毛永濤

（遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110032）

由于世界范圍內(nèi)人口激增，資源總量有限，這就導(dǎo)致了資源危機(jī)日趨嚴(yán)重。人類為了自身的生存和社會的發(fā)展，大量開發(fā)和利用地下自然資源，從而形成了大量的地下空區(qū)。由于地下空區(qū)的存在帶來了一系列的地質(zhì)環(huán)境問題，如地表沉陷、地下水位下降等。準(zhǔn)確的預(yù)測開采引起的地表沉陷將對指導(dǎo)“三下”(水體下、建筑物下、鐵路下)開采實(shí)踐具有重要作用。準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果是十分重要的，對于偏大的預(yù)測結(jié)果，將會導(dǎo)致成本增加，花費(fèi)一些不必要的費(fèi)用，造成浪費(fèi)；而過于偏小的預(yù)測結(jié)果，又不安全，將可能導(dǎo)致安全隱患。因此，研究和預(yù)測地下采空區(qū)引起地表的沉陷，是為地下采空區(qū)的合理開挖和治理提供科學(xué)依據(jù)。本文通過清河門工業(yè)園區(qū)下采空區(qū)引起其上覆巖層移動與變形的研究，并對其地表穩(wěn)定性做出評價。

1 清河門工業(yè)園區(qū)概況

1.1 自然地理概況

清河門工業(yè)園區(qū)占地面積為1065km2，其中建筑面積364704.28m2。清河門工業(yè)園區(qū)坐落于遼寧省阜新市西北部，距市中心25.18km，距錦州海港115km。境內(nèi)河流縈繞，風(fēng)光秀麗，孕育著豐富的土地資源、礦產(chǎn)資源和水資源。

1.2 煤層開采情況

清河門煤礦位于阜新煤田西部，行政區(qū)劃為阜新市清河門區(qū)。井田南北沿走向方向長約4.1km，東西斜長達(dá)3.6km，可采面積為13.39km2。該井田主要含煤地層為沙海組，煤的品種以長焰煤為主，可采煤層為7組13層，累計可采厚度為23.1m。

位于園區(qū)周邊的采區(qū)有241、243 和343 采區(qū)。已開采4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、5-2 層煤，開采深度為340～852m，開采時間為2000年至今，其中2009年以來243、343采區(qū)開采技術(shù)條件見表1。

表1 2009年以來243、343采區(qū)開采技術(shù)條件一覽表

2 采空區(qū)地表沉陷理論

2.1 巖層的移動和變形

當(dāng)煤層開采后，其周圍巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)將會發(fā)生一定變化，在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)力將重新分布達(dá)到新的平衡，在此過程中巖層將發(fā)生移動、變形，致使煤層頂板巖層懸空，將其部分重量傳遞到周圍未直接采動的巖體上，從而引起采空區(qū)周圍巖體的應(yīng)力重新分布，形成增壓區(qū)域和減壓區(qū)域。在采區(qū)邊界煤柱及其上、下方的巖層內(nèi)形成增壓區(qū)，在這個區(qū)域的煤柱和巖層被壓縮，有的甚至被壓碎、擠向采空區(qū)。

圖1為一采空區(qū)斷面示意圖，ab、cd為煤柱的邊界線，a＇、b＇、c＇、d＇為擠壓后的的煤柱邊界線。由于采空區(qū)的存在，采空區(qū)周圍的巖體在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下向采空區(qū)方向移動，這就形成增壓區(qū)域和減壓區(qū)域。在增壓區(qū)域，是由于壓力增大的結(jié)果，使煤柱部分被壓碎，煤柱承受荷載的能力減小，于是支撐壓力區(qū)域向遠(yuǎn)離采空區(qū)域方向移動。在回采工作面的頂、底板巖層內(nèi)形成減壓區(qū)域，其壓力小于煤層開采前的正常壓力。由于減壓的結(jié)果，使巖層向彈性恢復(fù)那樣發(fā)生膨脹，因此在頂板巖層內(nèi)可形成離層。而底板巖層除受減壓影響外，還要受水平方向的壓縮，因此可能出現(xiàn)采空區(qū)底板向上隆起的現(xiàn)象[1-2]。

