采煤沉陷影响范围确定的研究

王 芳

(山西省地质工程勘察院，山西太原 030024)

1 概述

在我国的一次能源结构中，煤炭是我国的基础能源和原料，并在国民经济中具有重要的战略地位。改革开放以来，煤炭工业取得了巨大的发展，对国民经济的增长及社会发展发挥了重要作用。但是在煤炭工业发展过程中还存在地面沉陷等地质灾害问题，并且随着煤炭需求总量不断增加，沉陷问题还将进一步加大，采煤沉陷引起的地质灾害也越来越多的影响到矿区广大居民的生产及生活，影响了社会的和谐稳定。据统计，我国每采万吨煤沉陷面积为4亩～5亩，在最近的50年中，采煤沉陷的土地面积约为950万亩，直接影响了当地居民的生产生活，矿区的生态环境形势也十分严峻。目前，我国国民经济正处在快速、持续、稳定的发展阶段，对煤炭资源的需求将持续快速增长，加强煤炭矿山环境的保护刻不容缓。为此，通过各种综合技术措施，最大限度地开采煤炭资源，同时使地表损害控制在允许范围内，探讨科学、合理的方法，确定开采影响范围则十分必要。

2 采煤沉陷影响范围的定界标准

简单地说，采煤沉陷地就是开采沉陷破坏的土地。我国各地对采煤沉陷地的认同因地表附着物的不同而存在差异，对采煤沉陷地的恢复治理也因采煤沉陷破坏土地分类的不同，采用不同的标准。各地定界采煤沉陷地标准的实质主要是对土地的破坏程度，如是否影响耕作，影响地面建筑物及具体破坏情况等。在《建筑物、水体、铁路以及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第十六条中明确规定:确定建筑物保护煤柱的允许地表变形值采用下列数值:倾斜i= ±3 mm/m、曲率 k= ±0．2×10－3、水平变形 ε=±2 mm/m，要求按地表变形标准确定沉陷损害边界。

3 采煤沉陷影响范围的划定

本文以山西省A村为例，以实际调查为基础，提出了确定采煤沉陷影响范围的方法，如下所述。

3．1 煤矿采空边界的确定

根据收集煤矿采掘资料及实际调查，可以确定该煤矿在A村附近只开采15号煤层。煤矿与A村相邻开采区主要位于村西边和西南边，西边与A村相邻有四采区的三个采掘工作面，开采时间依次为1992年，1992年和1990年，西南边与A村相邻有二采区的三个采掘工作面，开采时间为1986年，1987年，1987年。

为准确确定这些采区的开采边界，进而客观、公正的评判采煤影响范围，本次勘查除收集了煤矿采掘资料外，还布置了地面物探工作，采用瞬变电磁和测氡的方法，确定了该煤矿采空边界，另外还布置了一个验证勘探孔，验证孔的位置重点考虑了以下几个因素:孔位选取应具随机性，尽量靠近物探划定的采空区边界线。最后经论证，将验证勘探孔定在里沟渠西侧山坡上，孔口高程为998．302 m，坐标为:X=4 195 729．34，Y=644 068．14，验证结果为未采空。因此，本次以物探确定的煤矿采空区边界为准。

3．2 采动影响带高度(垂向)的计算

该煤矿开采太原组15号煤层，该煤层倾角较平缓，一般为8°～10°，煤层顶板为灰岩、细砂岩、泥岩，属中硬类岩石。

3．2．1 垮落带高度计算

垮落带高度选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中附表6-1公式计算。

其中，Hm为垮落带高度;∑M为累计采厚。

15号煤垮落带高度计算如下:

3．2．2 导水裂隙带高度计算

导水裂隙带高度选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附表6-2中公式计算。

其中，Hli为导水裂隙带高度;∑M为累计采厚。

代入上述公式，将15号煤导水裂隙带高度计算如下:

