霍尔辛赫煤矿地表变形异常原因分析_许延春.pdf

霍尔辛赫煤矿地表变形异常原因分析 许延春1，曹光明1，潘海兵2，常晋雷2，杜明泽1，胡小龙1 1. 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院，北京 100083; 2. 山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600 ［ 摘 要］针对霍尔辛赫煤矿地表变形异常的问题，考虑松散层厚度、采矿地质条件、新生界 地层性质以及基岩顶界面隆起等因素，采用现场调研和理论分析等方法对西王内和鲍庄村沉陷区特征 及造成地表变形异常的原因进行分析。结果表明 西王内和鲍庄村耕地出现塌陷坑，伴随裂缝最大宽 度达 100mm 以上，民房损坏多集中在Ⅰ、Ⅱ级;西王内和鲍庄村周边松散层实际厚度整体大于留设 保安煤柱时的参考值，高强度开采 大采高和综放 、局部煤层倾角大等因素引起地表移动剧烈、沉 陷范围向下山方向偏移，厚松散层深部土体、湿陷性黄土表现出来的固结压缩、表土变形等工程性质 的差异，基岩隆起引起松散层内部变形等因素的综合作用，是引起地表变形异常的主要原因。 ［ 关键词］地表变形; 厚松散层; 高强度开采 ［ 中图分类号］ TD325［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201704- 0061- 04 Analysis of Abnormal Reasons of Surface Deation 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 Abstract To abnormal deation 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 deation 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 lar- gest 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 com- press，surface soil deation of thick consolidated layers and deeply soil and collapsible loess，inner part deation of unconsoli- dated layers that caused by basement rock upheaval were the main reasons that caused surface deation. Key words surface deation; thick unconsolidated layers; high intensity mining ［ 收稿日期］ 2017－04－19［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 04. 016 ［ 基金项目］ 国家重点基础研究发展规划 973 计划资助项目 2013CB227903 ; 国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目 U1361209 ［ 作者简介］ 许延春 1963－ ，男，河北唐山人，研究员，博士生导师，从事特殊采煤的研究与教学工作。 ［引用格式］ 许延春，曹光明，潘海兵，等 . 霍尔辛赫煤矿地表变形异常原因分析 ［J］． 煤矿开采，2017，22 4 61－64. 地表移动变形规律的认识和计算参数的获得是 建 构筑物保护煤柱留设的依据，同时也是建 构筑物下压煤开采的技术基础［1－3 ］。通过工作 面开采后地表移动变形实测，可以获得本矿区地表 移动变形的角量参数和移动变形预计的参数，对矿 区煤炭开采造成的地表移动变形预计具有重要的指 导意义。 霍尔辛赫煤矿在煤炭开采过程中，采用工程类 比法，参考 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规程 简称 “三下”采煤规 程中潞安矿区常规地表移动参数预计地表移 动变形，在留设足够的村庄保护煤柱情况下，地表 实际移动变形大于预计值，导致村庄部分民房损坏 以及工农纠纷。实际上 ，“三下”采煤规程中 地表移动参数多是在埋深小于 400 m，单层采高小 于 3 m 的情况下获得的，因此，对于日益普及的高 强度开采 大采高和综放已经不能完全适用。 