霍爾辛赫煤礦地表變形異常原因分析

許延春，曹光明，潘海兵，常晉雷，杜明澤，胡小龍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600)

霍爾辛赫煤礦地表變形異常原因分析

許延春1，曹光明1，潘海兵2，常晉雷2，杜明澤1，胡小龍1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600)

針對霍爾辛赫煤礦地表變形異常的問題，考慮松散層厚度、采礦地質(zhì)條件、新生界地層性質(zhì)以及基巖頂界面隆起等因素，采用現(xiàn)場調(diào)研和理論分析等方法對西王內(nèi)和鮑莊村沉陷區(qū)特征及造成地表變形異常的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：西王內(nèi)和鮑莊村耕地出現(xiàn)塌陷坑，伴隨裂縫最大寬度達(dá)100mm以上，民房損壞多集中在Ⅰ、Ⅱ級；西王內(nèi)和鮑莊村周邊松散層實(shí)際厚度整體大于留設(shè)保安煤柱時的參考值，高強(qiáng)度開采(大采高和綜放)、局部煤層傾角大等因素引起地表移動劇烈、沉陷范圍向下山方向偏移，厚松散層深部土體、濕陷性黃土表現(xiàn)出來的固結(jié)壓縮、表土變形等工程性質(zhì)的差異，基巖隆起引起松散層內(nèi)部變形等因素的綜合作用，是引起地表變形異常的主要原因。

地表變形；厚松散層；高強(qiáng)度開采

地表移動變形規(guī)律的認(rèn)識和計算參數(shù)的獲得是建(構(gòu))筑物保護(hù)煤柱留設(shè)的依據(jù)，同時也是建(構(gòu))筑物下壓煤開采的技術(shù)基礎(chǔ)[1-3]。通過工作面開采后地表移動變形實(shí)測，可以獲得本礦區(qū)地表移動變形的角量參數(shù)和移動變形預(yù)計的參數(shù)，對礦區(qū)煤炭開采造成的地表移動變形預(yù)計具有重要的指導(dǎo)意義。

霍爾辛赫煤礦在煤炭開采過程中，采用工程類比法，參考《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》(簡稱《“三下”采煤規(guī)程》)中潞安礦區(qū)常規(guī)地表移動參數(shù)預(yù)計地表移動變形，在留設(shè)足夠的村莊保護(hù)煤柱情況下，地表實(shí)際移動變形大于預(yù)計值，導(dǎo)致村莊部分民房損壞以及工農(nóng)糾紛。實(shí)際上，《“三下”采煤規(guī)程》中地表移動參數(shù)多是在埋深小于400 m，單層采高小于3 m的情況下獲得的，因此，對于日益普及的高強(qiáng)度開采(大采高和綜放)已經(jīng)不能完全適用。因此，本文針對霍爾辛赫煤礦的實(shí)際情況，考慮松散層厚度、采礦地質(zhì)條件、新生界地層性質(zhì)以及基巖頂界面隆起等因素，綜合分析霍爾辛赫煤礦地表變形異常的原因，并提出合理的防治對策，以期為類似礦井地表沉陷預(yù)計提供理論基礎(chǔ)與應(yīng)用參考。

1 礦區(qū)概況與沉陷區(qū)特征

霍爾辛赫煤礦位于沁水煤田中部，隸屬山西省長治市長子縣。該礦設(shè)計開采3號煤層，生產(chǎn)能力3Mt/a，服務(wù)年限為60.3a，為高瓦斯礦井。首采的二盤區(qū)開采標(biāo)高為+400～+500m，埋藏深度為440～520m，平均厚度為5.65m。采用走向(傾斜)長壁采煤方法，全部垮落法管理頂板，綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高或大采高回采工藝。

西王內(nèi)村村北為二盤區(qū)3201工作面，形成的采空區(qū)距西王內(nèi)村北邊線水平距離為389.5～421.2m；村西為3203，3205工作面，形成的采空區(qū)距西王內(nèi)村西邊線水平距離204.7～231.3m；村南為3207工作面，形成的采空區(qū)距西王內(nèi)村南邊線水平距離204.3～205.0m；村東尚未布置工作面。其中，3201，3203，3205工作面采用綜放開采，3207工作面采用大采高開采。鮑莊村南部為三盤區(qū)3302工作面，東部為二盤區(qū)3206工作面，村北及村西尚未布置工作面。設(shè)計留設(shè)保安煤柱在鮑莊村南側(cè)為261.9～340.6m；在鮑莊村東側(cè)為293.6～297.8m。西王內(nèi)和鮑莊村與鄰近工作面分布的相對位置如圖1所示。

