潘奇波

（中国神华能源股份有限公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017100）

20 世纪中期以来，由于煤矿井下开采，采空区所引起的地表沉陷问题已日益突出，该问题在我国西北部黄土覆盖区域更为严重[1-4]。目前，研究地表沉陷的方法较多，主要有属于维象研究范畴的影响函数法、实际观测法等，属于实验研究范畴的相似材料模拟法，属于理论研究范畴的弹、塑性连续介质法、统计类比法、损伤力学法、数值模拟法、三维地形可视化、神经网络法和灰黑箱法等[5]。针对地表沉陷问题，我国学者利用不同的研究方法对此问题开展了大量的研究，取得了丰富的研究成果[6-9]。

概率积分法已成为我国应用最为广泛的预计地表沉陷的方法之一。它通过对单元开采下沉盆地进行积分即可求取工作面开采地表移动与变形值[5]。以酸刺沟采空区对哈尔乌素露天煤矿黑岱沟排土场的影响为工程背景，采用概率积分法对该矿地下开采引起的地表沉陷进行预计，为后期排土场重新覆土提供依据。

1 工程概况

哈尔乌素露天煤矿位于准格尔煤田中部，目前，黑岱沟排土场已排弃到界。黑岱沟排土场设计主要参数为：占地面积5.06 km2，最终排土标高1 275 m，排土高度100～120 m，台阶高度15 m，平盘宽度为20 m，台阶坡面角38°，最小工作平盘宽度90 m，最终帮坡角21°。酸刺沟矿井设计能力为12.0 Mt/a，采用斜井开拓，井底均到6#煤层底板，其井底标高为+881.4 m，盘区式开采。酸刺沟一盘区位于哈尔乌素露天煤矿黑岱沟排土场的下方，煤层平均倾角为4.5°。主要开采4#和6#煤层，其中，4#煤层采用综采，采高4.8 m，一次采全高；6#煤层采用综放，采高（3.8±0.2）m，放顶煤高度21 m 左右。根据酸刺沟煤矿的开采设计，在哈尔乌素外排土场境界范围内，4#煤布置4104、4106、4108、4110、4112 5 个工作面，6#煤布置6上102、6上104、6上106、6上108、6上110、6上112、6上114 7 个工作面。目前，6102 工作面已开采完毕，正回采6114 和4112 工作面。采煤工作面布置与哈矿黑岱沟排土场位置关系如图1。

图1 采煤工作面布置与哈矿黑岱沟排场位置关系

2 井工开采地表破坏特征及沉陷规律

2.1 典型类型

在露天矿边坡下进行井工开采，最终将导致多种形式的地表破坏类型，主要有地表局部陷落（采空区顶板发生垮落，逐渐发展至地表，最终在地表呈现显著的变形）、崩塌和滑坡（边坡岩土体在井工开采的扰动下强度降低，裂隙大面积发育，潜在滑移面贯通，导致部分岩土体崩落或者大范围滑坡）、地表裂缝（岩土体中存在大量的节理和层理等软弱结构面，受井工开采扰动的影响，这些结构面发生张拉、剪切或者错动变形，形成地表裂缝）。这些典型的破坏类型，主要与地表形态、结构面产状、地下水及井工开采方式等有关。

2.2 地表破坏特征

1）突发性。井工开采诱发地表移动和变形速率较快，这主要是因为井工开采上覆岩层较薄，而且酸刺沟煤矿采用综放开采工艺，一次采全厚，这2 个因素导致开采扰动较大，采动影响极易传递至地表。

2）非连续性。井工开采后，在采空区上方通常以垂直陷落为主，在陷落区以外的边坡处常以滑坡和崩落为主，在破坏区和未变形区交接面主要以张拉和剪切裂隙为主。不同位置呈现不同的破坏类型，整体表现出非连续型。

3）破坏模式的组合性。井工开采后地表破坏形式并不是单一的某种形式，而是多种形式的组合。对哈尔乌素外排土场进行实地勘察，发现羊场位置同时存在滑坡和地表沉陷2 种破坏类型，即其变形是2 种破坏模式的叠加。