因此，本文针对霍尔辛赫煤矿的实际情况，考虑松 散层厚度、采矿地质条件、新生界地层性质以及基 岩顶界面隆起等因素，综合分析霍尔辛赫煤矿地表 变形异常的原因，并提出合理的防治对策，以期为 类似矿井地表沉陷预计提供理论基础与应用参考。 1矿区概况与沉陷区特征 霍尔辛赫煤矿位于沁水煤田中部，隶属山西省 长治市长子县。该矿设计开采 3 号煤层，生产能力 16 第 22 卷 第 4 期 总第 137 期 2017 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 4 Series No. 137 August2017 ChaoXing 3Mt/a，服务年限为 60. 3a，为高瓦斯矿井。首采 的二盘区开采标高为400 ～ 500m，埋藏深度为 440～ 520m，平均厚度为 5. 65m。采用走向 倾 斜 长壁采煤方法，全部垮落法管理顶板，综合 机械化放顶煤一次采全高或大采高回采工艺。 西王内村村北为二盘区 3201 工作面，形成的 采空区距西王内村北边线水平距离为 389. 5 ～ 421. 2m; 村西为 3203，3205 工作面，形成的采空 区距西王内村西边线水平距离 204. 7～231. 3m;村 南为 3207 工作面，形成的采空区距西王内村南边 线水平距离 204. 3 ～ 205. 0m;村东尚未布置工作 面。其中，3201，3203，3205 工作面采用综放开 采，3207 工作面采用大采高开采。鲍庄村南部为 三盘区 3302 工作面，东部为二盘区 3206 工作面， 村北及村西尚未布置工作面。设计留设保安煤柱在 鲍庄村南侧为 261. 9 ～ 340. 6m;在鲍庄村东侧为 293. 6～297. 8m。西王内和鲍庄村与邻近工作面分 布的相对位置如图 1 所示。 图 1西王内、鲍庄村与邻近工作面相对位置 2012 年春季，西王内村西 260 m 处开始出现 塌陷坑，同时伴生多条裂缝，伴生裂缝呈近南北走 向，最宽达 150mm，造成当年耕地粮食作物及大 棚蔬菜减产，2012 年 6 月伴生裂缝开始影响村最 西侧民房，之后影响范围逐步向村东发展。2012 年 12 月鲍庄村东耕地开始出现塌陷坑，同时伴生 多条裂缝，裂缝最大可见宽度达 130mm 左右，造 成当年耕地粮食作物及大棚蔬菜减产，之后开始影 响村民住宅，影响范围不规则。 对西王内和鲍庄村进行现场调研发现，西王内 村村西村民住宅裂缝发展方向主要为近南北，村南 村民住宅裂缝发展方向主要为近东西方向，村北发 育裂缝没有规律可循。鲍庄村多数村民住宅裂缝出 现在 2013 年，2015 年为盛发期，发展方向主要为 近东西向。按照 “三下”采煤规程砖混结构建 筑物损坏等级标准对民房损坏情况进行分级发现， 大多民房损坏集中在Ⅰ、Ⅱ级。 2地表变形异常原因分析 霍尔辛赫煤矿在计算村庄保安煤柱时采用工程 类比法，参考潞安五阳 7305 采区地表移动实测参 数进行预计，与霍尔辛赫矿区实际的参数有一定的 差异。本文从松散层厚度、采矿地质条件、新生界 地层性质以及基岩顶界面坡度变化等主要因素，分 析霍尔辛赫地表变形异常的原因。 2. 1松散层厚度 为确定西王内和鲍庄村周边松散层的实际厚 度，在 3207，3205，3203，3201 工作面停采线上 靠近西王内村补打 4 个勘探孔，编号分别为 J1， J2，J3 和 2711; 在 3206，3302 工作面靠近鲍庄村 一侧的边线上选取有代表性的位置补打 4 个勘探 孔，编号分别为 T1，T2，T3，T4。西王内、鲍庄 村周边钻孔勘察结果分别见表 1、表 2。 表 1西王内村周边工作面钻孔情况 孔号松散层厚度 含强分化带/m J184. 5 J2127 J3130. 5 271154. 2 表 2鲍庄村村周边工作面钻孔情况 孔号松散层厚度 含强分化带/m T1192. 0 T2191. 8 T3159. 8 T4147. 0 西王内村在留设保安煤柱时松散层厚度参考值 取 68m，鲍庄村留设保安煤柱松散层厚度参考值取 158m。实际的钻孔资料揭示，松散层实际厚度远 比留设煤柱时选取的厚度大。由计算保安煤柱计算 公式 1可知，留设的保安煤柱偏小。 H h h1/tanφ h 2/tanγ 1 式中，H 为保安煤柱宽度，m;h 为围护带宽度， m; h1为松散层厚度，m;φ 为松散层移动角， ; h2为基岩厚度，m; γ 为基岩移动角， 。 2. 2采矿地质条件 2. 2. 1一次采出厚度大 霍尔辛赫煤矿采用综合机械化放顶煤 或大 采高的采煤工艺，平均采放厚度 5. 