采空區(qū)沉陷分析
——清河門(mén)工業(yè)園區(qū)地表穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

毛永濤

（遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110032）

由于世界范圍內(nèi)人口激增，資源總量有限，這就導(dǎo)致了資源危機(jī)日趨嚴(yán)重。人類(lèi)為了自身的生存和社會(huì)的發(fā)展，大量開(kāi)發(fā)和利用地下自然資源，從而形成了大量的地下空區(qū)。由于地下空區(qū)的存在帶來(lái)了一系列的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，如地表沉陷、地下水位下降等。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)開(kāi)采引起的地表沉陷將對(duì)指導(dǎo)“三下”(水體下、建筑物下、鐵路下)開(kāi)采實(shí)踐具有重要作用。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果是十分重要的，對(duì)于偏大的預(yù)測(cè)結(jié)果，將會(huì)導(dǎo)致成本增加，花費(fèi)一些不必要的費(fèi)用，造成浪費(fèi)；而過(guò)于偏小的預(yù)測(cè)結(jié)果，又不安全，將可能導(dǎo)致安全隱患。因此，研究和預(yù)測(cè)地下采空區(qū)引起地表的沉陷，是為地下采空區(qū)的合理開(kāi)挖和治理提供科學(xué)依據(jù)。本文通過(guò)清河門(mén)工業(yè)園區(qū)下采空區(qū)引起其上覆巖層移動(dòng)與變形的研究，并對(duì)其地表穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。

1 清河門(mén)工業(yè)園區(qū)概況

1.1 自然地理概況

清河門(mén)工業(yè)園區(qū)占地面積為1065km2，其中建筑面積364704.28m2。清河門(mén)工業(yè)園區(qū)坐落于遼寧省阜新市西北部，距市中心25.18km，距錦州海港115km。境內(nèi)河流縈繞，風(fēng)光秀麗，孕育著豐富的土地資源、礦產(chǎn)資源和水資源。

1.2 煤層開(kāi)采情況

清河門(mén)煤礦位于阜新煤田西部，行政區(qū)劃為阜新市清河門(mén)區(qū)。井田南北沿走向方向長(zhǎng)約4.1km，東西斜長(zhǎng)達(dá)3.6km，可采面積為13.39km2。該井田主要含煤地層為沙海組，煤的品種以長(zhǎng)焰煤為主，可采煤層為7組13層，累計(jì)可采厚度為23.1m。

位于園區(qū)周邊的采區(qū)有241、243 和343 采區(qū)。已開(kāi)采4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、5-2 層煤，開(kāi)采深度為340～852m，開(kāi)采時(shí)間為2000年至今，其中2009年以來(lái)243、343采區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件見(jiàn)表1。

表1 2009年以來(lái)243、343采區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件一覽表

2 采空區(qū)地表沉陷理論

2.1 巖層的移動(dòng)和變形

當(dāng)煤層開(kāi)采后，其周?chē)鷰r體的原始應(yīng)力狀態(tài)將會(huì)發(fā)生一定變化，在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)力將重新分布達(dá)到新的平衡，在此過(guò)程中巖層將發(fā)生移動(dòng)、變形，致使煤層頂板巖層懸空，將其部分重量傳遞到周?chē)粗苯硬蓜?dòng)的巖體上，從而引起采空區(qū)周?chē)鷰r體的應(yīng)力重新分布，形成增壓區(qū)域和減壓區(qū)域。在采區(qū)邊界煤柱及其上、下方的巖層內(nèi)形成增壓區(qū)，在這個(gè)區(qū)域的煤柱和巖層被壓縮，有的甚至被壓碎、擠向采空區(qū)。

圖1為一采空區(qū)斷面示意圖，ab、cd為煤柱的邊界線(xiàn)，a＇、b＇、c＇、d＇為擠壓后的的煤柱邊界線(xiàn)。由于采空區(qū)的存在，采空區(qū)周?chē)膸r體在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下向采空區(qū)方向移動(dòng)，這就形成增壓區(qū)域和減壓區(qū)域。在增壓區(qū)域，是由于壓力增大的結(jié)果，使煤柱部分被壓碎，煤柱承受荷載的能力減小，于是支撐壓力區(qū)域向遠(yuǎn)離采空區(qū)域方向移動(dòng)。在回采工作面的頂、底板巖層內(nèi)形成減壓區(qū)域，其壓力小于煤層開(kāi)采前的正常壓力。由于減壓的結(jié)果，使巖層向彈性恢復(fù)那樣發(fā)生膨脹，因此在頂板巖層內(nèi)可形成離層。而底板巖層除受減壓影響外，還要受水平方向的壓縮，因此可能出現(xiàn)采空區(qū)底板向上隆起的現(xiàn)象[1-2]。

圖1 采空區(qū)周?chē)鷰r層破壞和移動(dòng)示意圖

2.2 采動(dòng)巖層的三帶

煤炭采出后，在采空區(qū)周?chē)膸r層中發(fā)生了一系列較為復(fù)雜的移動(dòng)和變形過(guò)程。根據(jù)采礦工程的需要，將移動(dòng)穩(wěn)定后的巖層按其破壞程度，大致分為三個(gè)不同的開(kāi)采影響帶，即冒落帶、裂縫帶(或稱(chēng)斷裂帶)、彎曲帶(見(jiàn)圖2)。

