目前,我國按照礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力,將礦井劃分為大型、中型、小型三種類型,其中0.3Mt/a及以下的礦井稱為小型礦井,俗稱“小煤礦”。與大型煤礦相比,小煤礦多地處煤層稀薄地帶,尤其當(dāng)小煤礦在急傾斜煤層開采或開采工藝不合理時,易引起地表沉陷、開裂破壞,嚴(yán)重時出現(xiàn)突陷,造成采空區(qū)內(nèi)大批的建筑物等設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞,嚴(yán)重影響礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。但隨著我國煤炭事業(yè)的發(fā)展,大型煤礦開采后的剩余煤炭量逐漸增加,剩余煤炭同樣影響國家煤炭的儲量。若因煤層垮落而不將其開采出來,勢必會造成煤炭資源的浪費(fèi),因此小型煤礦的存在具有其必要性。本文研究區(qū)地處原有老礦區(qū),以采老礦區(qū)邊角煤為主,采區(qū)范圍內(nèi)存在有大礦老采空區(qū),采動會引起老采空區(qū)“二次沉陷”問題。
1 九二煤礦開采區(qū)概況
1.1 地質(zhì)概況
九二煤礦位于淮南市大通區(qū)九龍崗鎮(zhèn)境內(nèi),區(qū)內(nèi)有小煤礦九龍崗二公司,屬淮南礦區(qū)煤層賦存邊緣地帶。經(jīng)幾十年的開采沉陷,礦區(qū)及周邊地形有了很大變化,塌陷不斷形成許多塌陷區(qū)。該礦井田東部有斷層F7、F8,煤層平均厚度3.5m,煤層傾角平均為70°,為急傾斜煤層。
1.2 開采概況
經(jīng)過整合技改后的九二煤礦主要可采煤層有7層,目前主采N3和S6煤層,煤層平均厚度分別為4m,煤層傾角平均為70°,為急傾斜煤層,采用小碴假頂采煤法,工作面用風(fēng)鎬和手鎬落煤,人工攉煤,根據(jù)煤層厚度不同工作面分別采用木支柱和摩擦支柱鉸接頂梁支護(hù),機(jī)械回柱,全部陷落法管理頂板。
2 房屋地質(zhì)災(zāi)害特征分析
通過走訪采空影響區(qū)周邊居民,拍照、測量和填表等方式獲得房屋受損資料,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析,對照國家煤炭工業(yè)局2000年5月26日頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》劃分出開采影響區(qū)房屋受損程度。
根據(jù)采空影響區(qū)135戶房屋受損情況調(diào)查整理和分類顯示,位于采動區(qū)盆地邊緣的居民房屋出現(xiàn)了不同程度的損毀,涉及面積為118448m2,主要表現(xiàn)為沿煤層開采方向的房屋和地表裂縫發(fā)育明顯。以九龍崗鎮(zhèn)利民村的房屋為例:受拉伸變形影響顯著的有65戶,受壓縮變形影響顯著的有42戶,受拉伸和擠壓變形顯著的有28戶,大致的點(diǎn)位分布范圍是向西為受壓變形顯著,向東受拉變形顯著,于兩者之間的房屋是受拉和受壓都比較顯著的,房屋破壞比較嚴(yán)重。房屋墻體裂縫主要為“東西走向”,地面裂縫主要為“南北走向”,且大致為“南偏西45°”,這與煤層開采方向相吻合。其中,有部分房屋出現(xiàn)“正(倒)八字”現(xiàn)象,房梁與墻體分離現(xiàn)象,這些現(xiàn)象多出現(xiàn)在門頭,窗臺;房屋墻體呈“菱形”等現(xiàn)象,大部分裂縫及裂隙從地基發(fā)育,經(jīng)墻體、窗口門洞延伸至房頂。由于壓縮引起地面鼓起,拉伸引起地基出現(xiàn)裂縫。
從受損建筑物和地裂縫產(chǎn)生的時間上來看,由于該礦區(qū)歷史開采時間比較久遠(yuǎn),存在有老采空區(qū),建筑物和地面有老裂縫存在。但大多數(shù)裂縫是近半年時間產(chǎn)生的,這與該礦的井下開采時間和烈度是一致的,所以可以判定為新裂縫是由井下煤層開采引起的。
3 煤礦采動因素分析
由于在急傾斜煤層開采條件下,開采沉陷將引起地表形成塌陷槽和大面積的地表沉陷、開裂破壞,嚴(yán)重時會出現(xiàn)突陷,會造成區(qū)內(nèi)的建(構(gòu))筑物設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞。所以針對急傾斜煤層開采的九二公司礦井,在缺少地面實(shí)際監(jiān)測資料情況下,采用開采沉陷預(yù)計(jì)方法對已按計(jì)劃開采的采掘工作面,根據(jù)其地質(zhì)采礦條件,選用適當(dāng)?shù)念A(yù)計(jì)函數(shù)、參數(shù),預(yù)計(jì)出受此開采影響的地表移動和變形,定量分析采空區(qū)地表及建筑物是否受九二公司井下開采沉陷影響及影響程度。
3.1 開采沉陷預(yù)計(jì)
依據(jù)井下測繪及調(diào)查結(jié)果,對目前采掘工作面迎頭位置最靠近礦井東邊界,同時也是有可能造成地面建筑物損害的的N3槽煤層-195m水平(240m水平)上三道采場,采用概率積分法進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)。預(yù)計(jì)結(jié)果顯示:井下開采所引起的地面沉陷涉及面積為118448m2,其最大下沉值為1.6m。沉陷過程中的最大拉伸變形值為+5.12mm/m,地面最大水平移動為+240mm,最小水平移動為-203mm,走向主斷面上的最大正曲率變形值為+0.14mm/m2、最大負(fù)曲率為-0.26mm/m2,傾斜方向的最大拉伸水平變形值為+2.4mm/m,壓縮水平變形值為-1.2mm/m。綜合地面顯現(xiàn)特征調(diào)查結(jié)果,參照《規(guī)程》中對磚混、土筑的建筑物破壞等級標(biāo)準(zhǔn),對建筑物受損的數(shù)量和損害程度進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),見表1。