2.3 地表沉陷规律

地表沉陷受地质和采矿条件的影响很大，在相对简单的条件下，地表的移动变形仍表现出一定的规律性。在非充分采动状态下，地表下沉量在采空区中央上方最大，从盆地中周边下沉逐渐减小，到盆地边界处为0；盆地主断面的倾斜自盆地边界至拐点逐渐增大，在拐点处倾斜最大，自拐点至最大下沉点间逐渐减小，在最大下沉点处倾斜为0；地表水平变形在边界点和拐点处为0，盆地边缘区为拉伸区，中部为压缩区。当充分采动时，地表移动盆地的最大下沉值已达到该地质采矿条件下的最大值，在最大下沉点，水平变形为0。此外，地表沉陷又是一个复杂的时间、空间的发展过程，随着工作面的不断推进，不同时间下回采工作面与地表点的相对位置不同，开采活动对地表的影响也就不同，地表的移动经历了从开始移动→剧烈移动→移动停止的过程。

根据上述地表沉陷的规律来看，地表沉陷由于影响了地下应力平衡而引起地表移动和变形的大小、空间分布形态，它与当地岩性、地质条件和采矿条件有密切的联系。

当地下采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。分析酸刺沟煤矿的地质采矿条件可以看出，4#煤平均采厚4.8 m，平均采深219 m，深厚比为45.6，4#煤开采后能够形成明显的三带结构。6#煤平均采厚25 m，平均采深265 m，深厚比为10.7，开采后形成的断裂带已经接近地表，弯曲带厚度较薄，地表存在不连续变形。

3 工作面开采地表沉陷分析

3.1 酸刺沟煤矿地表沉陷预计模型及参数

分析酸刺沟煤矿的地表移动观测资料以及地质采矿资料发现，区域地表沉陷呈现不连续的特征，存在裂缝、台阶等各种不连续的变形，但是从整个移动盆地的沉陷分布来讲，符合概率积分法模型描述的地表移动盆地特征。因此采用概率积分法对该矿地下开采引起的地表沉陷进行预计。

概率积分法，又称随机介质理论法。该理论假设矿山岩体中分布着许多原生的节理、裂隙和断裂等弱面，可将采空区上覆岩体看成一种松散的介质。将整个开采区域分解为无穷多个无限小单元开采，把微单元开采引起的地表移动看作是随机事件，用概率积分来表示微小单元开采引起地表移动变形的概率预计公式，计算得到单元下沉盆地下沉曲线为正态分布的概率密度曲线，从而叠加计算出整个开采空间引起的地表移动变形。

地表沉陷预计的概率积分法参数包括：下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动系数b，拐点偏移距S 及开采影响传播角θ。这些参数的取值主要与煤层开采方法、顶板管理办法、上覆岩层性质、重复采动次数以及采深采厚比等因素有关。

酸刺沟煤矿在6上103-1、6上103-2、6上101-1、6上101-2 等工作面上方开展了地表移动与变形监测工作，获取了该区域地表移动与变形特征。在分析区域地表移动监测资料的基础上，结合区域地质采矿条件，选择的4112、6上114 工作面地表沉陷预计概率积分法参数见表1。

表1 工作面地表沉陷预计概率积分法参数

3.2 工作面开采沉陷预计结果

按照选定沉陷预计参数，采用概率积分法沉陷预计模型，4112 工作面开采后地表移动与变形极值统计见表2 和4112、6114 工作面共同开采后地表移动与变形极值统计见表3。

表2 4112 工作面开采后地表移动与变形极值统计

表3 4112、6114 工作面共同开采后地表移动与变形极值统计

3.3 排土场地表变形移动分析

通过现场实测分析，G10 监测点最靠近4112 工作面，GNSS 监测预警1— 4 月监测数据见表4，G10监测点累计水平位移和垂直位移逐渐增大，截至4月份，其最大水平位移和垂直位移分别为412.8 mm和536.3 mm。

表4 G10 号点各月份监测数据

利用概率积分法计算得到的G10 位置处的地表下沉等值线和水平位移等值线图（图略）G10 位置位于酸刺沟煤矿4112 工作面开采后地表下沉等值线500～1 000 mm 之间，东西方向水平移动等值线200～300 mm 之间，南北水平移动等值线500～600 mm 之间，由此可见，概率积分法得到的值与实际值相差不大，具有重要的参考价值，同时，也说明了理论模型的正确性。

4 结论

1）利用概率积分法对地表移动变形进行预测，其监测结果与GNSS 监测系统基本吻合。

2）4112 工作面沉陷稳定后，地表最大沉降值为3 062 mm，东西水平位移为922 mm，南北水平位移为933 mm。

3）6114 工作面沉陷稳定后，地表最大沉降值为21 529 mm，东西水平位移为5 313 mm，南北水平位移为5 379 mm。