采煤塌陷区土地破坏面积和破坏程度的预测

第 期 矿 山 测 量 №3 .3 年 月2001 9 MINE SURVEYING Sept.2001 21 采煤塌陷区土地破坏面积和破坏程度一般可用 地表移动变形预计法和地表移动范围角量参数法进 行预测。 应用地表移动变形预计法预测地表塌陷面积及破1 坏程度 采用山区地表移动预计软件进行预计，该软 件对于平地即为平常的概率积分法，对于丘陵和山 区则在概率积分法的基础上附加地形引起的采动滑 移影响。在地形、地质和开采条件已知的情况下， 可以预计开采影响范围内平地或山区地表任意点任 意方向的下沉和水平移动及变形值。预计公式如 下： (1) (2) 上列各式中的A、P、t为滑移影响函数参数，可根 据矿区地表移动观测资料按多元函数回归方法求 取。山西有关矿区求得的A =2π，P ， =2 t =π。上 式中的Wm为该地质采矿条件下的最大下沉值 Wmax 以 计。mm W(x 、) W (y和) W (x, y 分别为主剖面) 、X Y上 (x,y 点和平面上 ) (x,y 点因开采引起的地表的下 ) 沉值，可分别按概率积分法公式计算。 地表任意点的下沉和水平移动 W ' (x , y 和) 式中W' (x , y) 和U ' (x , y)φ 分别为地表任意点(x , y 的下沉值和任意点、任意方向) (φ的水平移动值。) α 为 (x , y 点的地形趋势面倾角，可按修匀后) 的地形剖面取值。 φ 为 (x , y 点的地表倾斜方向) 角;φ为计算方向角 ; φ 、 φ均由ｘ轴正向逆时针 方向计算。式中的D 为 (x , y 点的地表特性系) 数，可按表 取值。式中的1 P (x 、) P (y 和) P (x,y 分 ) 别为 X、Y主剖面上 x、y点和平面上 (x , y点的滑移) 影响函数，可按公式 计算(3)-(5) : U ' (x , y)φ 求出后 其任意点垂直变形包括倾斜 , i' (x ,y ) φ、曲率K'(x , y )φ和水平变形ε ' (x ,y )φ可 按给定的点间水平距离d ，按数值导数计算点 间的平均垂直变形与水平变形。设相邻点编号为 、、i j k,则有： 倾斜 (mm/m) (6) W '(x , y) = W(x,y)+Dx, y P(x , y) W(x , y)tg 2α′x , y U '(x , y)φ = U(x , y)φ+Dx , y[P (x)cosφx,ycosφ+ P (y)sinφx, y sinφ]W(x , y)tgα ' x, y ′ x , y x , y x , y x, y P (x, y) = P (x) cos2 φx , y +P (y)sin2 φx, y+ P (x)P (y) cos2 φx, y sin2 φx, y tg2 α′x, y (5) 采煤塌陷区土地破坏面积和破坏程度的预测 胡海峰 何万龙 康建荣 太原理工大学( ) 摘要 文中在已有的山区地表移动规律研究成果和采煤塌陷区土地破坏面积调研的基础上，对采煤塌陷区土地破坏面积和 破坏程度的预测方法作了研究，提出了一套塌陷区土地破坏面积和破坏程度的预测及分类方法。 关健词 采煤塌陷 土地破坏 变形值 移动角 P(x) = 1+Aexp[－1 2 ( x r +P )2 ]+Wmexp[－t( x r +P)2] (3) P(y) = 1+Aexp[－1 2 ( y r +P )2 ]+Wmexp[－t( y r +P)2] (4) 地表 类型 表土层与地面植被特征 特 性 系 数 D 凸 形 地 貌 凹 形 地 貌 Ⅰ 沙质粘土层，厚度0～2 m， 地面有密集的灌木丛或树林 +0.3～+0.5 -0.2～-0.3 Ⅱ 沙质粘土层，厚度2～5 m， 地面有密集的灌木丛和疏林的荒坡 +0.5～+1.0 -0.3～-0.5 Ⅲ 亚粘土或坡积物，厚度大于5 m，地面为果园或耕地 +1.0～+1.5 -0.5～-0.8 Ⅳ 具有垂直节理的湿陷性黄土或坡积物，厚度大于5 m，地面为耕地 +1.0～+1.5 -0.5～-0.8 表 山区地表特性系数1 D i'(x, y)φij = W'(x, y)j －W'(x, y)i dij 开采沉陷开采沉陷 第 期 矿 山 测 量 年 月3 2001 9 22 曲率 (10-3/m) m) (7) 水平变形 (mm/m) (8) 表 矿区地表移动预计参数3 由开采沉陷学可知，对于平地一般单一开采 的缓倾斜矩形工作面，产生一个略偏于下山方向的 槽形盆地，其地表移动边界和下沉等值线近似于长 椭圆形。