圖1 采空區(qū)周圍巖層破壞和移動示意圖

2.2 采動巖層的三帶

煤炭采出后，在采空區(qū)周圍的巖層中發(fā)生了一系列較為復(fù)雜的移動和變形過程。根據(jù)采礦工程的需要，將移動穩(wěn)定后的巖層按其破壞程度，大致分為三個不同的開采影響帶，即冒落帶、裂縫帶(或稱斷裂帶)、彎曲帶(見圖2)。

圖2 采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動分帶示意圖

2.3 地表移動盆地的形成

地表移動盆地是指在開采工作面向前推進(jìn)過程中逐漸形成的。一般是當(dāng)回采工作面自開切眼開始向前推進(jìn)的距離為0.25H～0.5H（H為平均采深），開采影響范圍就會波及到地表，引起地表沉降。然后，隨著開采工作面繼續(xù)推進(jìn)，地表影響范圍不斷增大，下沉值也不斷增大，在地表上就形成一個比開采范圍大的地表下沉盆地。

地表下沉盆地是隨工作面推進(jìn)逐漸形成的(見圖3)。當(dāng)工作面由開切眼推進(jìn)到位置1時，在地表形成一個小盆地W1，小盆地W1 是一個動態(tài)盆地，當(dāng)工作面不再向前推進(jìn)，盆地W1 逐漸穩(wěn)定，形成靜態(tài)盆地。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到位置2時，在移動盆地的W1范圍內(nèi)，地表繼續(xù)下沉，靜態(tài)盆地再次發(fā)生變形成為動態(tài)盆地。同時在工作面前方原來尚未移動地區(qū)的地表點(diǎn)，先后進(jìn)入移動，從而使移動盆地W1 擴(kuò)大而形成移動盆地W2。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)相繼逐漸形成地表移動盆地W3、W4[4]。

圖3 地表移動盆地的形成過程示意圖

3 地表沉陷計算與穩(wěn)定性分析

3.1 地表沉陷值計算

假定s>0的煤層已全厚采出、s<0的煤層全都沒有開采。這種情況稱為半無限開采，推導(dǎo)在上述地質(zhì)采礦條件下的地表移動變形的預(yù)計公式。

若在圖4中只開采單元厚度的煤層，橫坐標(biāo)為x的地表點(diǎn)的下沉值Wu(x)為s=0～+∞范圍內(nèi)各單元的開采引起下沉值的總和。

由圖4可知，若開采單元的橫坐標(biāo)為s，地面任一點(diǎn)A的橫坐標(biāo)為x，則此單元開采引起A點(diǎn)的下沉值為We(x-s)，即以(x-s)值代替x值用公式（1）：

圖4 半無限開采地表變形計算公式推導(dǎo)示意圖

求出的單元開采引起的下沉值。整個半無限的單位厚度開采引起A點(diǎn)下沉Wu(x)為：

由(式1)、(式2)推導(dǎo)出下沉值Wu(x)的計算公式為：

對橫坐標(biāo)為x的地表任一點(diǎn)P來說，下沉值W(x)應(yīng)為單元厚度開采引起的該點(diǎn)下沉值Wu(x)的倍，若令：

式中：m——開采深度；

q——下沉系數(shù)；

α——煤層傾角。

則有：

應(yīng)用概率積分函數(shù)ref，上式可寫成：

式中：

地表傾斜值計算。沿地表x軸方向的地表傾斜i(x)是地表下沉W(x)的一階導(dǎo)數(shù)，其計算公式為：

利用變限積分求導(dǎo)公式，上式可化為：

地表曲率值。沿地表x軸方向的地表曲率是對i(x)的一階導(dǎo)數(shù)，其計算公式為：

地表水平移動值計算。地表任一點(diǎn)沿x軸方向的水平移動用U(x)表示，其計算公式為：

對于地表來說，z等于礦產(chǎn)的開采深度H，B(z)為常數(shù)，并可令它等于B將上式積分簡化令b=則可化為：

進(jìn)而得到傾斜與水平移動的關(guān)系U(x)=bri(x)。

地表水平變形值計算。地表沿x軸方向的水平變形ε(x)是U(x)對x的一階導(dǎo)數(shù)，其計算公式為：

3.2 地表移動持續(xù)時間的確定

根據(jù)礦務(wù)局“三下”采煤及建筑物保護(hù)暫行規(guī)程取巖層移動角為：

走向移動角：δ=72°

上山移動角：γ=76°

下山移動角：β=73°(α<9°)

