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1.研究区地表变形现状研究
区从投入生产开始,矿井采空区面积达0.60km2,其中采空区4号煤层埋深约为400—500m,采空区连续面积不大,在该区地表并未发现地面塌陷、地裂缝等剧烈地面变形迹象。目前来看,该区地表变形(地面裂缝、塌陷)程度较轻,导致地质灾害危险性较小。
2.研究区地表变形灾害分析
根据以往开采经验,当煤层开采深度与开采厚度比值<30时,开采一定面积的煤后,会引起岩层变形并传播到地表,在一定时间段内,地表会发生不连续变形。地表变形越剧烈,采空区上方就会形成比较大的裂缝或塌陷坑;当开采深度与开采厚度比值在30—100之间,地层中也未出现较大地质破坏时,煤采出后会引起岩层移动并传播到地表,从而导致地表发生一定程度的连续变形(即地裂缝或塌陷坑)。当上组煤层采出后,将会引起岩层移动,并传播到地表,局部地段地表变形剧烈,采空区上方会形成较大的地表变形(裂缝或塌陷坑)。综合来看,上组煤层采空后地表变形将对地面造成严重影响,地表变形(地面塌陷、地裂缝)地质灾害危险性较大。
3.研究区地表变形定量分析
北一采区,主要开采5#煤,工作面长度180.10m、平均采高2.81m;北二采区,主要开采2#煤,工作面长度150.10m,平均采高1.09m;北三采区主要开采3#和4#煤,工作面长度为260.11m,平均采高4.21m,从研究区总体煤层分布情况来看,2#、3#、4#、5#煤层大部分稳定可采,或全部稳定可采。因2#、3#、4#、5#煤层间距离比较近(2#和3#平均煤层间距为10.35m,3#和4#平均煤层间距为6.17m,4#和5#平均煤层间距为5.57m),研究区矿井又采用联合开采方式,所以,这里把四个煤层合并起来计算其变形特征值。研究区坡度不大,为一缓倾斜的单斜构造,地层走向自北向南,由南北向又渐变为北西向,倾向由正西向又逐渐变为南西向,地层倾角较平缓,一般为3°~15°,平均为7.2°。研究区煤层以两类岩石顶板为主,一种是砂质泥岩顶板,这类属于较稳定顶板,另一类是泥岩顶板,这类属于不稳定顶板,它们的单轴抗压强度为10.81-36.21MPa其它根据经验参数得:下沉系数取q初=0.81,q复=(1+a)q初=0.97;水平移动系数取b初=0.27;移动角取7.2°;水平移动系数取b复=b初=0.26主要影响角正切tgβ=2.78按上述公式及计算参数,沙曲一矿上组煤开采后,不同埋深地表产生的最大变形值列。通过表中的计算结果得知,研究区上组煤开采后,地表最大沉陷值是7316.06mm,地表沉陷严重,又因为该区内地形复杂,沉陷将会对区内耕地、道路造成较大破坏。这里再将表3-2中的计算结果(地表最大移动值、地表最大变形值和地表最大倾斜值)与《规程》中对应的地表变形对地面建筑物破坏等级两者进行对比。研究区上组煤采空后,地表不同部位各类地面变形值都很大,地表变形也很严重,地面上发生塌陷、地裂缝的数量会增多,它的规模也将会加大,这些地面变形对地面建筑物破坏等级也较高。研究区对应区域的三川河附近、河谷东部和西部,因煤层埋藏相对较浅,Imax值、Kmax值、εmax值也都较高,对应的破坏等级均为Ⅳ级,所以开采煤层引发地面变形较大,影响严重;研究区对应区域的中东部地区,包括中部龙花垣、张家山、冯家沟、东家塔、东沟底等村,Imax值和εmax值对应破坏等级也较高,也为Ⅳ级,Kmax值稍低,为Ⅲ级,所以该区开采煤层后引发的地表变形属于中等变形区域,,影响次之;研究区对应区域中的大部分山区和西北部地区,主要包括北焉、港村、双则等村庄,Imax值和εmax值对应破坏等级也较高,仍为Ⅳ级,Kmax值最低,为Ⅱ级,地表变形相对较小,影响也最小;综合分析,研究区内上组煤层采空后会将会发生严重的地面变形,对地面建筑物也将造成严重的影响。结合该区行政区划资料,研究区上组煤层采空后的影响范围较大,通过分析,主要包括区内大部分村庄及南部工矿生产区、国道、高速公路、铁路等主要交通干线。其中受威胁居民预计大于110人,受威胁资产预计大于550万元,而大部分村庄被破坏的房屋将大于4020间,建筑物被损坏后损失预计将大于2050万元。根据有关规程判断,该区地表变形(地面塌陷、地裂缝)程度严重,地质灾害危险性很大。
4.研究区地表变形延续时间分析
当工作面停止开采后,地表随之会有一定的沉降,时间越长,沉降的幅度越小。当地表沉降幅度累计达到10.1mm时,可以认为地表移动开始了;如果连续6个月地表沉降幅度都小于30.1mm,这时我们可以认为地表移动期已经结束。这段从开始到结束的时间称为地表变形的延续时间,通常可以将它分为三个阶段:初始期、活跃期和衰退期。为了得出地表移动的延续时间(T),这里根据下面的公式进行计算:T=2.5H(d)式中:H为工作面平均开采深度(m)研究区上组煤层开采深度为170.01-600.01m,将深度数值带入公式T=2.5H(d),计算得出:T为425.03-1500.03天,即研究区内如果开采上组煤层会引起的地表移动,对应的延续时间为1.16-4.12年。又如:前面提到的北一、北二、北三采区部分区域,开采深度为350.01-500.01m,依据公式计算得延续时间T为875.03-1250.03天(即2.41—3.42年)。另外,研究区上组煤层采出后,采空区地表变形还会受到其他因素影响,如:采空区是否被完全充填、冒落物是否被充分压实,以及是否留设保护煤柱等,这样地表移动变形时间可能会延续得更长。
5.结论
综上所述,经过定性分析,研究区矿井开采上组煤层后,地表大部分区域会发生比较剧烈的变形(产生地面裂缝或地面塌陷);再经过数学计算定量分析,更精确地得出地表变形的剧烈程度,受威胁的居民人数众多,房屋等建筑物、工矿企业及各类交通干线也损失严重,而且进一步分析地表变形即将持续的时间,最长可达4年多,这意味着这类地质灾害发生治理恢复也将持续很长的时间,所以研究区内地表变形地质灾害危险性较高。
作者:王婷婷闫疆单位:山西煤炭管理干部学院