4 其他地質(zhì)災(zāi)害因素分析
4.1 九二礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造因素
九二礦原有的區(qū)域構(gòu)造形態(tài)對采空區(qū)沉陷有直接影響。淮南煤田位于秦嶺緯向構(gòu)造帶南亞帶的北緣,東與新華夏系郯城一廬江斷裂反接,西連周口凹陷,北接蚌埠隆起,南鄰合肥凹陷。由于原九龍崗礦開采下部A、B、C組煤層,經(jīng)幾十年的開采塌陷,地形有了很大變化,因此會不斷塌陷形成許多塌陷區(qū)。
4.2 礦區(qū)老采空區(qū)因素
現(xiàn)有九二礦的采煤工作面是在原有工作面的基礎(chǔ)上二次開掘形成的。原采煤工作面在開掘的過程中已經(jīng)對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造造成破壞,形成塌陷區(qū)。二次開掘使得原來已經(jīng)穩(wěn)定的塌陷區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造再次發(fā)生破壞,形成二次塌陷,因此現(xiàn)有的塌陷區(qū)面積較廣,破壞程度較嚴(yán)重。
4.3 房屋建筑結(jié)構(gòu)和地基穩(wěn)定性因素
由于九二煤礦地處原報(bào)廢礦區(qū),當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)房屋采用“磚木”結(jié)構(gòu)建造,并且多建造于上個世紀(jì)五十年代?！按u木”結(jié)構(gòu)建筑成本較低,但穩(wěn)定性較差。采煤工作面進(jìn)行作業(yè)時,地下的擾動會延伸至地表,不穩(wěn)定的“磚木”結(jié)構(gòu)對此反應(yīng)靈敏,主要表現(xiàn)為房屋地基開裂,裂縫穿過墻體延伸至屋頂,或者墻體呈“拉扯”狀裂縫。
從區(qū)域地質(zhì)資料可知,調(diào)查區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較簡單;調(diào)查區(qū)內(nèi)地基土組成較簡單,從本次鉆探揭示巖土層可以看出,場地內(nèi)上部松散層主要由粘性土(上部雜填土除外)組成,下部為二疊系煤系地層(煤巖、粘土巖、砂巖等),整體看土層分布穩(wěn)定。松散層成因上主要為沖洪積成因,主要為更新統(tǒng)臨泉組粘性土,其強(qiáng)度高(fak=240~280 kPa),變形性較小(Es=14.0~16.0Mpa),作為建筑場地是適宜的,正常情況下不會對上部建筑穩(wěn)定造成明顯影響。
4.4 邊坡穩(wěn)定性因素
在研究區(qū)西側(cè)由于采空塌陷形成東高西低的地形特點(diǎn),人為形成一個邊坡,據(jù)現(xiàn)場測繪的沉陷區(qū)剖面圖量算,塌陷坑邊坡坡度大約在5°左右。依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》中土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算方法,對于土質(zhì)邊坡允許坡度值如表2:
從研究區(qū)邊坡坡度及場地內(nèi)地基巖土組成及其物理、力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)可知:研究區(qū)內(nèi)邊坡坡度較小(小于5°),且地基土主要為強(qiáng)度高(С值為70kPa、Ф值為28°)、壓縮性低的老粘土,經(jīng)分析計(jì)算,塌陷坑邊坡是穩(wěn)定的,正常情況下不會造成其上建筑物產(chǎn)生拉裂變形。但隨著采空塌陷進(jìn)一步發(fā)展,坡度逐漸變大,同時由于地表水下滲會對巖土體產(chǎn)生軟化作用,一定程度上會造成巖土體發(fā)生側(cè)向蠕變。
4.5 熔巖構(gòu)造因素
由于在研究區(qū)內(nèi)不存在明顯的碳酸鹽巖,且上部松散層厚度較大(通常大于20m),調(diào)查區(qū)內(nèi)不存在巖溶塌陷的危險(xiǎn)性。同時由于巖土體賦水性較差,且由于煤礦長期疏干水,地下水位較低,不會產(chǎn)生地面沉降的危險(xiǎn)。
5 結(jié)束語
5.1 對小型煤礦開采區(qū)域因,急傾斜厚煤層開采導(dǎo)致了較大范圍的地表變形,采動影響區(qū)房屋的變形損害主要由西側(cè)的礦井開采因素所致;采動影響區(qū)內(nèi)其他地質(zhì)災(zāi)害特征不夠顯著。地質(zhì)勘探及外圍地質(zhì)調(diào)查表明,房屋受損區(qū)的地下為煤系地層,不具備巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害條件;上部的土層厚度較薄且全部為變形性較小強(qiáng)度高的塑性粘土,不具備因地下水位下降而引起的地面沉降。
5.2 針對小型煤礦開采環(huán)境的復(fù)雜性,只進(jìn)行損害后的技術(shù)分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,起不到保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的作用。因此,應(yīng)在小型煤礦開采區(qū)域加強(qiáng)老采空區(qū)及周邊地面和建筑物的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)工作,并在可能會造成塌陷破壞的區(qū)域設(shè)立警示線或警示標(biāo)志。如果損害達(dá)到嚴(yán)重程度時,應(yīng)及時考慮拆除搬遷。
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★ 酈道元