β=79.6-0.7α(10°≤α<31°)

根據(jù)巖層移動角得到清河門立井地表移動范圍?？梢钥闯銮搴娱T工業(yè)園區(qū)位于沉陷區(qū)范圍內(nèi)。清河門立井所有工作面開采深度均大于300m，地表集中移動期均為3.5年。

3.3 清河門區(qū)工業(yè)園區(qū)地表剩余和殘余移動與變形

地表剩余移動與變形是指在地表集中移動延續(xù)總時間內(nèi)，某一時刻至地表移動衰退期結(jié)束這一期間地表所產(chǎn)生的移動與變形；地表殘余變形是指地表集中移動延續(xù)總時間之后，地表在很長時間內(nèi)所產(chǎn)生的移動與變形。地表沉陷處于動態(tài)過程當(dāng)中，地表剩余移動與變形的計算是一個非常復(fù)雜的問題，至今尚沒有完善的計算方法。理論上，地表剩余移動與變形值，可以用地表最終移動與變形值減去已發(fā)生的地表移動與變形值的方法得出。地表最終移動與變形值可通過概率積分法進(jìn)行計算，但地表已產(chǎn)生的動態(tài)移動與變形值的計算卻很困難。也有學(xué)者針對地表所處的不同移動期階段，確定相應(yīng)的地表動態(tài)下沉系數(shù)的方法，采用概率積分法進(jìn)行計算，但地表動態(tài)下沉系數(shù)的選取卻十分困難。

根據(jù)礦山開采沉陷理論，地表移動期已經(jīng)結(jié)束，僅意味著未來連續(xù)180d 內(nèi)地表下沉的累計值小于等于30mm，并不意味著地表移動過程的完全結(jié)束。實(shí)踐證明，地表沉降移動期結(jié)束后，在相很長的時期內(nèi)仍有一定的地表殘余變形存在[6-7]。

針對清河門區(qū)工業(yè)園區(qū)地下煤層開采情況和地表移動延續(xù)時間規(guī)律，確定地表剩余和殘余移動與變形計算時的概率積分法參數(shù)見表2和表3，二者總的移動與變形計算時的概率積分法參數(shù)見表4。

表2 地表剩余移動與變形計算概率積分法參數(shù)表

表3 地表殘余移動與變形計算概率積分法參數(shù)表

表4 地表殘余移動與變形計算概率積分法參數(shù)表

采用概率積分法及所選取的參數(shù)，計算得出243和343 兩個采區(qū)開采后評價區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計最大移動與變形值見表5，計算得出截至2011 年底之前開采后評價區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計最大移動與變形值見表6。

表5 全部開采后評價區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計移動與變形最大值一覽表

表6 2011年底之前開采后評價區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計移動與變形最大值一覽表

4 地表沉陷穩(wěn)定性評價

根據(jù)采空區(qū)地表移動與變形的計算結(jié)果，對清河門工業(yè)園區(qū)地表穩(wěn)定性評價分析如下：

（1）受目前正在開采的343 采區(qū)工作面和之前開采已形成的采空區(qū)影響，評價區(qū)域剩余和殘余累計地表最大下沉613mm，最大傾斜變形為2.1mm/m，最大水平變形為-1.9～+1.0mm/m，最大曲率變形為（-0.02～+0.01）×10-3/m。

（2）受未來243 采區(qū)的3-3 層北2 路、3-3 層北1 路、3-5 層北2 路這3 個工作面開采影響，評價區(qū)域剩余和殘余累計地表移動與變形值將加大，地表最大下沉1222mm，最大傾斜變形為3.5mm/m，最大水平變形為-2.3～+1.3mm/m，最大曲率變形為（-0.02～+0.01）×10-3/m。地表最大變形值均達(dá)到建筑物Ⅱ級損壞等級的變形指標(biāo)。

（3）評價區(qū)域25.3%位于清河門煤礦采煤沉陷區(qū)范圍內(nèi)。累計最大下沉達(dá)1761mm，最大傾斜變形為5.12mm/m，最大水平變形為-2.57～+2.57mm/m，最大曲率變形為（-0.15～+0.15）×10-3/m。