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1、煤矿采空区地表残余变形及稳定性研究柴华彬;邹友峰【摘要】根据煤矿采空区的地质采矿资料，分析了影响采空区地表稳定性的影响因 素，建立煤矿采空区地表残余变形的计算参数，应用概率积分法计算出各层采空区活 化产生的地表残余变形值，采用叠加的方式得出所有采空区活化引起地表总的残余 变形值.综合考虑地表残余变形和地质构造等情况，对煤矿采空区地表的稳定性进行 了分析和评估.研究成果对煤矿采空区土地利用和规划具有重要的应用价值.【期刊名称】矿山测量【年(卷)，期】2013(000)006【总页数】4页(P20-22,111) 【关键词】煤矿;采空区;残余变形;稳定性 【作者】柴华彬;邹友峰【作者单位】河南理工
2、大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454003;河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454003【正文语种】中文【中图分类】TD325.1由于煤矿地表存在大面积的采空区，并且处于不同的开采时期，不同的采矿方法， 以及复杂的地质构造等原因，矿区地表很容易出现裂缝及损毁，进而会影响到人民 生命财产安全，制约矿区的经济发展1-3。目前对于采空区地表稳定性的评估， 主要是采用数学方法对地表的残余变形值进行计算。论文运用概率积分法对采空区 上覆岩层失稳而引起的地表可能产生的残余变形进行了计算，根据地表残余变形的 大小及分布规律，对煤矿采空区地表的稳定性进行了评估。评估结果可以为煤矿采 空区土地
3、利用及规划提供可靠的理论依据。1工程地质条件研究区域内主要构造形式是断裂构造和褶曲，并由此造成含煤地层的产状起伏变化、 节理裂隙纵横发育。通过采面及井巷生产实践证实，影响研究区域内的地质构造主 要是断层构造。经现场勘察、室内试验及工程物探确定，采空区上覆岩层从上到下 地层岩性可以划分为三类岩组：厚松散层、碎裂泥岩组、较完整砂岩组，岩性为中 硬。其中松散层主要是第四系冲积层，平均厚度约308.9 m，泥岩组主要为含煤 碎屑岩组，岩性为页岩、绿泥岩、碎裂泥岩以及弱化岩层，裂隙节理发育，平均厚 度39.3 m，分布在各煤层直接顶底板及坚硬岩层和煤层之间，砂岩组是由细砂岩、 粉砂岩、中砂岩等岩层组成，
4、平均厚度172.7 m。根据煤矿各煤层采掘平面图及 实际调查情况，研究区域内可采煤层3层，各煤层的回采率平均达到81%，根据 各煤层采掘平面分布图，对各煤层采厚在空间上进行了叠加，显示了各煤层叠加采 厚在研究区内的分布规律（图1）。2地表残余变形的计算与分析2.1计算模型及参数为了尽可能准确计算出研究区内地表残余变形，将该研究区域范围内各煤层采空区 分布全部纳入沉陷计算范围之内，首先计算各层采空区活化产生的地表移动和变形 情况，然后采用叠加的方式计算所有煤层采空区总的残余变形。概率积分法具有模型简单、参数选取方便等优点，可以较好地对采空区地表残余变 形进行计算。概率积分计算模型所需的几个计算参
5、数为：下沉系数q、主要影响角 正切tanB、水平移动系数b、拐点偏移距s和开采影响传播角等。根据地表监测 数据的反演来综合确定其计算参数，如表1所示。不同停采时期地表下沉系数参 见表2。表1地表残余变形计算参数参数tanbSk数值1.700.320.1H0.65表2不同停采时期地表下沉系数停采时间1年2年5年10年15年20年以上下 沉系数 q0.850.921.01.041.081.09 图1覆岩结构及采空区分布下沉系数与上覆岩层的性质密切相关。下沉系数随松散层厚度所占采深比例的增大 而增大4-6。因此，可将松散层简化视为一自由荷载均布于基岩表面上，松散层 厚度占采深比例越大，基岩所承受荷载
