浅议煤矿开采引起地表沉陷预测

浅议煤矿开采引起地表沉陷预测

摘要：煤矿开采过程中及开采后会导致地面沉陷，我们可以采用概率积分法和极值情况预测两种方法进行煤层开采沉陷计算，得出地表移动变形最大值。通过对计算结果分析得出开采后沉陷在保护煤柱外侧较小，内侧呈逐渐增大趋势。通过沉陷预测可以有效减少地质灾害的发生，为土地复垦及地表沉陷防治措施提供依据，对以后煤层开采具有参考价值。

关键词：煤矿开采地表沉陷预测

当今随着我国经济的快速发展，能源和电力的需求也迅猛增长。煤矿开采后会破坏岩体内部原有的力学平衡，导致上覆岩层和地表发生移动和变形，随着开采的推进将扩散到地表，导致地面发生沉陷，破坏现有土地资源并给周边建（构）筑物带来直接或间接危害。因此，合理预测沉降范围和最大沉降量对减少次生地质灾害和保护建（构）筑物等具有重要意义。

1 煤矿开采实例

某井田主要含煤地层为1组、2组，1组可采煤层4层，编号为2、3、4、5号煤层，煤层总厚度为1.20m—5.40m，平均值3.20m，1组地层平均厚度为58.35m，含煤系数5.2％；2组可采煤层5层，编号6、7、8、9、10号煤层，煤层总厚度4.50m—8.00m，平均值6.23m，2组地层平均厚度90.23m，含煤系数为6.3％。煤层老顶为组砂岩，以石英、长岩为主，厚度为10.34m；直接顶为砂质泥岩，厚度为2.6m；伪顶为泥岩，厚度0.15m；直接底为砂质泥岩。

矿井采用两斜井一立井开拓方式，由井田中部大巷逐层下行开采。设计采用走向长壁一次全高采煤方法，采用全部跨落法管理顶板。文章通过概率积分法和极值法对地表沉陷值进行了比较。

2 基于概率积分法的沉陷预测

2.1概率积分法

把岩层看作大量松散的颗粒体介质组成，由随机介质理论将岩层移动看作服从统计规律的随机过程。根据统计理论可知整个开采对岩层及地表的影响等于各单元开采对地表影响之和。整个开采引起的下沉剖面方程可表示为概率密度函数的积分方程。

2.2地表沉陷的预测方法及模式

根据概率积分法预测井田范围内地表移动、变形的过程和范围，据体计算公式如下：

2.3参数选取

按覆岩性质并结合附近煤矿现生产矿的实测经验，综合考虑各因素后得出相关参数值。

2.4预测结果

根据矿山开采沉陷理论并借用计算机计算程序，绘制得出了煤层开采后的地表移动变形等值线图（图1）。根据图形可得出煤层开采后的具体影响半径，此例中为60m，最大沉陷位置是井田内距井田边约125m，最大沉陷值为4.05m。由计算机模拟得出的图形可得出，开采后沉陷在保护煤柱外侧较小，从内侧向中心逐渐增大，在距边界125m处趋于稳定，呈盆状展布。

图1 煤层开采沉陷预测等值线图

3 按极值情况预测

3.1预测模式

开采煤矿地表移动及变形最大值和位置预测模式：

最大下沉值：Wcm=M•q•cosα（mm） M为煤层开采厚度（mm）α为煤层倾角（°） q为下沉系数

最大倾斜值：icm= Wcm／r ²(mm•m－1) r为主要影响半径（m）

最大曲率值：Kcm=1.52 Wcm／r ²(×10－3•m－1)

最大水平移动值：Ucm=b•Wcm（mm）b为水平移动系数

最大水平变形值：εcm=1.52•b•Wcm／r(mm•m－1)

