煤礦區(qū)土地復(fù)墾中塌陷預(yù)測分析

趙存維 劉吉磊

(1．邯鄲市廣凱土地規(guī)劃設(shè)計有限公司，河北邯鄲 056000; 2．邱縣國土資源局，河北邱縣 057450)

煤礦區(qū)地下煤層開采時，井下將出現(xiàn)大面積的采空區(qū)，破壞了圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，發(fā)生了指向采空區(qū)的移動和變形。當(dāng)開采活動停止后，覆巖和地表的移動、變形、塌陷和破壞亦將在一定時間逐漸終止于一定范圍之內(nèi)。這個范圍可以通過現(xiàn)場勘測和預(yù)測的方法確定［1，2］。采煤塌陷可使地表發(fā)生移動與變形，嚴(yán)重的情況下，地表會出現(xiàn)裂縫及塌陷坑等不連續(xù)破壞，使土地本身可利用性及其附著物受到破壞。因此，對土地?fù)p毀的預(yù)測主要為地表塌陷的預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

峰峰集團(tuán)有限公司(原峰峰礦務(wù)局)小屯礦位于河北省峰峰礦區(qū)和磁縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 114°16'10″，北緯 36°31'32″。于1958年建井，經(jīng)過多年的開采，煤炭資源面臨枯竭，為了延長小屯礦的生產(chǎn)服務(wù)年限，需要擴(kuò)大礦區(qū)范圍，2002年經(jīng)峰峰礦務(wù)局煤總［2002］308號文件，批準(zhǔn)《小屯礦擴(kuò)大區(qū)開拓延深工程初步設(shè)計》，同意對小屯礦擴(kuò)大區(qū)進(jìn)行開采。原小屯礦面積為408．78 hm2，擴(kuò)大區(qū)面積為 432．21 hm2。

2 塌陷預(yù)測方法

2．1 預(yù)測模型選擇

目前，我國常用的地表移動和變形預(yù)測方法主要有典型曲線法、負(fù)指數(shù)法、概率積分法以及力學(xué)方法。經(jīng)過多年的實踐，概率積分法逐漸成為應(yīng)用最多的方法，這主要是因為和其他的方法相比，概率積分法的預(yù)測模型相對簡單，預(yù)測參數(shù)比較穩(wěn)定，預(yù)測精度能滿足一般工程的需要，同時，更容易實現(xiàn)電算。因此，本研究采用概率積分法對本井田的地表移動變形進(jìn)行預(yù)測［3，4］。概率積分法預(yù)測模型如下:

下沉:

傾斜:

曲率:

水平移動:

水平變形:

其中，Wcm為地表充分采動時最大下沉值;Ucm為地表充分采動時最大水平移動值;r為主要影響半徑;θ0為主要影響傳播角;D為開采區(qū)域;x，y均為計算點(diǎn)的相對坐標(biāo)(考慮了拐點(diǎn)偏移距)。

地表最大移動、變形值估算公式如下:

最大下沉值:Wcm=qmcosα。

最大水平移動值:Ucm=bWcm。

其中，q為下沉系數(shù);m為開采厚度;α為煤層的傾角;b為水平移動系數(shù)。

本次預(yù)測計算均在計算機(jī)上進(jìn)行，采用根據(jù)上述預(yù)測模型編制的“地表移動與變形計算”程序，輸入相關(guān)參數(shù)，程序自動計算各種移動變形數(shù)據(jù)。

2．2 預(yù)測參數(shù)的確定

地表移動和變形預(yù)測參數(shù)確定的是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到預(yù)測的精度，根據(jù)小屯礦擴(kuò)大區(qū)煤層頂?shù)装鍘r石的巖性，結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，可確定本礦區(qū)范圍內(nèi)煤層覆巖為中性巖性。根據(jù)煤層賦存條件，頂?shù)装鍘r性及地質(zhì)構(gòu)造特征，2號煤層頂板管理采用垮落法，4號煤層采用緩慢下沉法管理頂板[5］。依據(jù)臨近礦井羊渠河礦的預(yù)測參數(shù)如下:

下沉系數(shù)q=0．78;水平移動系數(shù)b=0．3;主要影響角正切tanβ =2．1;拐點(diǎn)偏距 s=0．08H;開采影響傳播角取 θ=90 －0．6α。

主要開采煤層有兩層，先開采下部的4號煤層，后開采2號煤層。在重復(fù)采動條件下，地表移動變形預(yù)測參數(shù)要做修改，重復(fù)采動與初次采動主要體現(xiàn)在復(fù)采時覆巖的下沉系數(shù)q要增大，對于中硬巖層，地表受下層煤開采的下沉系數(shù)較初次采動增大10%。

