煤矿地下开采引发地面塌陷的危险性评估

马晓艳 田 宇 王寅冬

1 概述

煤层井下开采引发的地面塌陷是煤层开采普遍存在的环境工程地质问题,它对城市、交通等会产生严重的影响,对耕地的破坏也不容忽视。在矿山开采前,应做好开采可能引发地面塌陷的评估工作,对开采时采取有效控制地面塌陷工作有一定的指导意义。长岭煤矿位于双阳区北东29°方向的长岭乡前双顶子村境内,与双阳区直距 16 km 处,中心地理位置为:东经 125°45′39″;北纬43°36′35″。矿山开发于 1993年,1995年1月正式投产。矿井原设计能力为6×104t/年,2006年核定生产能力为7×104t/年,属小型矿山。开拓方式为片盘斜井,采煤方法为走向长壁后退式,全部塌落法管理顶板。井田面积约为0.550 4 km2。矿区地表大部分为耕地,少部分为居民地。

2 自然环境条件及地质环境条件

矿区位于长白山系吉林哈达岭低山丘陵区,属中温带东亚大陆性季风气候区。区内水系不发育,多为降雨后的地表径流。地势总体北高南低,海拔217 m～264 m,自然植被不发育,多为灌木和人工林,农作物以玉米为主。

矿山含煤地层主要为侏罗系上统二道梁子组(J3r),走向近北东～南西,倾向南东,浅部倾角45°左右,向深部变缓,一般在25°～35°。含四个可采煤层,按从上到下为①,②,③,④煤层。巷道控制长度706 m～819 m,宽度142 m～213 m,垂直深度376 m～408 m,可采煤层平均厚度1.79 m～2.91 m。平均埋深280 m左右。

煤层顶、底板岩石均属于层状结构类型,抗压强度分别为:顶板28.06 MPa,底板41.49 MPa。按建工系统标准分类,顶板属于软质岩石,底板属于中等硬度岩石。

矿区建设初期经地质勘测发现两条断层。F1断层为一推测整断层,走向北东～西南,倾向130°,倾角70°,断距大于70 m。F2断层为一实测正断层,处于井田深部,呈北北东～南西西向延伸,倾向300°,倾角62°,断距大于130 m,断层带被同期侵入辉绿岩脉所充填。

区内含水层自上而下分为第四系松散岩类孔隙水,白垩系碎屑岩孔隙水和侏罗系碎屑岩孔隙水三种。

3 矿区开采引发地面塌陷的危险性预测

煤矿采空区造成地面塌陷的激励主要有三种情况:1)采空区安全顶板厚度不够,采空区引发顶板坍塌冒顶造成地面塌陷;2)地下采空引起地下水位下降造成上覆土体失去定托后,发生的地面塌陷;3)地下大面积采空后,岩层上部失去支撑,岩体自下而上产生变形,最终在地面形成下沉变形的位移盆地。

长岭煤矿含煤地层主要为二道梁子组(J3r),埋深平均280 m左右。煤层顶板属于软质岩石,底板属于中等硬度岩石。矿井现为斜井开拓方式,走向长壁式(崩落法)采煤方法。

现场调查发现在井田采空区上方已经出现了长约500 m,宽约2 cm～5 cm,深约10 cm～20 cm的非构造性地裂缝,已对当地的耕地和房屋造成了破坏,影响了当地农民的正常生产和生活。

3.1 地面塌陷范围的计算

由于煤层走向长度受断层控制,预测塌陷区北西侧以F1断层为界,北东侧和南西侧以储量边界外推影响半径为界,南东侧以储量边界外推影响角范围为边界。

依据工程地质手册中的主要影响角正切tanβ公式来计算:

其中,H为走向主断面上走向边界采深;R为地面塌陷影响半径;β为移动角。

依据经验数据,上述各参数如下:移动角 β=75°。平均采深H=280 m。计算求得影响半径R=75 m。塌陷区的中心点倾斜角为37°。推算南东侧边界以储量边界外推373 m。

根据以上原则,经计算预测塌陷面积约为0.526 km2。

3.2 未来塌陷的地表变形特征

矿区塌陷灾害主要是由于采空区上覆岩土体发生变形、破裂和冒落而造成的,其强度与煤层厚度、倾角、采深、采厚、上覆岩层厚度和性质、松散层厚度、开采方式等密切相关。根据我国多数矿区塌陷规律的研究,可以用深厚比来概略评估塌陷的程度,该比值越小,越容易产生地面塌陷。通过井田范围的控煤钻孔统计,计算其深厚比为34.6,预测区内可能出现中等程度的地表变形。

4 采空塌陷的危害性评估

采空塌陷是一个动态变化的过程,要经历起始阶段、活跃阶段和衰退阶段。塌陷区随采空区的扩大而扩大,沉陷盆地在出现后也有一个自小到大的水平扩展的过程,其危害性表现在盆地扩展过程中引起的地表倾斜和弯曲变形会引起其上的建筑产生倾斜、不均匀沉降而发生损害。采空塌陷对农田的危害主要表现在两方面:1)因地裂缝引起水土流失,土壤砂化导致土壤肥力下降,使作物减产;2)因塌陷引起农田积水,因而丧失耕作条件。因区内地下水位较深,危害主要表现在第一方面。

5 采空塌陷的防治措施

5.1 采用合理的采煤方式和顶板管理方法

1)留设保护煤柱。在需要保护的对象如村庄、井筒等的下部留出足够尺寸的煤柱,使建筑物处于开采影响范围之外。这种方法被认为是一种比较安全可靠的方法。2)消除开采边界的影响。地下开采影响地面最严重的地方是沉陷盆地的边缘,它位于开采边界两侧的上方。所以在建筑物下布置回采工作面时,垂直走向的工作面应有足够的长度,使地表出现充分采动,从而使建筑物位于移动盆地的平底部分。此外,当回采工作面通过建筑物下部时,应尽量加快回采速度,不能停采,尤其不得留残柱。

5.2 建筑物结构保护措施

1)变形缝。在井田范围内修建新的建筑物时将建筑物自屋顶至基础分成若干个彼此互不相连、长度较小、刚度较好、自成变形体系的独立单体,以减少地基反力分布的不均匀对建筑物的影响,提高建筑物适应地表变形的能力,减少作用于建筑物的附加应力。2)钢筋混凝土圈梁。设置钢筋混凝土圈梁是提高建筑物抵抗地表变形能力的有效措施。圈梁的作用在于增强建筑整体性和刚度,提高砖石砌体的抗弯、抗剪和抗拉的强度,可在一定程度上防止或减少裂缝等破坏现象的出现。

6 结论与建议

1)根据计算结果预测塌陷区面积约为0.526 km2,主要分布在井田及其外围影响范围内。2)井田内村庄应搬迁,地面塌陷在井田内主要危害耕地,地质灾害危险性中等。3)加强对预测塌陷区内地质灾害监测工作,若有灾害发生迹象,应及时向有关部门报告,做好防灾救灾工作,在预测塌陷区内应设立警示标志。4)采矿弃石应合理堆放和加强管理。

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