖件中,正號(hào)表示地表上凸變化,負(fù)號(hào)表示下凹變化;水平變形圖件中,正號(hào)表示地表拉伸,負(fù)號(hào)表示地表壓縮。考慮評(píng)價(jià)區(qū)地表受10個(gè)采空區(qū)變形的綜合影響,分析5類變形預(yù)計(jì)成果圖可知,評(píng)價(jià)區(qū)下沉最大值將達(dá)到2 062 mm,其余4類基本變形最大值預(yù)計(jì)結(jié)果見表3。
采用概論積分法,對(duì)現(xiàn)有采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)預(yù)計(jì)。沉陷預(yù)計(jì)格網(wǎng)大小為30 m×30 m,地表下沉等值線及下沉云圖如圖4所示。
由圖4可知:以地表下沉10 mm為邊界,2#煤層10個(gè)工作面開采完畢且達(dá)到沉陷穩(wěn)定后形成一個(gè)不規(guī)則的沉陷盆地,面積為2.786 km2;評(píng)價(jià)區(qū)所有建筑物均位于地表沉陷影響范圍之內(nèi),西南部民房受地表下沉影響最為嚴(yán)重,沉陷范圍介于200~2 062 mm。不同下沉值地表沉陷面積及下沉區(qū)間沉陷面積統(tǒng)計(jì)如表4所示。其中,h為下沉值,S為沉陷面積,S1為區(qū)間沉陷面積,k=S1/S×100%。
圖4 全采空區(qū)綜合影響動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)地表下沉等值線及云圖Fig. 4 Isoline and cloud map of surface subsidence in all goafs
表4 全采空區(qū)綜合影響穩(wěn)態(tài)預(yù)計(jì)地表沉陷面積匯總
建筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形值的大小和建筑物本身抵抗采動(dòng)變形的能力[8]。評(píng)價(jià)區(qū)建筑物主要以一層磚瓦、磚木及磚混結(jié)構(gòu)的平房為主,其次為土坯平房、簡(jiǎn)易倉房。該類建筑物允許地表變形值一般為水平變形ε=±2 mm/m,傾斜變形i=±3 mm/m,曲率K=±0.2 mm/m2。因此,根據(jù)《規(guī)范》[8]第二十七條,將房屋破壞等級(jí)按不同破壞誘發(fā)因子分為I、II、III、Ⅳ四級(jí),分級(jí)閾值設(shè)置結(jié)果見表5。當(dāng)2#煤層10個(gè)采空區(qū)形成并達(dá)到沉陷穩(wěn)態(tài),評(píng)價(jià)區(qū)地表變形損害等級(jí)如圖5所示。
圖5 評(píng)價(jià)區(qū)各變形指標(biāo)采動(dòng)損害等級(jí)分析 Fig. 5 Analysis of mining damage level of each deformation index in evaluation area
表5 三類破壞誘發(fā)因子分級(jí)閾值
由圖5a可知,評(píng)價(jià)區(qū)下方10個(gè)采空區(qū)引起的地表變形中,評(píng)價(jià)區(qū)中部區(qū)域的傾斜變形集中在3~10 mm/m之間。由圖5c可知,東北部區(qū)域水平變形集中在2.0~6.0 mm/m之間,對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)建筑物影響最大,曲率變形影響為I級(jí)。按損害等級(jí)進(jìn)行區(qū)域融合,繪制綜合采動(dòng)損害等級(jí)分析圖(圖6)。
圖6 綜合采動(dòng)損害等級(jí)分析(穩(wěn)態(tài)) Fig. 6 Analysis of comprehensive mining damage grade (steady state)
由圖6可直觀看出,2#煤層10個(gè)工作面全采引起的采動(dòng)損害等級(jí)分別為:綠色區(qū)域?yàn)镮級(jí)破壞,破壞面積為2.34 km2;黃色區(qū)域?yàn)镮I級(jí)破壞,破壞面積為0.99 km2;藍(lán)色區(qū)域?yàn)镮II級(jí)破壞,破壞面積為0.82 km2;紅色區(qū)域?yàn)棰艏?jí)破壞,破壞面積為0.09 km2。結(jié)合《規(guī)范》[8]規(guī)定的不同破壞等級(jí)的建筑物處理意見及圖6建筑物與破壞等級(jí)空間對(duì)應(yīng)關(guān)系,建議對(duì)II級(jí)破壞區(qū)域房屋進(jìn)行小修;III級(jí)破壞區(qū)域房屋進(jìn)行中修;Ⅳ級(jí)破壞區(qū)域房屋存在倒塌的危險(xiǎn),建議拆建。
預(yù)計(jì)分析結(jié)果表明,評(píng)價(jià)區(qū)下方10個(gè)采區(qū)開采引起的地表移動(dòng)變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),評(píng)價(jià)區(qū)多數(shù)房屋將位于II、III級(jí)破壞區(qū),中部房屋受損較為嚴(yán)重,建議對(duì)II、III級(jí)破壞區(qū)域內(nèi)的建筑提前做加固和抗變形處理。
(1)采用P系數(shù)確定地表移動(dòng)參數(shù)符合參數(shù)一般變化規(guī)律,2#煤層10個(gè)工作面全采引起的地表沉陷面積預(yù)計(jì)達(dá)2.786 km2,評(píng)價(jià)區(qū)下沉最大值將達(dá)到2 062 mm。
(2)研究過程中按《規(guī)范》對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)建筑物的三類破壞誘發(fā)因子進(jìn)行了分級(jí)閾值設(shè)置,從空間上直觀評(píng)價(jià)了建筑物損害等級(jí)。采空區(qū)上方地表建筑物群多數(shù)將達(dá)到II級(jí)、III級(jí)破壞,東南部小部分建筑物將受到Ⅳ級(jí)破壞。