地下采矿引发地面塌陷范围预测研究

地下采矿引发地面塌陷范围预测研究

田宪好

辽宁省第一水文地质工程地质大队有限责任公司 辽宁锦州 121000.

摘要：地下采矿形成采空区，部分采空区未造成地表变形，对环境影响小，部分采空区则形成面塌陷灾害，造成恶劣后果，所以如何准确预测地表移动盆地范围，对周边地质环境、建筑及人员的安全有着十分重要的意义，本文根据新疆某煤矿做为实例，对采空区引发地面塌陷预测范围进行研究。

关键词：地质灾害 地面塌陷 计算模型 预测分析

一、前言

地下矿层开采后，其上部岩层失去支撑，造成地面塌陷，形成凹地，随着采空区不断扩大，凹地不断发展形成凹陷盆地，即地表移动盆地，移动盆地范围要比采空区面积大得多，其位置形状与矿层倾角大小、地层岩性、采空位置有关，本文根据新疆某煤矿做为实例，对采空区引发地面塌陷预测范围进行研究。

二、矿山概况

该 煤矿主采大槽煤与正槽煤两层煤，煤层平均厚度分别为10.12m、2.64m。受倒转向斜构造影响，向倾两侧煤层倾角有较大变化（见图1），原煤矿主要对向斜两翼的大槽煤及正槽煤进行开采，南翼开采深度100m-150m；向斜北翼开采深度为60-100m。开采水平的标高为+1020m、+1070m、+1120m，回风水平标高为+1070m，垂高为50m。矿山勘查阶段在充分收集矿山相关资料基础上，采取瞬变电磁及高密度电法等物探手段，查明了矿区采空区三维空间分布情况。

三、导水裂隙带计算 图1 1-1勘探线地质剖面图

本次采空区对地面变形的影响预测分析的理论基础为《矿区水文地质工程地质勘探规范》 及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》等关于地表移动盆地理论。由于该煤矿的向斜两翼倾角不同，所以选计算公式时需根据实际情况有所区别:

勘查区内的1－1’剖面南侧导水裂隙带的计算公式采用：

式中：Hf—导水裂隙带最大高度（m）

M—煤层厚度

n—煤分层层数

导水裂隙带计算结果

_{勘查区内的1－1’剖面北侧及2－2’、 3－3’剖面}导水裂隙带的计算公式采用：

式中：Hf—导水裂隙带最大高度（m）

_{M—累计采厚；}

_{h—采煤工作面小阶段垂高；}

_{导水裂隙带计算结果}

四、变形范围预测

根据盆地移动理论，对地表变形范围不同地段采取以下公式进行计算：

1、勘查区西侧南翼无土层覆盖采空区顶底板围岩变形宽度可以按以下公式计算：

B=Hf×cosα+Hf×sinα×ctgβ

2、勘查区中部南翼无土层覆盖采空区顶底板围岩变形宽度可以按以下公式计算：

B=Hf×ctgα+Hf×ctgβ

3、勘查区东部南翼土层覆盖采空区顶底板围岩变形宽度可以按以下公式计算：

B=（Hf-h1）×ctgα+h1×ctgΦ+（Hf -h1）×ctgβ+h2×ctgΦ

4、勘查区北翼采空区顶底板围岩变形宽度可以按以下公式计算：

B=2×H3×ctgα+B1

式中：B—采空区顶底板围岩变形地面投影宽度（m）

Hf—导水裂隙带最大高度(m)

α—采空区顶底板围岩移动角（本次取65°）

β—采空区煤层倾角（°）

h1、h2—上覆土层厚度（m）

Φ—土层移动角（本次取45°）

B1—采空区地面投影宽度（m）

H3—北翼采空区最大采深（m）

根 据计算结果，预测向斜北翼可能发生地面变形区的宽度为100m-120m、长度为1500m，为稳定性较差的区域；向斜南翼可能发生地面变形区的宽度为180m-420m、长度为2400m，为稳定性较差的区域，见下图2。

图2 采空区引发地面变形预测范围图

从图中可以看出，绝大部分地段现场调查地表变形区域与预测结果基本吻合，说明该预测方法对该矿山采空区勘查适用性较好，个别区域预测范围略大于实际调查变形范围，一方面原因是采空区变形仍在持续进行中，部分地段地下变形尚未到达地表，所以勘查期间地表未发现变形迹象；另一方面原因是采矿权在勘查前已灭失，后期采矿资料无法收集到，后期采空区的空间分布是通过几条地质剖面与物探剖面进行控制的，未布设剖面地段推测采空区分布范围可能略大于实际采空区分布范围。

五、结论

1、采空区地面塌陷所产生的影响是多方面的，采取科学合理的预测方法是非常重要的。

2、经现场调查，大部分地段地表变形区域与预测结果基本一致，说明该预测方法对该矿山采空区勘查适用性较好。

3、该预测方法在地质灾害评估中可以根据移动角、边界角来划分地质灾害危险性大、中、小区，经多个项目验证，其方法简便、实用性强。

4、每一矿山采空区分布情况千差万别，都各有不同，实际工作中应根据具体情况选择合适的计算模型进行预测分析。

参考文献：

[1] 矿区水文地质工程地质勘探规范

[2] 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程

[3] 来平义 山西建筑 2009年第15期 对煤矿采空区塌陷进行的分析

[4] 宗传攀 基层建设 2017年第10期 综合物探方法在地面塌陷勘察中的应用

[5]地质勘查与地质灾害监测评估防治技术使用手册