曹存先　史晨晓

（山东设协勘察设计审查咨询中心山东济南250001）

复杂地质体下开采矿体引发地表移动变形致灾的危险性预测分析

曹存先史晨晓

（山东设协勘察设计审查咨询中心山东济南250001）

本文通过对矿体开采地质条件分析，概括总结了矿区地表移动变形的影响因素，针对不同的地表破坏形式，结合地面塌陷变形的定量化计算方法，对复杂地质体条件下采空区引发的地质灾害进行预测分析，估算采空区移动盆地影响范围内地表移动变形量，预测结果对于矿区的安全生产具有一定的指导意义。

覆岩移动地面塌陷地质灾害危险性预测

0　前言

矿区采矿工程引发的地表移动变形是矿区工程活动存在的主要工程地质问题，特别是复杂地质体下开采矿体引发的地质灾害对矿区地表稳定性影响日趋严重。本文正是基于某煤矿区工程开采技术现状与环境地质条件来对复杂地质体下开采活动引发地表移动变形进行预测分析。

1　矿区地质环境条件

1.1地质条件

该矿区地处场地地貌类型为冲洪积平原地带，局部地形稍有起伏，地形地貌较为简单，地表上部为褐色黄土、砂砾层覆盖，矿井揭露地层由老至新主要为：奥陶系马家沟组，石炭系本溪组，二叠系山西组，二叠系石盒子组，侏罗系三台组，古近系官庄组。区域内岩浆活动剧烈，分布主要受构造控制。中生代晚期活动最强烈，第三纪以来也有活动，多以断裂形式出现。

1.2水文地质条件

矿区地下水按赋存介质类型可分为松散岩类孔隙潜水、碎屑岩裂隙水以及岩溶水。孔隙潜水主要分布在第四系覆盖层内，岩性主要由黏性土、中砂等组成，埋藏浅，该含水层富水性强，循环条件好，直接接受大气降水补给，动水补给循环条件较好，平时地下水水位埋深季节变化幅度一般为2～3m，一般埋深在6.50～10.50m，平均8.47m。裂隙水，埋藏较深，主要赋存于下伏基岩，为砂岩地层裂隙中，属非可溶岩组。富水性差，水循环条件差，该层接受第四系潜水补给。岩溶水主要赋存太原组和本溪组薄层石灰岩中，由于石灰岩层随着埋藏深度加大水头压力也相对增高。

2　采空区地质及开采煤层概况

该矿区内矿井可采煤层为第2、4、7、9、15、19煤层，共6层，目前矿区主要开采2、4、7、15煤层，估算深度为标高-300～-500m，采煤方法采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。地下采矿活动对区域内地质环境产生较大影响，对采空区岩、土体的稳定性影响较大。

3　采矿影响程度及地表移动变形分析

3.1影响地表移动过程的因素及程度分析

通过对矿区地质与开采技术条件分析得出影响岩层与地表移动过程的因素主要有：

3.1.1覆岩地质体力学性质及煤系地层倾角

煤层顶板以及上覆岩体为较坚硬～坚硬岩体时，开采条件下顶板可能发生碎块状冒落。在采空过程中，断裂带内的岩体除了有垂直层面的裂缝发育外，还有大量的顺层面发育的离层裂缝。因而，上覆岩层为坚硬岩体时，采空区地表影响区内下沉量要比软弱岩层时小。采空层位上覆岩体为强度较低的性脆易碎岩体时，其开采层位顶板将发生冒落，上覆岩层随着开采时间和空间的变化而发生位移变形，岩层变形下沉量较大将很快传播到地表，一定条件的应力释放后下沉量不断缩小，因此上覆岩层为强度较低的性脆易碎岩体不易产生离层裂缝，其地表下沉位移量要比坚硬岩体下沉变形要大。

3.1.2重复采动影响

矿区内可采煤层共6层，可采煤层平均总厚度为8.18m，上层煤层开采后，开采下部煤层时，岩层及地表移动过程比初次采动剧烈，地表下沉值增大，地表移动速度加大，移动总时间缩短，地表移动范围扩大。

3.2地表破坏形式

地下煤层开采后，其上覆岩层与底板岩层的应力平衡状态遭到破坏，从而产生移动、变形和破坏。根据区内地质环境条件、影响岩层与地表移动过程的因素及程度分析，矿区地表破坏的形式分析有如下几种。

3.2.1地表移动盆地

受开采影响，在采空区上方地表可能产生大面积沉陷，即移动盆地或下沉盆地。确定“移动盆地”影响范围是根据《三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程》的有关规定，结合本矿区的地质构造及岩土工程地质条件，采用图解法按第四系岩移角45°，下伏煤系地层岩移角取65°进行估算。据以上参数采用图解法，圈定井下采空区形成后将严重引发地质灾害的范围。根据上述原则、方法和矿区范围内的地质环境条件及“移动盆地”影响范围，确定最大影响范围为150m。

3.2.2裂缝

受采空区移动盆地的影响，移动盆地的外边缘地带将会出现不同程度的地裂缝，形态分布多平行于采空区的边界。发育规模受复杂地质体结构和采空边界的位置影响较大。

3.2.3采空塌陷

采空区陷落将引发地面沉降，因开采浅部煤层时，采空区顶板无法形成“双拱”支撑结构来支撑上覆岩体自重，易形成采空塌陷，主要在发育矿井浅部露头附近，进入深部开采后，采空区塌陷将会越来越不明显，如果地质体构造十分复杂，各煤层采动不充分，采空区陷落的现象将不明显，在局部地表平坦地段，有可能形成塌陷所致小规模的低洼地。地面沉陷按速率可分为三个阶段，初始阶段、活跃阶段、衰退阶段，受多层煤叠加开采，矿区内地表建筑物会不同程度受到影响。

4　地表移动变形致灾预测分析

根据对研究区开采煤层与覆岩地质体结构特征分析，得出矿井开采后地表变形以形成沉陷盆地为主。同时不排除将来矿井生产过程中在矿井范围内及边缘地带出现伴生地裂缝和塌陷坑的可能性。采空塌陷盆地的形成总是通过垂直方向的下沉和水平方向上的移动引起地表产生倾斜、弯曲，伸张或压缩而完成的。根据国内相似煤田矿井开采地表沉陷变形的经验，尤其是参考附近矿区采空区地面塌陷监测的经验，来进行预测分析该矿井采空区地表最大沉陷量、倾斜位移和水平位移变形量十分重要。

因此对煤矿采空塌陷趋势的预测可以通过地表的下沉量W、倾斜T、曲率K、水平位移u和主要影响半径r等地表形变值来进行分析评判。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，对缓倾斜（倾角小于25°）的矿层地表移动和地表变形预测按表1中所列相关公式进行计算分析。

表1　地表移动和地表变形预测计算公式

表中：η—下沉系数：地表最大下沉值Wmax与煤层法线采厚（m）在垂直方向投影长度的比值，取经验系数0.2，α—煤层倾角，一般小于25°；b—水平移动系数：最大水平移动值(Umax)与最大下沉值Wmax的比值，本矿区取0.30；m-煤层的开采厚度（m）；r=H/tgβ，r—主要影响半径（m），H—开采深度，β—移动角，tgβ一般为1.5～2.5，本区取2.0。

通过上述一系列计算，得出该矿井采空区煤层开采后地面预测结果，详见表2。

表2　采空区叠加范围内地表变形量计算统计表

根据采空区地表变形量预测值，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定，对矿区内地表建筑物及采空塌陷危险性预测进行级别分类划定，详见表3、表4。

结合以上分析，依据计算结果参照采空塌陷危险性预测标准值表，对比砖混结构建筑物损坏等级表，预测采空区地表变形及建筑物的损坏级别最大区域属于Ⅲ级，损坏程度为中度损坏，危险性级别为中等。

表3　砖混结构建筑物损坏等级

表4　采空塌陷危险性预测标准值表

5　结论

对矿区复杂地质体下开采活动引发地表变形致灾的预测分析是一个复杂的系统工程，本文通过分析采空区的地质特征以及开采过程中顶板稳定性受自然和人为因素的综合影响作用，对地表移动变形进行预测分析，预测内容及分析方法是把地基基础工程与矿山工程技术中的相关理论相结合应用于矿层井下采空区地表变形计算分析中，有针对性的对复杂地质体下开采矿体引发地表移动变形致灾预测内容及分析过程进行论述，其预测方法能否精确，是矿区开发建设与防灾治理的关键，为将来矿区的生产建设提供了重要依据。

[1]范尧,王俊杰,曹存先.某露天矿山地质环境特征及评价[J].工程勘察,2015,(2): 57-63.

[2]房佩贤,卫中鼎,廖资生等.专门水文地质学[M].北京:地质出版社,1987.

[3]纪万斌矿山塌陷环境与治理[A]矿山环境管理使用指南姜建军主编,北京:地震出版社2004.3：453.

[4]李世海,李晓,刘晓宇.工程地质力学及其应用中的若干问题[J].岩石力学与工程学报,2006,06:1125-1140.

[5]王小东,张冰,胡圣武.地质灾害危险性区划评价中隶属度函数构造方法的探讨[J].地球与环境,2009,37(1):67-69.

P694[文献码]B

1000-405X（2015）-7-376-2