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1.研究區(qū)地表變形現(xiàn)狀研究

區(qū)從投入生產(chǎn)開始，礦井采空區(qū)面積達(dá)0.60km2，其中采空區(qū)4號煤層埋深約為400—500m，采空區(qū)連續(xù)面積不大，在該區(qū)地表并未發(fā)現(xiàn)地面塌陷、地裂縫等劇烈地面變形跡象。目前來看，該區(qū)地表變形（地面裂縫、塌陷）程度較輕，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性較小。

2.研究區(qū)地表變形災(zāi)害分析

根據(jù)以往開采經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)煤層開采深度與開采厚度比值<30時(shí)，開采一定面積的煤后，會引起巖層變形并傳播到地表，在一定時(shí)間段內(nèi)，地表會發(fā)生不連續(xù)變形。地表變形越劇烈，采空區(qū)上方就會形成比較大的裂縫或塌陷坑；當(dāng)開采深度與開采厚度比值在30—100之間，地層中也未出現(xiàn)較大地質(zhì)破壞時(shí)，煤采出后會引起巖層移動(dòng)并傳播到地表，從而導(dǎo)致地表發(fā)生一定程度的連續(xù)變形（即地裂縫或塌陷坑）。當(dāng)上組煤層采出后，將會引起巖層移動(dòng)，并傳播到地表，局部地段地表變形劇烈，采空區(qū)上方會形成較大的地表變形（裂縫或塌陷坑）。綜合來看，上組煤層采空后地表變形將對地面造成嚴(yán)重影響，地表變形(地面塌陷、地裂縫)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性較大。

3.研究區(qū)地表變形定量分析

北一采區(qū)，主要開采5#煤，工作面長度180.10m、平均采高2.81m；北二采區(qū)，主要開采2#煤，工作面長度150.10m，平均采高1.09m；北三采區(qū)主要開采3#和4#煤，工作面長度為260.11m，平均采高4.21m，從研究區(qū)總體煤層分布情況來看，2#、3#、4#、5#煤層大部分穩(wěn)定可采，或全部穩(wěn)定可采。因2#、3#、4#、5#煤層間距離比較近（2#和3#平均煤層間距為10.35m，3#和4#平均煤層間距為6.17m，4#和5#平均煤層間距為5.57m），研究區(qū)礦井又采用聯(lián)合開采方式，所以，這里把四個(gè)煤層合并起來計(jì)算其變形特征值。研究區(qū)坡度不大，為一緩傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向自北向南，由南北向又漸變?yōu)楸蔽飨颍瑑A向由正西向又逐漸變?yōu)槟衔飨?，地層傾角較平緩，一般為3°～15°，平均為7.2°。研究區(qū)煤層以兩類巖石頂板為主，一種是砂質(zhì)泥巖頂板，這類屬于較穩(wěn)定頂板，另一類是泥巖頂板，這類屬于不穩(wěn)定頂板，它們的單軸抗壓強(qiáng)度為10.81－36.21MPa其它根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)得：下沉系數(shù)取q初=0.81，q復(fù)=（1+a）q初=0.97；水平移動(dòng)系數(shù)取b初=0.27；移動(dòng)角取7.2°；水平移動(dòng)系數(shù)取b復(fù)=b初=0.26主要影響角正切tgβ=2.78按上述公式及計(jì)算參數(shù)，沙曲一礦上組煤開采后，不同埋深地表產(chǎn)生的最大變形值列。通過表中的計(jì)算結(jié)果得知，研究區(qū)上組煤開采后，地表最大沉陷值是7316.06mm，地表沉陷嚴(yán)重，又因?yàn)樵搮^(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，沉陷將會對區(qū)內(nèi)耕地、道路造成較大破壞。這里再將表3-2中的計(jì)算結(jié)果（地表最大移動(dòng)值、地表最大變形值和地表最大傾斜值）與《規(guī)程》中對應(yīng)的地表變形對地面建筑物破壞等級兩者進(jìn)行對比。研究區(qū)上組煤采空后，地表不同部位各類地面變形值都很大，地表變形也很嚴(yán)重，地面上發(fā)生塌陷、地裂縫的數(shù)量會增多，它的規(guī)模也將會加大，這些地面變形對地面建筑物破壞等級也較高。研究區(qū)對應(yīng)區(qū)域的三川河附近、河谷東部和西部，因煤層埋藏相對較淺，Imax值、Kmax值、εmax值也都較高，對應(yīng)的破壞等級均為Ⅳ級，所以開采煤層引發(fā)地面變形較大，影響嚴(yán)重；研究區(qū)對應(yīng)區(qū)域的中東部地區(qū)，包括中部龍花垣、張家山、馮家溝、東家塔、東溝底等村，Imax值和εmax值對應(yīng)破壞等級也較高，也為Ⅳ級，Kmax值稍低，為Ⅲ級，所以該區(qū)開采煤層后引發(fā)的地表變形屬于中等變形區(qū)域，，影響次之；研究區(qū)對應(yīng)區(qū)域中的大部分山區(qū)和西北部地區(qū)，主要包括北焉、港村、雙則等村莊，Imax值和εmax值對應(yīng)破壞等級也較高，仍為Ⅳ級，Kmax值最低，為Ⅱ級，地表變形相對較小，影響也最小；綜合分析，研究區(qū)內(nèi)上組煤層采空后會將會發(fā)生嚴(yán)重的地面變形，對地面建筑物也將造成嚴(yán)重的影響。結(jié)合該區(qū)行政區(qū)劃資料，研究區(qū)上組煤層采空后的影響范圍較大，通過分析，主要包括區(qū)內(nèi)大部分村莊及南部工礦生產(chǎn)區(qū)、國道、高速公路、鐵路等主要交通干線。其中受威脅居民預(yù)計(jì)大于110人，受威脅資產(chǎn)預(yù)計(jì)大于550萬元，而大部分村莊被破壞的房屋將大于4020間，建筑物被損壞后損失預(yù)計(jì)將大于2050萬元。根據(jù)有關(guān)規(guī)程判斷，該區(qū)地表變形（地面塌陷、地裂縫）程度嚴(yán)重，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性很大。

4.研究區(qū)地表變形延續(xù)時(shí)間分析

當(dāng)工作面停止開采后，地表隨之會有一定的沉降，時(shí)間越長，沉降的幅度越小。當(dāng)?shù)乇沓两捣壤塾?jì)達(dá)到10.1mm時(shí)，可以認(rèn)為地表移動(dòng)開始了；如果連續(xù)6個(gè)月地表沉降幅度都小于30.1mm，這時(shí)我們可以認(rèn)為地表移動(dòng)期已經(jīng)結(jié)束。這段從開始到結(jié)束的時(shí)間稱為地表變形的延續(xù)時(shí)間，通常可以將它分為三個(gè)階段：初始期、活躍期和衰退期。為了得出地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間（T），這里根據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算：T=2.5H（d）式中：H為工作面平均開采深度（m）研究區(qū)上組煤層開采深度為170.01-600.01m，將深度數(shù)值帶入公式T=2.5H（d），計(jì)算得出：T為425.03-1500.03天，即研究區(qū)內(nèi)如果開采上組煤層會引起的地表移動(dòng)，對應(yīng)的延續(xù)時(shí)間為1.16-4.12年。又如：前面提到的北一、北二、北三采區(qū)部分區(qū)域，開采深度為350.01-500.01m，依據(jù)公式計(jì)算得延續(xù)時(shí)間T為875.03-1250.03天（即2.41—3.42年）。另外，研究區(qū)上組煤層采出后，采空區(qū)地表變形還會受到其他因素影響，如：采空區(qū)是否被完全充填、冒落物是否被充分壓實(shí)，以及是否留設(shè)保護(hù)煤柱等，這樣地表移動(dòng)變形時(shí)間可能會延續(xù)得更長。

5.結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過定性分析，研究區(qū)礦井開采上組煤層后，地表大部分區(qū)域會發(fā)生比較劇烈的變形（產(chǎn)生地面裂縫或地面塌陷）；再經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算定量分析，更精確地得出地表變形的劇烈程度，受威脅的居民人數(shù)眾多，房屋等建筑物、工礦企業(yè)及各類交通干線也損失嚴(yán)重，而且進(jìn)一步分析地表變形即將持續(xù)的時(shí)間，最長可達(dá)4年多，這意味著這類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生治理恢復(fù)也將持續(xù)很長的時(shí)間，所以研究區(qū)內(nèi)地表變形地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性較高。

作者：王婷婷閆疆單位：山西煤炭管理干部學(xué)院