6、越重，进而缩小了岩层的离层及碎胀系数， 加大了地表的下沉。分析厚松散层下开采的下沉系数q与平均采深H0和松散层厚 度h之间的关系如下：(1)式中：s为常数；Y为系数。根据地表移动观测资料分析可知，f=0.96 , s=1.1, Y=0.1。重复采动使地表的破坏加剧或活化，从而引起地表的移动和变形值均增大，同时还 将使移动盆地的范围增大。地表所有的移动和变形值均与下沉系数q成正比，因 此，可以通过增大q的来计算重复采动时的地表移动和变形。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7在重复采动时，下沉系数较初 次采动增大10% 20%，边界角减小5。10。，移动角减小1015,tgB
7、增大 0.30.8。因此，在确定地表残余下沉系数时，要考虑到其重复采动的影响。2.2地表残余变形的计算根据上述方法确定的计算参数，应用概率积分法计算得到各煤层采空区叠加影响后 的地表残余变形的等值线。残余变形的最大值如表3所示。表3采空区地表残余变形最大值方向下沉(mm)水平移动(mm)水平变形(mm/m) 拉伸压缩曲率(mm/m2 )凸凹倾斜(mm/m)东西南北1764891.771.94-2.66- 3.420.020.02-0.03-0.044.45.0图2采空区地表残余下沉三维图地表残余下沉的三维图，如图2所示。地表残余下沉的等值线及沿东西及南北方 向的倾斜和水平变形等值线，如图3图7
8、所示。3地表稳定性分析与评估采空区地表的稳定性主要影响因素有：老采空区残余变形、残留煤柱和井田内的断 裂构造的影响。综合分析，研究区域内地表稳定性等级划分如图8所示。采空区地表稳定性的评估结果如下：(1) 研究区域东南部的正下方开采厚度达48 m,造成东南部及附近地表产生的残 余变形值最大。图3采空区地表残余下沉等值线图4采空区地表沿南北残余变形等值线图5采空区地表沿南北残余倾斜等值线(2) 采空区上覆岩层移动稳定一般需要达15 20年以上，甚至更长时间。研究区 域内近几年开采的工作面上覆岩层还处于不稳定状态，其采空区的活化、残留煤柱 的蠕变对地表的稳定性影响较大。图6采空区地表沿东西残余变形
9、等值线图7采空区地表沿东西残余倾斜等值线图8采空区地表稳定性等级划分断裂构造和褶曲是井田内的主要构造形式，并由此造成含煤地层的产状起伏变 化、节理裂隙纵横发育。地下断层和基岩露头容易活化，会造成地表产生裂缝和台 阶，因此，该区域的地表的稳定性也是比较差。4结论(1) 煤矿采空区地表稳定性评价是目前矿区土地规划和建设中一个急需解决的难题。 采空区地表残余变形及稳定性的影响因素主要有开采累加厚度、采空区和断层的活 化、残留煤柱的蠕变。(2) 根据地表监测数据的反演出建筑地表残余变形计算参数，应用概率积分法计算 出了各层采空区引起地表产生的残余变形值，采用叠加的方式得出所有煤层采空区 总的残余变形值
10、。将计算结果进行可视化，给出了地表残余下沉的立体图和各类残 余变形的等值线图。(3) 综合考虑地表残余变形、地质构造等情况，对煤矿区地表的稳定性进行了分析 和评估。研究结果对于指导煤矿区土地的利用和规划具有重要的理论和应用价值。 参考文献：1郭惟嘉,王勇义.采空区上方修建大型建筑物地基稳定性评价J.岩土力学,2004,(1):57-59.2王明立，胡炳南,赵有星.采煤沉陷区工程建筑物地基的稳定性分析J.煤炭科学技 术,2006,34(3) :72-75.3刘金辉.采煤塌陷地上建设生态新农村研究与实践.矿山测量,2008,(3) : 42- 43,52.4李凤明，李树志,白国良.建筑物荷载对老采空区地基稳定性影响研究J.煤矿开 采,2010,15(3):5-7.5郭广礼,何国清，崔曙光.部分开采老采空区覆岩稳定性分析J.矿山压力与顶板管 理,2003,20(3)：70-73.6何国清，杨伦，凌赓娣，等矿山开采沉陷学M.徐州:中国矿业大学出版社， 1991.7国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程M.北京:煤炭工业出版社,2000.
煤矿采空区地表残余变形及稳定性研究