圖2 采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動(dòng)分帶示意圖

2.3 地表移動(dòng)盆地的形成

地表移動(dòng)盆地是指在開(kāi)采工作面向前推進(jìn)過(guò)程中逐漸形成的。一般是當(dāng)回采工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始向前推進(jìn)的距離為0.25H～0.5H（H為平均采深），開(kāi)采影響范圍就會(huì)波及到地表，引起地表沉降。然后，隨著開(kāi)采工作面繼續(xù)推進(jìn)，地表影響范圍不斷增大，下沉值也不斷增大，在地表上就形成一個(gè)比開(kāi)采范圍大的地表下沉盆地。

地表下沉盆地是隨工作面推進(jìn)逐漸形成的(見(jiàn)圖3)。當(dāng)工作面由開(kāi)切眼推進(jìn)到位置1時(shí)，在地表形成一個(gè)小盆地W1，小盆地W1 是一個(gè)動(dòng)態(tài)盆地，當(dāng)工作面不再向前推進(jìn)，盆地W1 逐漸穩(wěn)定，形成靜態(tài)盆地。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)到位置2時(shí)，在移動(dòng)盆地的W1范圍內(nèi)，地表繼續(xù)下沉，靜態(tài)盆地再次發(fā)生變形成為動(dòng)態(tài)盆地。同時(shí)在工作面前方原來(lái)尚未移動(dòng)地區(qū)的地表點(diǎn)，先后進(jìn)入移動(dòng)，從而使移動(dòng)盆地W1 擴(kuò)大而形成移動(dòng)盆地W2。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)相繼逐漸形成地表移動(dòng)盆地W3、W4[4]。

圖3 地表移動(dòng)盆地的形成過(guò)程示意圖

3 地表沉陷計(jì)算與穩(wěn)定性分析

3.1 地表沉陷值計(jì)算

假定s>0的煤層已全厚采出、s<0的煤層全都沒(méi)有開(kāi)采。這種情況稱(chēng)為半無(wú)限開(kāi)采，推導(dǎo)在上述地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)變形的預(yù)計(jì)公式。

若在圖4中只開(kāi)采單元厚度的煤層，橫坐標(biāo)為x的地表點(diǎn)的下沉值Wu(x)為s=0～+∞范圍內(nèi)各單元的開(kāi)采引起下沉值的總和。

由圖4可知，若開(kāi)采單元的橫坐標(biāo)為s，地面任一點(diǎn)A的橫坐標(biāo)為x，則此單元開(kāi)采引起A點(diǎn)的下沉值為We(x-s)，即以(x-s)值代替x值用公式（1）：

圖4 半無(wú)限開(kāi)采地表變形計(jì)算公式推導(dǎo)示意圖

求出的單元開(kāi)采引起的下沉值。整個(gè)半無(wú)限的單位厚度開(kāi)采引起A點(diǎn)下沉Wu(x)為：

由(式1)、(式2)推導(dǎo)出下沉值Wu(x)的計(jì)算公式為：

對(duì)橫坐標(biāo)為x的地表任一點(diǎn)P來(lái)說(shuō)，下沉值W(x)應(yīng)為單元厚度開(kāi)采引起的該點(diǎn)下沉值Wu(x)的倍，若令：

式中：m——開(kāi)采深度；

q——下沉系數(shù)；

α——煤層傾角。

則有：

應(yīng)用概率積分函數(shù)ref，上式可寫(xiě)成：

式中：

地表傾斜值計(jì)算。沿地表x軸方向的地表傾斜i(x)是地表下沉W(x)的一階導(dǎo)數(shù)，其計(jì)算公式為：

利用變限積分求導(dǎo)公式，上式可化為：

地表曲率值。沿地表x軸方向的地表曲率是對(duì)i(x)的一階導(dǎo)數(shù)，其計(jì)算公式為：

地表水平移動(dòng)值計(jì)算。地表任一點(diǎn)沿x軸方向的水平移動(dòng)用U(x)表示，其計(jì)算公式為：

對(duì)于地表來(lái)說(shuō)，z等于礦產(chǎn)的開(kāi)采深度H，B(z)為常數(shù)，并可令它等于B將上式積分簡(jiǎn)化令b=則可化為：

進(jìn)而得到傾斜與水平移動(dòng)的關(guān)系U(x)=bri(x)。

地表水平變形值計(jì)算。地表沿x軸方向的水平變形ε(x)是U(x)對(duì)x的一階導(dǎo)數(shù)，其計(jì)算公式為：

3.2 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的確定

根據(jù)礦務(wù)局“三下”采煤及建筑物保護(hù)暫行規(guī)程取巖層移動(dòng)角為：

走向移動(dòng)角：δ=72°

上山移動(dòng)角：γ=76°

下山移動(dòng)角：β=73°(α<9°)