当多个工作面连续开采时，地表将呈现连 续的槽形塌陷盆地和连续的长椭圆形移动边界。在 槽形盆地接壤的边界部位，将产生正曲率(k 和拉 ) 伸变形 ε 叠加区，叠加后的正曲率和水平拉伸(+ ) 变形可能大于半无限开采相应的最大变形值 但最( 多不会超过一倍 。当单一工作面倾向开采不充) 分，其槽形盆地中心倾向主断面上的负曲率 －( k ) 和压缩变形 －ε 绝对值可能大于半无限开采相应( ) 的变形最大值，但最多也不会超过最大值的一倍。 上述半无限开采的最大变形值可按下列公式计算： 最大倾斜 （在 ＝ 处） ; x 0 最大曲率 （在 ; ≈± 处）x 0.4r 最大水平移动 （在 ＝ 处） ; x 0 最大水平变形 ; （在 ≈± 处） x 0.4r 式中 为最大下沉值 为主要影响半径， ; r 见式（ ） 为水平移动系数。取中硬覆 岩条件10 ; b 下长壁大冒顶开采的地表移动参数：下沉系数 q = 依此类推，即可算出所有点和点间的垂直与水平变 形。按点间水平距离d 计算变形值时，应由表 按2 采深H选取d值。 预计参数应以工作面为单元输入，按矿区部分 观测资料和类比法求得的预计参数如表 。3 ～ ，水平移动系数0.85 0.90 b ，主要影响角正 = 0.33 切 β ～ ，拐点偏距 可算出不tg = 2.2 2.4 , 同采深、采厚的水平煤层开采平地的最大移动变形 值如表 。4 以上计算都是按平地的预计结果。山区由于 受地形和采动滑移附加移动变形的影响，其移动变 形值较平地可能有所不同，概括起来可能有以下特 点： ⑴山区采动滑移方向总是指向坡体的下坡方 向，因而下坡方向的水平移动量将增加，而上坡方 向的水平移动量将减小。 ⑵在凸形地貌和凸形变坡部位，地表因受附 加拉应力影响而产生附加下沉和水平拉伸，使地表 的下沉和水平拉伸变形值增大，同时还可能产生较 大的正、负曲率变形，从而使土地的破坏程度有所 加重。 ⑶在凹形地貌和凹形变坡部位，地表因受地 形附加压应力影响而产生附加上升和水平压缩变 形，使地表的下沉值略有减小 裂缝宽度和密度也; 略有减小，因而土地的破坏程度略有减轻。 预计地区的地表移动与变形值算出后，即可参 照表 的移动变形指标和地形开采条件参数确定地5 表塌陷的面积和破坏等级。表 的指标是根据山西5 省塌陷区土地破坏等级的有关裂缝指数，以及矿区 地表变形与土地裂缝的相关规律确定的。 应用矿区地表移动角量参数预测地表塌陷面积与2 破坏程度 2.1 地表塌陷范围和塌陷面积的确定　 矿区地表塌陷范围可按矿区地表移动角量参数 中的边界角、移动角或裂缝角圈定。 移动边界角是在主断面上按地表移动边界下沉 为 的点至开采边界连线在煤柱一侧与水平线 10mm 所夹角度，煤层走向以δ 0 表示，下山和上山分别 K ' (x, y)φj = i' (x, y)φjk －i' (x, y)φij 0.5(dij +djk) ε' (x, y)φij = U ' (x, y)φj －U ' (x, y)φi dij imax = ± Wmax r kmax = ±1.52 Wmax r 2 Umax = ±bWmax 开采深度H，m <50 50～100 100～200 200～300 300～400 400～500 >500 点间水平距离d，m 5 7.5 10 15 20 25 30 表 按数值求导规则计算地表变形值的点间平距2 d 参 数 名 称 及 代 号 参数取值表达式 下沉系数q q=0.8±0.1 水平移动系数b b=0.33±0.08 主要影响角正切tgβ tgβ=2.0±0.4 拐点偏移距Si Si= (0.1±0.05)×Hi 开采影响传播角θ θ=90°－α (α≤3° ) θ=90°－0.6 (α＞3°) εmax = ±1.52b Wmax r Wmax Si = 0.1Hi 第 期 胡海峰等：采煤塌陷区土地破坏面积和破坏程度的预测 年 月3 2001 9 23 以β0和γ0表示。