6m，采深 440～520 m，具有开采厚度大，埋深较大的特点。 因此，规程中的预计参数对霍尔辛赫煤矿并不完全 适用。 已有的研究表明 ［4 ］，综放开采的地表移动变 形较分层开采剧烈，移动周期短，对地面建构筑物 26 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing 的采动损害也将比分层开采大。同时，地表移动特 征是由地层内部岩层的破坏规律决定的 ［5 ］。近年 来随着高强度 综放和大采高开采逐渐普及， 大量的现场实测表明，高强度开采使得覆岩破坏两 带的高度增大，引起的岩层破坏更加剧烈。高强度 开采 综放或大采高覆岩破坏发育高度大，与 浅部薄煤层及中厚煤层分层开采相比有较大差异， 在进行地表沉陷预计时，其岩层移动角等参数必然 会有所变化，尤其是厚松散层深部开采，其地表沉 陷出现了新的特征。霍尔辛赫煤矿采用工程类比 法，显然已经不能完全适用，造成保安煤柱留设偏 小。 2. 2. 2局部煤层倾角增大 煤层倾角的变化会影响到地表下沉系数 q、主 要影响角正切 tanβ、开采影响传播角 θ0、水平移动 系数 b、拐点偏移距 s 等地表移动参数的变化。通 常情况下，煤层倾角较大时，地表下沉盆地会向下 山方向扩展 ［6 ］。图 2 为地表下沉拐点偏移距示意 图。运用概率积分法进行半无限开采地表下沉盆地 主断面移动变形预计时，缓倾斜煤层 α＜15和 倾斜煤层 α＞15在计算公式的选取上有所差 异，当煤层倾角 α＞15时，一般将相应工作面转换 为一等价工作面计算。 α煤层倾角， ; θ0开采影响传播角， ; H1下山边界采 深， m; H2上山边界采深， m; L实际开采边界长度， m; l倾斜计 算开采边界长度， m; S下， S上下山和上山方向的拐点偏移距， m 图 2拐点偏移距示意 霍尔辛赫煤矿 3206 工作面煤层倾角相对较大， 煤层倾角大于 15，距离鲍庄较近，因此，在用概 率积分法计算时应按倾斜煤层 α＞15考虑，地 表下沉盆地向鲍庄方向扩展。在留设保安煤柱时， 并未考虑煤层倾角的影响，导致留设保安煤柱偏 小。图 3 为 3206 工作面底板等高线图。 2. 3新生界地层性质 2. 3. 1厚松散层土体的工程性质 霍尔辛赫煤矿具有开采厚度大，松散层厚度变 图 3 3206 工作面底板等高线 化较大 50～200 m ，潜水位高、黄土具有湿陷性 等采矿地质条件的特点。多年的研究表明，松散层 厚度大，深部土体和浅部土层的工程性质明显不 同，随着埋深的增大，深部黏土表现出不同的固结 状态。 目前对东部地区深部土体的研究相对成熟。东 部地区黏土整体随着埋深的增大，状态趋于半固 结，流动性变差 ［7－9 ］。且多年现场实践表明，多个 华北厚松散层矿区地表下沉系数大于 1，究其原 因，除煤层开采外，与采动导致含水层疏降从而引 起上覆土层固结压缩密不可分。霍尔辛赫煤矿为带 压开采，松散层厚度变化大，其松散层的疏水固 结、变形压缩等工程性质需要具体研究。但通常情 况下厚松散层疏水沉降会对地表沉陷产生一定的影 响，因此，在进行地表沉陷预计时，除要考虑深部 土体的基本工程性质外，还要考虑 “黏－岩”协同 变形特征，为精确预测地表移动提供理论基础。 2. 3. 2湿陷性黄土变形特征 霍尔辛赫煤矿除松散层厚度变化大以外，其地 表多为第四系黄土所覆盖，黄土具有湿陷性，对地 表移动变形产生影响。在西部地区，湿陷性黄土分 布面积较广，随着这些矿区的大规模开发将产生不 同类型和不同程度的开采地表沉陷损害，在厚湿陷 性黄土覆盖层条件下进行开采，地表沉陷损害具有 特殊性。由于黄土的抗拉伸变形能力很小，结构疏 松，多空隙，垂直节理发育，开采作用极易破坏湿 陷性黄土层的结构，引起了地表非连续性移动变 形，如地表裂缝、台阶、塌陷坑等损害形式 ［10－11 ］。 目前湿陷性黄土下采矿引起地表变形的文献相 对较少，而且多集中在开采深度不大、薄基岩的情 况下，而对于霍尔辛赫煤矿大埋深、基岩厚度变化 大的类似情况，湿陷性黄土对地表移动的影响还不 36 许延春等 霍尔辛赫煤矿地表变形异常原因分析2017 年第 4 期 ChaoXing 明确。因此，在研究湿陷性黄土的基本物理力学特 性的基础上，还需研究采动影响下湿陷性黄土随地 表下沉的变形特征。 2. 4基岩顶界面坡度变化 一般来说，在预计地表沉陷时，通常按照松散 地层与基岩面界面呈近水平接触考虑。而实际上， 基岩面坡度的大小与范围对煤层开采引起上覆岩层 变化和地表变形有重要的影响，特别是近年来，由 于基岩面隆起而发生的灾害愈发愈多。