β=79.6-0.7α(10°≤α<31°)

根據(jù)巖層移動(dòng)角得到清河門(mén)立井地表移動(dòng)范圍?？梢钥闯銮搴娱T(mén)工業(yè)園區(qū)位于沉陷區(qū)范圍內(nèi)。清河門(mén)立井所有工作面開(kāi)采深度均大于300m，地表集中移動(dòng)期均為3.5年。

3.3 清河門(mén)區(qū)工業(yè)園區(qū)地表剩余和殘余移動(dòng)與變形

地表剩余移動(dòng)與變形是指在地表集中移動(dòng)延續(xù)總時(shí)間內(nèi)，某一時(shí)刻至地表移動(dòng)衰退期結(jié)束這一期間地表所產(chǎn)生的移動(dòng)與變形；地表殘余變形是指地表集中移動(dòng)延續(xù)總時(shí)間之后，地表在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的移動(dòng)與變形。地表沉陷處于動(dòng)態(tài)過(guò)程當(dāng)中，地表剩余移動(dòng)與變形的計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，至今尚沒(méi)有完善的計(jì)算方法。理論上，地表剩余移動(dòng)與變形值，可以用地表最終移動(dòng)與變形值減去已發(fā)生的地表移動(dòng)與變形值的方法得出。地表最終移動(dòng)與變形值可通過(guò)概率積分法進(jìn)行計(jì)算，但地表已產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)移動(dòng)與變形值的計(jì)算卻很困難。也有學(xué)者針對(duì)地表所處的不同移動(dòng)期階段，確定相應(yīng)的地表動(dòng)態(tài)下沉系數(shù)的方法，采用概率積分法進(jìn)行計(jì)算，但地表動(dòng)態(tài)下沉系數(shù)的選取卻十分困難。

根據(jù)礦山開(kāi)采沉陷理論，地表移動(dòng)期已經(jīng)結(jié)束，僅意味著未來(lái)連續(xù)180d 內(nèi)地表下沉的累計(jì)值小于等于30mm，并不意味著地表移動(dòng)過(guò)程的完全結(jié)束。實(shí)踐證明，地表沉降移動(dòng)期結(jié)束后，在相很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍有一定的地表殘余變形存在[6-7]。

針對(duì)清河門(mén)區(qū)工業(yè)園區(qū)地下煤層開(kāi)采情況和地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間規(guī)律，確定地表剩余和殘余移動(dòng)與變形計(jì)算時(shí)的概率積分法參數(shù)見(jiàn)表2和表3，二者總的移動(dòng)與變形計(jì)算時(shí)的概率積分法參數(shù)見(jiàn)表4。

表2 地表剩余移動(dòng)與變形計(jì)算概率積分法參數(shù)表

表3 地表殘余移動(dòng)與變形計(jì)算概率積分法參數(shù)表

表4 地表殘余移動(dòng)與變形計(jì)算概率積分法參數(shù)表

采用概率積分法及所選取的參數(shù)，計(jì)算得出243和343 兩個(gè)采區(qū)開(kāi)采后評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計(jì)最大移動(dòng)與變形值見(jiàn)表5，計(jì)算得出截至2011 年底之前開(kāi)采后評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計(jì)最大移動(dòng)與變形值見(jiàn)表6。

表5 全部開(kāi)采后評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計(jì)移動(dòng)與變形最大值一覽表

表6 2011年底之前開(kāi)采后評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)地表剩余和殘余累計(jì)移動(dòng)與變形最大值一覽表

4 地表沉陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)采空區(qū)地表移動(dòng)與變形的計(jì)算結(jié)果，對(duì)清河門(mén)工業(yè)園區(qū)地表穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析如下：

（1）受目前正在開(kāi)采的343 采區(qū)工作面和之前開(kāi)采已形成的采空區(qū)影響，評(píng)價(jià)區(qū)域剩余和殘余累計(jì)地表最大下沉613mm，最大傾斜變形為2.1mm/m，最大水平變形為-1.9～+1.0mm/m，最大曲率變形為（-0.02～+0.01）×10-3/m。

（2）受未來(lái)243 采區(qū)的3-3 層北2 路、3-3 層北1 路、3-5 層北2 路這3 個(gè)工作面開(kāi)采影響，評(píng)價(jià)區(qū)域剩余和殘余累計(jì)地表移動(dòng)與變形值將加大，地表最大下沉1222mm，最大傾斜變形為3.5mm/m，最大水平變形為-2.3～+1.3mm/m，最大曲率變形為（-0.02～+0.01）×10-3/m。地表最大變形值均達(dá)到建筑物Ⅱ級(jí)損壞等級(jí)的變形指標(biāo)。

（3）評(píng)價(jià)區(qū)域25.3%位于清河門(mén)煤礦采煤沉陷區(qū)范圍內(nèi)。累計(jì)最大下沉達(dá)1761mm，最大傾斜變形為5.12mm/m，最大水平變形為-2.57～+2.57mm/m，最大曲率變形為（-0.15～+0.15）×10-3/m。