地表综合移动角（不分基岩与表 土层）是在主断面上按临界变形值i0 、 = 3 (mm/m) K0=0.2(10 -3 、ε/m) 0 确定的点至开采边界=2(mm/m) 的连线在煤柱一侧与水平线所夹角度，走向为δ， 下山和上山分别为β和γ。地表裂缝角是在主断面 上地表塌陷最外边缘的地表裂缝位置与开采边界连 线在煤柱一侧与水平线所夹角度，走向为δ"，下 山和上山分别为β"和γ"。山西除大同以外的石炭 二迭纪煤田中硬覆岩矿区采厚 ～ 的上述角量参2 6 m 数大致如表 。6 目前国内划定地表塌陷范围有的按边界角，有 的按移动角，对于低潜水位地区以移动角或裂缝角 划定地表塌陷范围较为合适。因为这些矿区已利用 土地的表层大多为黄土所覆盖。现场观测表明，黄 土在水平拉伸变形达到 左右即可出现微小的2mm/m 裂缝，故一般黄土覆盖的平坦地区应按移动角划定 表 山西石炭二迭纪煤层开采地表移动角量参数参考值6 地表塌陷范围。对于其它丘陵地区，一般可按裂缝 角划定地表塌陷范围。 　　丘陵山区因为高差变化较大，故在井上下对照 图上按移动角或裂缝角划定地表塌陷范围时，应用 趋近法进行，如图 所示。先按开采边界在井上下 1 表 不同采深采厚半无限开采地表最大移动变形值4 序号 采厚 M (m) 采深 H （m） 最大下沉 Wmax (mm) 最大平移 Umax (mm) 最大倾斜 imax (10-3 ) 最大曲率 kmax (10-3/m) 最大水平变形 εmax （10-3） 土地破坏 程度 1 2.3 100 1955 645 43.0 1.44 21.6 中～重 2 2.6 200 2210 729 24.3 0.41 12.2 轻～中 3 3.5 100 2975 982 65.4 2.19 32.8 中～重 4 3.7 250 3145 1038 28.9 0.40 14.5 轻～中 5 4.6 150 3910 1290 60.0 1.40 30.1 中～重 6 4.6 250 3910 1290 35.9 0.50 18.0 中 7 5.5 200 4590 1633 56.9 1.00 28.5 中 8 6.5 100 5525 1823 121.5 4.06 60.9 重 9 6.8 150 6120 2020 97.9 2.38 49.1 重 10 6.5 200 5525 1823 60.8 1.02 30.5 中～重 11 6.5 300 5525 1823 40.5 0.45 20.3 中 12 7.8 300 7020 2317 56.2 0.68 28.2 中～重 13 6.5 400 5525 1823 30.4 0.25 15.2 轻～中 14 6.5 500 5525 1823 24.3 0.16 12.2 轻 15 8.5 500 7650 2524 33.7 0.22 16.9 轻～中 表 矿区地表移动变形值与土地破坏等级对照表5 破坏等级 地表变形值 深厚比 H/M 宽深比 L/H 微地貌 水平拉伸变形 ε(mm/m) 倾 斜 i (mm/m) 曲 率 K (10-3/m) Ⅰ级(轻度) 2～10 3～20 0.2～0.5 >45 <0.6 平地和凹形地貌 Ⅱ级(中度) 10～20 20～40 0.5～1.0 35～45 0.6～1.0 平地和坡地 Ⅲ级(重度) >20 >40 >1.0 <50 >1.0 平地、坡地和凸形地貌 开采深度 H(m) 边界角 δo 移动角 δ' 裂缝角 δ" 松散层移动角 厚度 （m） 干 燥 含水 <100 60 65 70 <40 50 45 100～200 60～65 65～70 70～75 40 ～ 60 55 50 200～300 65～70 70～75 75～78 >60 60 55 300～400 70～75 75～78 78～80 400～500 75～76 78～80 80～85 备 注 1.