其中，q、b、r相关参数由下式具体确定：

①下沉系数的确定：q=0.5×（0.9+P） P＝∑mimi／∑mi

式中，mi为覆岩i分层的法线厚度（m）；mi为覆岩i分层的岩石评价系数；P为覆岩综合评价系数。

②水平移动系数的确定：b=bc×（1+0.086α） α为煤层倾角（°）；bc =0.3。

③影响半径的确定：r=H／tanβH为开采边界处的深度（m）；tanβ=1.92—2.40。

3.2预测结果

根据上述各参数，由于煤层产状变化不大，其沉陷系数变化较小，按极值计算方法确定各开采煤层在各开采盘区的地表下沉、移动与变形值的大小。

需要说明的是，井田内各煤层组开采的时间间隔较长，各煤层组开采产生的倾斜变形、曲率、水平移动和水平变形值一般情况下不会在同一时间内叠加，沉陷值是随着时间的延续而叠加的。因此在沉陷评价过程中不仅只考虑各煤层单独产生的影响。 同时还考虑各煤层组开采产生的倾斜变形、曲率、水平移动和水平变形值的叠加影响。全井田煤层开采后的地表移动变形是考虑各煤层组开采产生的沉陷值叠加影响的。

3.3地表沉陷影响范围预测结果

地表沉陷的影响范围受煤层厚度、上覆岩层的厚度、岩性、移动角和边界角等因素的影响。根据本井田的地质特征及开采条件，结合国内同类矿井的经验参数，本矿井煤层开采引起的地表沉陷影响范围预测结果为80m—100m。

3.4地表移动延续时间和最大下沉速度预测

①地表移动延续时间：T=t1+t2+t3

其中，t1为移动初始期的时间；t2为移动活跃期的时间；t3为移动衰退期的时间。

在无实测资料的情况下, 地表移动的延续时间（T）可根据下式计算：

T=2.5H（d）其中，H 为工作面平均采深（m）。

根据上述公式， 通过综合计算求得煤层开采后地表移动延续的时间随煤层的埋深和岩层特性及开采工艺而不同，本井田各煤层开采后其地表移动延续的时间因埋深差异大而变幅范围也大，土地复垦将随着煤层开采活动一直延续，煤矿的服务年限为40.9a，井田后期煤层埋藏仍然较深，采煤沉陷区地表变形持续时间将为2.05a。

②地表最大下沉速度V0=K•Wcm•C／H

式V0中为下沉速度（mm•d﹣1）；K为系数；Wcm为最大下沉值（mm）；C为工作面推进速度（m•d﹣1）；H为平均开采深度（m）。

通过计算，井田煤层开采后地表下沉速度范围为5.9—60.4 mm•d﹣1。绘制地表移动变形极值表得出最大下沉值为4.17m。

煤开采地表移动变形极值表

序号 指标 单位 极值

1 W mm 4172

2 Ux mm 1400，—1378

3 Uy mm 1320，—1056

4 Ix mm•m－1 51,27，—47.98

5 Iy mm•m－1 49.5，—37.1

6 εx mm•m－1 22.12，—21.21

7 εy mm•m－1 20.6, —21.1

8 Kx 10－3•m－1 0.856，—0.808

9 Ky 10－3•m－1 0.762，—0.819

4 地表沉陷对地表的影响

根据预测值和地表最大移动变形值和建筑物的破坏等级应留设保护煤柱。保护煤柱范围通过影响半径和垂直剖面法确定。地表移动很容易产生沉陷盆地、裂缝，影响和破坏土地资源，一些沉陷盆地甚至导致庄稼、植被不能正常生长。由于地表沉陷导致乡村道路出现凹凸不平和裂缝，影响交通。个别地方会对输电线路造成影响，主要是导致输电线塔下沉或倾斜，影响线路驰度及对地高度，严重时造成输电线路中断。

5 小结

煤层开采引起地表沉陷可通过沉陷量、水平位移、倾斜、曲率等参数表示出来，采用概率积分法和极值方法得出的最终沉陷值基本一样。通过计算表明，煤层开采引起的地表沉陷影响范围可波及至井田边界，不局限于保护煤柱范围内，而且还具有滞后现象。通过对煤层开采沉陷预测可以有效减少由此带来的地质灾害，为土地复垦提供了依据，而且也为后续煤层的开采提供了参考。

参考资料：

［1］毕德纯.煤矿开采技术［M］.中国矿业大学出版社.2009.5

［2］于远祥.开采沉陷的地表移动规律初探［J］.西安科技大学学报.2007.27

［3］何国清.矿山开采沉陷学［M］.中国矿业大学出版社.1991.1

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。