3．2．3 采深采厚比分析

国内外采矿经验认为:当采深及采厚之比小于30时，煤炭采出一定面积之后，将会引起岩层移动并波及到地表，其地表变形及沉陷在时间及空间上都会有明显的不连续特征，地表变形剧烈，煤矿采空区上方形成较大的裂缝或者塌陷坑;当采深与采厚之比介于30～100之间，在地层中没有较严重地质破坏情况之下，煤炭采出一定的面积之后，将会引起岩层移动并波及到地表，其地表变形及地表沉陷在时间及空间上都有较明显的连续性，并具有一定的分布规模，表现为地表移动。当采深与采厚之比大于100时，地表变形程度轻微。只有在拉伸区可能出现轻微小裂缝。

煤矿采区A村西部采深采厚比小于或接近30，易引起地面变形，因此15号煤层开采后其采动影响会引起上覆岩层移动变形，波及地表引发地表弯曲变形和张性裂缝的产生，从而对地表建筑物造成损害。西南部采区比值为40左右，其地表变形没有西部严重，地裂缝，塌陷坑较少。以上与实际调查结果相符，本次调查的地表裂缝、塌陷绝大部分位于西部采区，西南部采区除地表沉陷外，地裂缝、地表塌陷较少。

3．3 采动影响带宽度(平面范围)计算

本次计算以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《规程》)为依据。

计算方法采用垂直剖面法，具体计算如下:

1)松散层厚度L及移动角的确定。

附近有CK1，验证孔，CK12'，Ⅱ-3等钻孔剖面资料，此外还布置了探井并进行了环境地质调查，据此确定松散层厚度L(见表1)。

按《规程》要求该地区参照阳泉矿区标准执行，圈定保护煤柱线时选用以下岩层移动角值:

δ=γ =72°，β =72°－0．5α，φ =45°。

其中，δ，γ，β分别为走向方向，下山方向和上山方向的岩层移动角;α为岩层倾角;φ为松散层移动角。

2)根据采空边界特征作横向垂直剖面图，共作7个。

3)在平面图上，根据煤层底板等高线求出各剖面线与煤矿采空边界线交点下方煤层埋藏深度。

4)在平面图上量出各剖面处采空边界线与煤层走向的夹角θ，并列于表1。计算各剖面上的斜交剖面移动角β'，γ'值，计算方法如下:

其中，β'，γ'分别为上山方向和下山方向斜交剖面的移动角。

将计算结果列于表1。

5)作A—A'横向垂直剖面图，作采空边界线与剖面线的交点投影到煤层底板上，从煤层底板上的投影点以上山β'或下山γ'岩层移动角作直线到基岩松散层界面，然后以松散层移动角φ作直线与地面相交，得交点，该点即为该剖面上影响范围的边界。

6)用同样方法作出 B—B'，C—C'，…，G—G'剖面上的影响范围边界(计算结果见表1)。

7)将所有各点转绘到平面图上，过这些点作与采空边界的平行线，交点处即为影响带折线的拐点，此线即为影响范围边界线。

另据《规程》第十四条规定:村庄砖瓦结构应列为Ⅲ级保护对象，《规程》第十七条规定:Ⅲ级建(构)筑物围护带宽度为10 m，考虑到围护带范围内的建筑物有可能受到影响，故将影响带范围增加10 m。

表1 采动影响带宽度(平面范围)计算

4 结语

1)本次勘查除收集了煤矿采掘资料外，还布置了地面物探工作，采用瞬变电磁和测氡的方法，确定了煤矿采空边界。

2)垮落带高度选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中附表6-1公式计算，结果为(12．71±2．2)m。

3)导水裂隙带高度选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中附表6-2公式计算，结果为58．99 m。

4)采动影响带宽度计算以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》为依据，方法采用垂直剖面法，确定各剖面上的影响范围边界，并考虑到围护带范围内的建筑物有可能受到影响，将影响带范围增加10 m。

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