圖1 西王內(nèi)、鮑莊村與鄰近工作面相對位置

2012年春季，西王內(nèi)村西260 m處開始出現(xiàn)塌陷坑，同時伴生多條裂縫，伴生裂縫呈近南北走向，最寬達(dá)150mm，造成當(dāng)年耕地糧食作物及大棚蔬菜減產(chǎn)，2012年6月伴生裂縫開始影響村最西側(cè)民房，之后影響范圍逐步向村東發(fā)展。2012年12月鮑莊村東耕地開始出現(xiàn)塌陷坑，同時伴生多條裂縫，裂縫最大可見寬度達(dá)130mm左右，造成當(dāng)年耕地糧食作物及大棚蔬菜減產(chǎn)，之后開始影響村民住宅，影響范圍不規(guī)則。

對西王內(nèi)和鮑莊村進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西王內(nèi)村村西村民住宅裂縫發(fā)展方向主要為近南北，村南村民住宅裂縫發(fā)展方向主要為近東西方向，村北發(fā)育裂縫沒有規(guī)律可循。鮑莊村多數(shù)村民住宅裂縫出現(xiàn)在2013年，2015年為盛發(fā)期，發(fā)展方向主要為近東西向。按照《“三下”采煤規(guī)程》磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級標(biāo)準(zhǔn)對民房損壞情況進(jìn)行分級發(fā)現(xiàn)，大多民房損壞集中在Ⅰ、Ⅱ級。

2 地表變形異常原因分析

霍爾辛赫煤礦在計算村莊保安煤柱時采用工程類比法，參考潞安五陽7305采區(qū)地表移動實(shí)測參數(shù)進(jìn)行預(yù)計，與霍爾辛赫礦區(qū)實(shí)際的參數(shù)有一定的差異。本文從松散層厚度、采礦地質(zhì)條件、新生界地層性質(zhì)以及基巖頂界面坡度變化等主要因素，分析霍爾辛赫地表變形異常的原因。

2.1 松散層厚度

為確定西王內(nèi)和鮑莊村周邊松散層的實(shí)際厚度，在3207，3205，3203，3201工作面停采線上靠近西王內(nèi)村補(bǔ)打4個勘探孔，編號分別為J1，J2，J3和2711；在3206，3302工作面靠近鮑莊村一側(cè)的邊線上選取有代表性的位置補(bǔ)打4個勘探孔，編號分別為T1，T2，T3，T4。西王內(nèi)、鮑莊村周邊鉆孔勘察結(jié)果分別見表1、表2。

表1 西王內(nèi)村周邊工作面鉆孔情況

表2 鮑莊村村周邊工作面鉆孔情況

西王內(nèi)村在留設(shè)保安煤柱時松散層厚度參考值取68m，鮑莊村留設(shè)保安煤柱松散層厚度參考值取158m。實(shí)際的鉆孔資料揭示，松散層實(shí)際厚度遠(yuǎn)比留設(shè)煤柱時選取的厚度大。由計算保安煤柱計算公式(1)可知，留設(shè)的保安煤柱偏小。

H=h+h1/tanφ+h2/tanγ

(1)

式中，H為保安煤柱寬度，m；h為圍護(hù)帶寬度，m；h1為松散層厚度，m；φ為松散層移動角，(°)；h2為基巖厚度，m；γ為基巖移動角，(°)。

2.2 采礦地質(zhì)條件

2.2.1 一次采出厚度大

霍爾辛赫煤礦采用綜合機(jī)械化放頂煤(或大采高)的采煤工藝，平均采放厚度5.6m，采深440～520 m，具有開采厚度大，埋深較大的特點(diǎn)。因此，規(guī)程中的預(yù)計參數(shù)對霍爾辛赫煤礦并不完全適用。

已有的研究表明[4]，綜放開采的地表移動變形較分層開采劇烈，移動周期短，對地面建構(gòu)筑物的采動損害也將比分層開采大。同時，地表移動特征是由地層內(nèi)部巖層的破壞規(guī)律決定的[5]。近年來隨著高強(qiáng)度(綜放和大采高)開采逐漸普及，大量的現(xiàn)場實(shí)測表明，高強(qiáng)度開采使得覆巖破壞兩帶的高度增大，引起的巖層破壞更加劇烈。高強(qiáng)度開采(綜放或大采高)覆巖破壞發(fā)育高度大，與淺部薄煤層及中厚煤層分層開采相比有較大差異，在進(jìn)行地表沉陷預(yù)計時，其巖層移動角等參數(shù)必然會有所變化，尤其是厚松散層深部開采，其地表沉陷出現(xiàn)了新的特征。霍爾辛赫煤礦采用工程類比法，顯然已經(jīng)不能完全適用，造成保安煤柱留設(shè)偏小。

2.2.2 局部煤層傾角增大

煤層傾角的變化會影響到地表下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、開采影響傳播角θ0、水平移動系數(shù)b、拐點(diǎn)偏移距s等地表移動參數(shù)的變化。通常情況下，煤層傾角較大時，地表下沉盆地會向下山方向擴(kuò)展[6]。圖2為地表下沉拐點(diǎn)偏移距示意圖。運(yùn)用概率積分法進(jìn)行半無限開采地表下沉盆地主斷面移動變形預(yù)計時，緩傾斜煤層(α<15°)和傾斜煤層(α>15°)在計算公式的選取上有所差異，當(dāng)煤層傾角α>15°時，一般將相應(yīng)工作面轉(zhuǎn)換為一等價工作面計算。

α—煤層傾角，(°)；θ0—開采影響傳播角，(°)；H1—下山邊界采深，m；H2—上山邊界采深，m；L—實(shí)際開采邊界長度，m；l—傾斜計算開采邊界長度，m；S下，S上—下山和上山方向的拐點(diǎn)偏移距，m圖2 拐點(diǎn)偏移距示意

霍爾辛赫煤礦3206工作面煤層傾角相對較大，煤層傾角大于15°，距離鮑莊較近，因此，在用概率積分法計算時應(yīng)按傾斜煤層(α>15°)考慮，地表下沉盆地向鮑莊方向擴(kuò)展。在留設(shè)保安煤柱時，并未考慮煤層傾角的影響，導(dǎo)致留設(shè)保安煤柱偏小。圖3為3206工作面底板等高線圖。

圖3 3206工作面底板等高線

2.3 新生界地層性質(zhì)

2.3.1 厚松散層土體的工程性質(zhì)

霍爾辛赫煤礦具有開采厚度大，松散層厚度變化較大(50～200 m)，潛水位高、黃土具有濕陷性等采礦地質(zhì)條件的特點(diǎn)。多年的研究表明，松散層厚度大，深部土體和淺部土層的工程性質(zhì)明顯不同，隨著埋深的增大，深部黏土表現(xiàn)出不同的固結(jié)狀態(tài)。

目前對東部地區(qū)深部土體的研究相對成熟。東部地區(qū)黏土整體隨著埋深的增大，狀態(tài)趨于半固結(jié)，流動性變差[7-9]。且多年現(xiàn)場實(shí)踐表明，多個華北厚松散層礦區(qū)地表下沉系數(shù)大于1，究其原因，除煤層開采外，與采動導(dǎo)致含水層疏降從而引起上覆土層固結(jié)壓縮密不可分?；魻栃梁彰旱V為帶壓開采，松散層厚度變化大，其松散層的疏水固結(jié)、變形壓縮等工程性質(zhì)需要具體研究。但通常情況下厚松散層疏水沉降會對地表沉陷產(chǎn)生一定的影響，因此，在進(jìn)行地表沉陷預(yù)計時，除要考慮深部土體的基本工程性質(zhì)外，還要考慮“黏-巖”協(xié)同變形特征，為精確預(yù)測地表移動提供理論基礎(chǔ)。

2.3.2 濕陷性黃土變形特征

霍爾辛赫煤礦除松散層厚度變化大以外，其地表多為第四系黃土所覆蓋，黃土具有濕陷性，對地表移動變形產(chǎn)生影響。在西部地區(qū)，濕陷性黃土分布面積較廣，隨著這些礦區(qū)的大規(guī)模開發(fā)將產(chǎn)生不同類型和不同程度的開采地表沉陷損害，在厚濕陷性黃土覆蓋層條件下進(jìn)行開采，地表沉陷損害具有特殊性。由于黃土的抗拉伸變形能力很小，結(jié)構(gòu)疏松，多空隙，垂直節(jié)理發(fā)育，開采作用極易破壞濕陷性黃土層的結(jié)構(gòu)，引起了地表非連續(xù)性移動變形，如地表裂縫、臺階、塌陷坑等損害形式[10-11]。

目前濕陷性黃土下采礦引起地表變形的文獻(xiàn)相對較少，而且多集中在開采深度不大、薄基巖的情況下，而對于霍爾辛赫煤礦大埋深、基巖厚度變化大的類似情況，濕陷性黃土對地表移動的影響還不明確。因此，在研究濕陷性黃土的基本物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，還需研究采動影響下濕陷性黃土隨地表下沉的變形特征。

2.4 基巖頂界面坡度變化

一般來說，在預(yù)計地表沉陷時，通常按照松散地層與基巖面界面呈近水平接觸考慮。而實(shí)際上，基巖面坡度的大小與范圍對煤層開采引起上覆巖層變化和地表變形有重要的影響，特別是近年來，由于基巖面隆起而發(fā)生的災(zāi)害愈發(fā)愈多。趙固一礦11071工作面以及大屯礦區(qū)徐莊礦7172工作面都因基巖面局部隆起與松散含水層形成的“楔形”區(qū)域，從而引起突水潰沙災(zāi)害[12]。因此，基巖頂界面的坡度變化對松散層內(nèi)部變形、水砂運(yùn)移會產(chǎn)生一定的影響，從而引起地表下沉差異。