3 預(yù)測結(jié)果分析

小屯礦擴(kuò)大區(qū)劃分2個采區(qū)，即東一采區(qū)、東二采區(qū)。采區(qū)開采順序本著先近后遠(yuǎn)的原則，原則上先采上山采區(qū)，后采下山采區(qū)。根據(jù)礦井開拓布置方案，礦井投產(chǎn)一個采區(qū)一個綜采工作面保證礦井產(chǎn)量。礦井采用立井開采，首采區(qū)為淺部的東一采區(qū)。由于該礦地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，設(shè)計根據(jù)煤層賦存條件和開采技術(shù)條件，采用傾向長壁采煤法分層開采，全部冒落法管理頂板。

由于礦井?dāng)U大區(qū)面積較大，服務(wù)年限為9年，因此，結(jié)合井田開拓設(shè)計和采區(qū)布設(shè)情況，運(yùn)用編制的“地表移動與變形計算”程序，對該礦井分采區(qū)進(jìn)行地表移動變形預(yù)測。

首采區(qū)(東一采區(qū))位于工業(yè)廣場西側(cè)，－750水平以上，主要開采煤層為4號，2號煤層。

1)對東一采區(qū)4號煤層開采的移動變形預(yù)測。4號煤層平均煤厚1．6 m，開采深度750 m～900 m，除去前塔子村、東西佛店、西古佛、梁莊和東古佛村莊保護(hù)煤柱線，可采面積約為1．4 km2。

地表變形預(yù)測內(nèi)容包括地表下沉等值線圖、開采后地表移動和變形最大值等數(shù)據(jù)。由于受煤層傾角影響，地下開采引起的下沉盆地形狀是非對稱性的，下山方向的影響范圍大于上山方向的影響范圍。經(jīng)用概率積分法計算，東一采區(qū)4號煤層開采后地表移動和變形最大值如表1所示，開采后地表下沉盆地面積約為327．14 hm2。

表1 首采區(qū)4號煤層開采后地表移動和變形最大值

2)對東一采區(qū)4號，2號煤層開采的移動變形預(yù)測。東一采區(qū)兩個煤層服務(wù)年限為5年，開采深度為750 m～900 m，其中2號煤層較厚，平均5．5 m。地表下沉盆地面積約為386．45 hm2。不同下沉深度區(qū)面積詳見表2。

表2 東一采區(qū)地表不同下沉深度區(qū)面積統(tǒng)計結(jié)果表

3)對擴(kuò)大區(qū)全開采預(yù)測。根據(jù)可行性研究報告的設(shè)計，東二采區(qū)是東一采區(qū)的接替采區(qū)，位于東一采區(qū)的深部，煤層傾角平均為14°，開采深度為900 m～1 150 m。根據(jù)預(yù)測待東二采區(qū)開采完畢后，地表移動和變形最大值如表3所示，地表下沉盆地面積為 560．85 hm2。

表3 擴(kuò)大區(qū)全開采后地表移動和變形最大值

4)擬破壞土地預(yù)測結(jié)果。綜上所述，小屯礦擴(kuò)大區(qū)擬塌陷破壞土地面積為560．95 hm2，由于原小屯礦矸石場在擴(kuò)大區(qū)開采過程中繼續(xù)使用，所以把矸石場作為擬破壞類型，矸石場占地面積為3．12 hm2，小屯礦擬破壞土地總面積為564．07 hm2。具體破壞土地類型詳見表4。

表4 小屯礦擬破壞土地面積統(tǒng)計表

4 結(jié)語

本文對煤礦區(qū)地表塌陷原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，對煤礦區(qū)塌陷預(yù)測模型與方法進(jìn)行了研究。并以河北省峰峰集團(tuán)有限公司小屯煤礦為例，采用概率積分法進(jìn)行了塌陷預(yù)測。結(jié)果表明，小屯礦擴(kuò)大區(qū)擬塌陷破壞土地面積為560．95 hm2，這些區(qū)域需要納入礦區(qū)土地復(fù)墾的責(zé)任范圍。

[1] 于大鵬，覃秋雅，馬秉智，等．礦山采空區(qū)地面塌陷危險性預(yù)測[J］．工礦自動化，2010(3):78-81．

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[3] 肖 冬，趙紅芳，李林虎，等．礦井采空區(qū)塌陷預(yù)測及土地復(fù)墾適宜性評價——以鄂爾多斯市灣圖溝礦井工程為例[J］．生態(tài)建設(shè)，2011(2):99-101．

[4] 陳紅江，李夕兵，高 科．突變級數(shù)法在采空區(qū)塌陷預(yù)測中的應(yīng)用[J］．安全與環(huán)境學(xué)報，2008，8(6):108-111．

[5] 白云飛，鄧 建，董隴軍，等．費(fèi)歇判別分析方法在采空區(qū)塌陷預(yù)測中的應(yīng)用[J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28(5):74-76．