α<50时，β=γ=δ 2.α>50时，β=δ-0.6α，γ=δ。 第 期 矿 山 测 量 年 月3 2001 9 24 图 开采边界至塌陷边界水平距离 计算示意 1 D 对照图上划出主剖面线X和Y，然后按各主剖面边 界的开采深度H0和移动角分别按下列趋近公式确定 开采边界至塌陷边界的水平距离D: 下山: ; 上山: ; 走向: ; 式中 求得D之后，由各主断面的开采边界向外量取 各D值，即可得各主断面的塌陷边界点位置，然后 将各边界点连结起来即得到地表塌陷边界。 矿区地表移动观测资料和现场调查表明， 在一定开采条件下，地表永久性裂缝充分发育区域 一般是从拐点 至开采边界的中点起，向煤柱一侧O 扩展2.5b的范围，其水平宽度 d 大致可按下列公式 计算： 虽然总的永久性拉伸或裂缝范围应从拐点位 置 起算，至按裂缝角确定的裂缝边界点为止，但 0 两拐点之间的部分则应视为开采引起的动态变形拉 伸区。如果是平地，动态拉伸区的裂缝可能在开采 沉陷稳定后逐渐自行闭合，但在丘陵和山区，由于 附加水平拉伸的影响，位于凸形地貌和凸形变坡部 位（山顶和梁峁的边缘）的动态裂缝不但不能闭 合，相反其宽度、密度和落差可能会变得更大，而 凹形地貌部位（沟谷内）由于附加压缩变形的影 响，其地表塌陷范围划定后，即可用求积仪计算塌 陷范围的面积。每一图斑的面积应量取二次，二次 面积互差在允许范围内时，可取平均值作为最后的 结果。 2.2 地表塌陷土地破坏程度的确定 山区地表塌陷破坏主要取决于地表裂缝的宽 度、落差和密度状况，而地表裂缝状况则与地质 采矿条件及微地貌形态有关。当一个矿区的覆岩 和地表岩土性质基本相同且不存在特殊断裂构造 的情况下，水平～缓倾斜煤层单一矩形工作面开 采引起的地表永久性静态裂缝主要分布在地表移 动水平拉伸变形区，如图 所示。如不考虑地形和2 地貌影响则在充分或接近充分开采时地表最大水, , 平拉伸变形距拐点的水平距离 为：a 在一般情况下，中硬覆岩矿区的主要影响角正切 β ± ；拐点偏距 ，因而最tg =2.2 0.2 大水平拉伸变形距开采边界外侧的水平距离 应 为: 动态裂缝将不能得到充分发育，其宽度、密度和落 差将有所减小。 综上所述，按地质开采条件和微地貌形态确 定塌陷区土地破坏等级时，应遵循下列原则： 初次采动永久性拉伸范围内一般平坦地区 (1) 和凸形地貌耕地的裂缝发育区破坏等级可按地质采 矿条件划分，其中深厚比和水平拉伸变形为主要指 标，其它为参考指标。 裂缝发育区以外的永久性裂缝区和动态裂 (2) 缝区的破坏等级应比裂缝发育区降低一级。 同一区域内凸形地貌变坡部位的破坏等级 (3) 应比该区域的破坏等级提高一级；凹形地貌部位的 破坏等级则应降低一级。 （下转第 页） 37 Dβ =(H0+h1+h2⋯⋯+hn)βctgβ Dγ =(H0+h1+h2⋯⋯+hn)γctgγ Dδ =(H0+h1+h2⋯⋯+hn)δctgδ h1 = H1－H0 ; h2 = H2－H0 ; hn = Hn－H0 。 ai = 0.4ri。 si = 0.1Hi bi bi = ai = Si = 0.4Hi tgβ －0.1Hi = (0.082±0.2) Hi di = 2.5bi = (0.2±0.02)H i S0 b S0 a d b a d (1)(2)(1) S0 b S0 a d b a d (1)(2)(1) (1)永久性裂缝 (d)永久性裂缝发育区 (2)动态裂缝区 图 2 塌陷区地表裂缝区划分示意 第 期 矿 山 测 量 年 月3 2001 9 2937