通過在西王內(nèi)和鮑莊村附近工作面的鉆孔資料可知，霍爾辛赫煤礦二、三盤區(qū)松散層厚度變化較大，松散層厚度在50～200m范圍變化，因此，相應(yīng)的基巖面起伏也較大。圖4為二盤區(qū)西王內(nèi)村周邊基巖剖面圖。在計算村莊保安煤柱時，除要根據(jù)村莊附近工作面的鉆孔，確定松散層和基巖厚度外，還要分析該區(qū)域基巖頂界面與松散層底界面相接觸的坡度面。同時，根據(jù)基巖坡度的特點(diǎn)，研究覆巖破壞引起松散層內(nèi)部變形的特征，為預(yù)計地表變形特征提供參數(shù)依據(jù)。

圖4 二盤區(qū)西王內(nèi)村周邊基巖剖面

3 結(jié) 論

(1)通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西王內(nèi)和鮑莊村耕地出現(xiàn)塌陷坑，伴隨裂縫最大寬度達(dá)100mm以上，民房損壞多集中在Ⅰ、Ⅱ級。

(2)分析了霍爾辛赫礦區(qū)地表變形異常的原因，松散層實(shí)際厚度大，高強(qiáng)度開采(大采高和綜放)、局部煤層傾角大等因素引起地表移動劇烈、沉陷范圍向下山方向偏移，厚松散層深部土體、濕陷性黃土表現(xiàn)出來的固結(jié)壓縮、表土變形等工程性質(zhì)的差異，基巖隆起引起松散層內(nèi)部變形等因素的綜合作用，是引起地表變形異常的主要原因。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

上半年全國進(jìn)口煤炭13.32Mt同比增長23.5%

據(jù)海關(guān)總署數(shù)據(jù)顯示，6月份，我國進(jìn)口煤炭21.6Mt，環(huán)比減少590kt、下降2.66%。1～6月份，我國進(jìn)口煤炭13.326Mt，同比上升23.5%。

6月份，我國出口煤炭730kt，同比減少70kt、下降10.61%，環(huán)比減少580kt、下降44.27%；煤炭出口值為14179.6萬美元，同比增長162.86%，環(huán)比下降38.26%；由此可推算煤炭出口單價為194.24美元/t，環(huán)比上漲18.91美元/t，同比上漲112.51美元/t。

1～6月份，我國共出口煤炭5.38Mt，同比增長15.1%；總金額為74149.9萬美元，同比增長108.9%。

6月份，我國出口焦炭及半焦炭700kt，環(huán)比增加50kt，同比下降7.9%。1～6月份，我國累計出口焦炭及半焦炭4.10Mt，同比下降13.7%。

摘自：《煤炭信息》周刊2017.7.20

Analysis of Abnormal Reasons of Surface Deformation of Huoerxinhe Coal Mine

XU Yan-chun1，CAO Guang-ming1，PAN Hai-bing2,CHANG Jin-lei2,DU Ming-ze1,HU Xiao-long1

(1.Resources and Safety Engineering School，China University of Mining Technology(Beijing)，100083，China； 2.Shanxi Huoerxinhe Coal Industry Co.，Ltd.，Changzhi 046600，China)

To abnormal deformation of surface of Huoerxinhe coal mine，then some factors were considered，such as unconsolidated layers thickness，mining geological condition，Cenozoic erathem stratum property and interface upheaval of base rock roof and so on，the reasons of surface abnormal deformation of subsidence area in Xiwangnei and Baozhuang village were analyzed by field investigation and theoretical analysis.The results showed that collapse pits appeared in cultivated land of Xiwangnei and Baozhuang village，the largest crack width reached more than 100 mm，the damage level of houses were about level Ⅰ、Ⅱ，the unconsolidated layers thickness around Xiwangnei and Baozhuang village total more than reference value of coal pillar set，high intensity mining(high mining height and fully mechanized top coal mining )，larger coal seam incline angle partly were the main factors that induced intensity surface movement，subsidence scope skewing along downhill direction，and some different engineering properties as solidification and compress，surface soil deformation of thick consolidated layers and deeply soil and collapsible loess，inner part deformation of unconsolidated layers that caused by basement rock upheaval were the main reasons that caused surface deformation.

surface deformation；thick unconsolidated layers；high intensity mining

2017-04-19

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.016

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)資助項(xiàng)目(2013CB227903)；國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1361209)

許延春(1963-)，男，河北唐山人，研究員，博士生導(dǎo)師，從事特殊采煤的研究與教學(xué)工作。

許延春，曹光明，潘海兵，等.霍爾辛赫煤礦地表變形異常原因分析[J].煤礦開采，2017，22(4)：61-64.

TD325

A

1006-6225(2017)04-0061-04