赵固一矿 11071 工作面以及大屯矿区徐庄矿 7172 工作面都 因基岩面局部隆起与松散含水层形成的 “楔形” 区域，从而引起突水溃沙灾害 ［12 ］。因此，基岩顶 界面的坡度变化对松散层内部变形、水砂运移会产 生一定的影响，从而引起地表下沉差异。 通过在西王内和鲍庄村附近工作面的钻孔资料 可知，霍尔辛赫煤矿二、三盘区松散层厚度变化较 大，松散层厚度在 50～200m 范围变化，因此，相 应的基岩面起伏也较大。图 4 为二盘区西王内村周 边基岩剖面图。在计算村庄保安煤柱时，除要根据 村庄附近工作面的钻孔，确定松散层和基岩厚度 外，还要分析该区域基岩顶界面与松散层底界面相 接触的坡度面。同时，根据基岩坡度的特点，研究 覆岩破坏引起松散层内部变形的特征，为预计地表 变形特征提供参数依据。 图 4二盘区西王内村周边基岩剖面 3结论 1通过调研发现，西王内和鲍庄村耕地出 现 塌陷坑， 伴随裂缝最大宽度达100mm以上， 民 房损坏多集中在Ⅰ、Ⅱ级。 2分析了霍尔辛赫矿区地表变形异常的原 因，松散层实际厚度大，高强度开采 大采高和 综放 、局部煤层倾角大等因素引起地表移动剧 烈、沉陷范围向下山方向偏移，厚松散层深部土 体、湿陷性黄土表现出来的固结压缩、表土变形等 工程性质的差异，基岩隆起引起松散层内部变形等 因素的综合作用，是引起地表变形异常的主要原 因。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 谭志祥，邓喀中 . 综放面地表变形预计参数综合分析及应用 研究 ［J］． 岩石力学与工程学报，2007， 26 5 1041－1047. ［ 2］ 邹友峰，柴华彬 . 近水平煤层开采地表移动角量参数研究 ［J］． 采矿与安全工程学报，2009，26 3 269－272. ［ 3］ 宋利杰，韩永斌 . 非主断面地表移动观测站布置及求参方法 研究 ［J］． 煤炭科学技术，2015，43 10 148－151，115. ［ 4］ 崔希民，许家林，缪协兴，等 . 潞安矿区综放与分层开采岩 层移动的相似材料模拟试验研究 ［J］． 实验力学，1999，14 3 402－406. ［ 5］ 李培现 . 深部开采地表沉陷规律及预测方法研究 ［D］． 徐州 中国矿业大学，2012. ［ 6］ 麻凤海，张荣亮，杨帆，等 . 不同倾角煤层开采时引起地 表变形的数值模拟研究 ［A］． 中国科协 2005 年学术年会第 20 分会场论文集 ［C］． 北京 中国科协学术年会，2005. ［ 7］ 许延春 . 深部饱和黏土的力学性质特征 ［J］． 煤炭学报， 2004，29 1 26－30. ［ 8］ 介玉新，刘正，李广信，等 . 黄淮地区深部黏土工程性质 试验研究 ［J］． 工业建筑，2006，36 3 63－66. ［ 9］ 孙如华 . 东部矿区深部土结构力学性研究 ［D］． 徐州中国 矿业大学，2010. ［ 10］ 黄森林，余学义，赵雪，等 . 湿陷性黄土开采损害规律及 控制方法研究 ［J］． 矿业安全与环保，2006，33 5 11－ 12，15. ［ 11］ 余学义，李邦帮，李瑞斌，等 . 西部巨厚湿陷性黄土层开采 损害程度分析 ［J］． 中国矿业大学学报，2008，37 1 43 －47. ［ 12］ 许延春，杜明泽，李江华，等 . 水压作用下防砂安全煤岩柱 失稳机理及留设方法 ［J］． 煤炭学报，2017，42 2 328－ 334.［责任编辑 徐乃忠］ 上半年全国进口煤炭 13. 32Mt 同比增长 23. 5 据海关总署数据显示，6 月份，我国进口煤炭 21. 6Mt，环比减少 590kt、下降 2. 66。1 ～ 6 月份，我国进口煤炭 13. 326Mt，同比上升 23. 5。 6 月份，我国出口煤炭 730kt，同比减少 70kt、下降 10. 61，环比减少 580kt、下降 44. 27; 煤炭出口值为 14179. 6 万 美元，同比增长 162. 86，环比下降 38. 26; 由此可推算煤炭出口单价为 194. 24 美元/t，环比上涨 18. 91 美元/t，同比上 涨 112. 51 美元/t。 1～6 月份，我国共出口煤炭 5. 38Mt，同比增长 15. 1; 总金额为 74149. 9 万美元，同比增长 108. 9。 6 月份，我国出口焦炭及半焦炭 700kt，环比增加 50kt，同比下降 7. 9。1 ～ 6 月份，我国累计出口焦炭及半焦炭 4. 10Mt，同比下降 13. 7。摘自 煤炭信息周刊 2017. 7. 20 46 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing