巖溶山區(qū)采煤地表移動(dòng)規(guī)律研究

趙振遠(yuǎn)，韋開行，潘 喆

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘測(cè)局地質(zhì)勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽(yáng) 550005;2.重慶市208水文地質(zhì)隊(duì)，重慶400700;3.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

煤層被開采以后，由煤層的上覆巖層到地表形成了三個(gè)破壞影響帶:冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，冒落帶的巖層主要發(fā)生了斷裂、破碎，裂隙帶的巖層主要發(fā)生了較大的彎曲，彎曲下沉帶的巖層只是發(fā)生了巖層的連續(xù)破壞，變形沒有超出巖體的破壞強(qiáng)度，只是發(fā)生了彈塑性形變。

開采引起的地表移動(dòng)破壞受多種因素的影響為此在采煤的同時(shí)，在地表設(shè)立觀測(cè)站，以分析地表變形的規(guī)律，為煤礦的下一步開采作指導(dǎo)。

1 觀測(cè)區(qū)井下開采情況

該煤礦礦區(qū)面積共 14.596 2 km2，由60個(gè)拐點(diǎn)圈閉而成，東翼開采標(biāo)高+300～-700 m，西翼開采標(biāo)高 +250～-200 m，開采 K1、K2、K3煤層，礦區(qū)走向長(zhǎng)約 13 030 m，傾向平均寬1 062m，目前采空區(qū)面積5.82 km2。

觀測(cè)區(qū)內(nèi)地形地貌主要為丘陵山區(qū)地貌，煤層為背斜一翼，為單一傾斜，煤層傾角35°，工作面走向1 200 m，傾斜長(zhǎng)110 m，采用走向長(zhǎng)壁垮落回采法，煤層頂板上覆巖層以灰?guī)r為主，其次為泥巖、頁(yè)巖，煤層底板為灰?guī)r，煤層頂板為含水層，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，溶洞發(fā)育。

在觀測(cè)區(qū)邊界有營(yíng)寨煤礦淺部開采，地表觀測(cè)的部分觀測(cè)點(diǎn)可能會(huì)受到一定的影響，采區(qū)開采 K1、K2、K3三層煤，為重復(fù)開采，由于該煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦山先開采K2煤層作為解放層，則 K2煤層為首采，按先采上煤層后采下煤層的原則，K3為第一次復(fù)采，K1為第二次復(fù)采。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)站的建立

2.1 地表移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)

觀測(cè)站一般由兩條觀測(cè)線組成，一為沿煤層的走向方向，另一為沿煤層的傾斜方向，兩條線基本垂直，依照此原則，該煤礦布置了一定數(shù)量的走向觀測(cè)線和傾斜觀測(cè)線。

主要選取傾向觀測(cè)線進(jìn)行分析，按照設(shè)計(jì)的觀測(cè)點(diǎn)位置，結(jié)合實(shí)地情況在現(xiàn)場(chǎng)挖直徑為0.5～0.6 m，深不小于0.6 m的坑，采用長(zhǎng)約20 cm，直徑20 mm的螺紋鋼條，用混凝土灌注。在鋼條橫截面中心以沖擊鉆鉆出1 mm直徑的小洞，作為標(biāo)心。觀測(cè)線長(zhǎng)約1.6 km，共埋設(shè)觀測(cè)點(diǎn)51個(gè)。在觀測(cè)線沿線按相應(yīng)要求各埋設(shè)導(dǎo)線點(diǎn)7個(gè)，作為變形監(jiān)測(cè)的工作基點(diǎn)。

2.2 變形監(jiān)測(cè)

平面測(cè)量以固定點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量高程為高程起算數(shù)據(jù)，按三維導(dǎo)線法測(cè)出各工作基點(diǎn)及各測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程。導(dǎo)線測(cè)量使用儀器為瑞士徠卡TC702全站儀，以各觀測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)，解算點(diǎn)間距并歸算至煤層傾向方向。計(jì)算軟件為NASEW2008平差軟件。

2007年12月開始首次觀測(cè)，首次觀測(cè)獨(dú)立進(jìn)行兩次，2007年12月11-12日獨(dú)立進(jìn)行兩次三維導(dǎo)線測(cè)量。兩次次觀測(cè)成果符合要求后，取其平均值作為首次觀測(cè)成果。此后在2008、2009、2010年每季度次月進(jìn)行全面觀測(cè)一次，總計(jì)完成全面觀測(cè)12次。

3 觀測(cè)資料整理分析

在對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)全面觀測(cè)12次之后，將其數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出各點(diǎn)下沉量與時(shí)間曲線圖、觀測(cè)線下沉量與時(shí)間曲線圖、部分點(diǎn)下沉速度與曲線圖(見圖1、圖2)。

圖1 地表下沉曲線圖

(1)由圖1可以看出，自 Q17至 Q31點(diǎn)的各點(diǎn)的下沉曲線為地表連續(xù)沉降，而其余各觀測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)不同程度的地面隆起，由此可見，該煤礦開采沉陷壓縮區(qū)域主要分布在上山方向，而拉伸區(qū)域主要集中在下山方向。

圖2 地表水平移動(dòng)曲線圖

(2)由圖1可以看出，該煤礦在傾向開采線上最大下沉量為447.1 mm，出現(xiàn)在 Q22點(diǎn)，每次觀測(cè)的最大下沉點(diǎn)也出現(xiàn)在Q22點(diǎn)附近，最大下沉值在采空區(qū)的偏下山方向，上山方向的下沉速率亦較下山方向大。

(3)由圖2可以看出，最大水平位移移動(dòng)量也出現(xiàn)在Q23點(diǎn)，最大移動(dòng)值330 mm。

4 地表移動(dòng)影響因素分析

4.1 地形對(duì)地表下沉的影響

圖3 觀測(cè)線上的地形示意圖

本次采取觀測(cè)線為丘陵山區(qū)，因此觀測(cè)線出現(xiàn)地形起伏(見圖3)，表1和表4分別為上山方向和下山方向的坡向和移動(dòng)盆地下沉傾向一致的觀測(cè)點(diǎn)的沉降值，由沉降數(shù)值可以看出，在采動(dòng)影響剛傳至地表時(shí)，地表主要表現(xiàn)為上升或鼓起，主要是因?yàn)楫?dāng)坡向和地表移動(dòng)盆地的傾向一致時(shí)，隨著采礦的不斷進(jìn)行，移動(dòng)盆地不斷擴(kuò)大，山體將由坡頂向坡腳順向滑移，形成靠近坡腳方向的隆起，越靠近坡腳方向，隆起的幅度將越大，坡度越大，隆起的數(shù)值也將越大，由表一可以看出坡腳上的Q3點(diǎn)達(dá)到最大的18 mm，此時(shí)達(dá)到一定的受力平衡，當(dāng)采煤活動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，將出現(xiàn)一定量的下沉值，仍將達(dá)到一種平衡，隨著采煤的不斷進(jìn)行，這種隆起下降也不斷變換，越靠近盆地中心的觀測(cè)點(diǎn)下降的越快。

表1 上山方向 坡向與移動(dòng)盆地下沉傾向一致時(shí)各點(diǎn)下沉值 mm

表2 上山方向 坡向與移動(dòng)盆地下沉傾向相反時(shí)各點(diǎn)下沉值 mm

表3 下沉盆地中心各點(diǎn)下沉值 mm

表4 下山方向邊界坡向和移動(dòng)盆地下沉傾向一致 mm

表2為上山方向的山體坡向與移動(dòng)盆地下沉傾向相反的各觀測(cè)點(diǎn)的沉降值，可以看出，此時(shí)山體觀測(cè)點(diǎn)的最大沉降值既不在坡腳也不在坡頂，而是位于坡腳和坡頂之間。

表3為移動(dòng)盆地中心的一山體的沉降觀測(cè)值，由表看可以看出位于移動(dòng)盆地中心的山體的最大位移值仍符合采動(dòng)影響的基本規(guī)律，越靠近移動(dòng)盆地中心，下沉值越大，位于盆地移動(dòng)中心的坡體，由于移動(dòng)盆地中心的下沉數(shù)值相對(duì)較大，坡體上的各點(diǎn)的下沉值大于側(cè)向滑動(dòng)的值，以下沉為主。

圖4 Q39點(diǎn)所在剖面圖上位置

4.2 巖溶對(duì)地表破壞的影響

地下水對(duì)可溶性巖石的溶蝕，在地下形成了各種各樣的巖溶結(jié)構(gòu)，該部分巖體受巖溶影響，巖體自身的破壞程度相對(duì)較強(qiáng)，部分呈碎塊狀，在采煤影響到該巖體時(shí)，由于巖體的破碎以及地下空洞，在下沉的過程中不一定會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的下沉，在某時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)隆起，造成巖移的不連續(xù)性( 見圖4) 。

圖5 Q39點(diǎn)下沉線

由圖2，Q39點(diǎn)處在 T1j4的灰?guī)r和 T2l泥巖分界面附近，T1j4的灰?guī)r有巖溶發(fā)育，T2l底部為綠色的硅質(zhì)泥巖，有直徑2～10 mm園形砂質(zhì)顆粒分布其中放射狀結(jié)構(gòu)，俗稱“綠豆巖”，受煤礦采動(dòng)影響，T2l的泥巖沿盆地的下沉傾斜方向下沉，在下沉的過程中，T1j4的灰?guī)r整體較堅(jiān)硬，剛開始可以抵擋泥巖的壓力，隨著下沉面積的擴(kuò)大，T1j4的灰?guī)r受擠壓的程度越明顯，加上巖溶的作用，形成破碎的巖塊，在不斷受擠壓的過程中，Q39點(diǎn)就呈現(xiàn)下沉隆起不斷變換的現(xiàn)象(見圖5)。

再如Q15、Q16點(diǎn)，剖面圖上處于 T1j1和 T1f7的界線附近，通過對(duì)Q15、Q16點(diǎn)的鉆孔勘察，目前該位置的巖芯較破碎，施工過程中出現(xiàn)卡鉆情況，受采動(dòng)的影響，破碎的巖芯在下沉的過程中相互擠壓，出現(xiàn)某些時(shí)刻地面隆起，某些時(shí)刻地面沉降的情況。(見圖6、圖7、圖8、圖9)

圖6 Q15、Q16點(diǎn)下沉線

圖7 Q15、Q16點(diǎn)在剖面圖上的位置

圖8 SK5鉆孔巖芯照片破碎

4.3 開采速度對(duì)地面沉降的影響

該煤礦原為放炮落煤采煤，現(xiàn)采用高檔普采、綜合機(jī)械化采煤法及放炮落煤相結(jié)合，開采速度大為提高，采空區(qū)面積的增加速度也較以前快，造成地表移動(dòng)影響范圍的增加速度也越來(lái)越快。

圖9 Q16點(diǎn)附近的地面隆起

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)觀測(cè)線的觀測(cè)分析成果，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境背景以及開采情況，得出了軟弱夾層、地形、巖溶、老采空區(qū)、斷層以及開采速度對(duì)地表移動(dòng)的影響，由于這些因素的存在，造成了地表移動(dòng)在某些位置出現(xiàn)突變、不連續(xù)等情況。

傾向觀測(cè)線上最大下沉值為447.1 mm，且與最大水平移動(dòng)值所在的位置基本一致，分布在采空區(qū)的偏下山方向，上山方向的下沉速率大于下山方向。開采后的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在采空區(qū)上方偏下山方向，最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在煤層底板附近;在采空區(qū)的上山方向附近的地表出現(xiàn)壓應(yīng)力，下山方向附近出現(xiàn)拉應(yīng)力。

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