承德三道边地区采空区稳定性评价

马佰衡 钱龙 樊玉敬 刘硕 翟星

摘要：针对承德三道边地区由于过度开采而出现的大量采空区及其安全隐患，为了减少经济损失，选取三道边地区主采Ⅱ号和Ⅲ号煤层的采空区为研究对象，对其稳定性进行综合评价。结合地质环境条件及采矿活动的具体情况，选取覆岩性质、煤层赋存条件、开采技术条件等单个因素作为影响采空区稳定性因素的主要参数，运用模糊数学方法建立了模糊矩阵，设置了评价因子权重，根据评价因子分级进行了综合评价，得出不稳定区域和欠稳定区域，并通过部分区域钻探、地面调查等进行验证。结果显示，运用模糊数学理论建立模糊矩阵对采空区评价结果与实际相符。研究结果为后续注浆治理、监测等提供了可靠依据，同时也可为类似的采空区稳定性评价提供参考。

关键词：煤矿开采；采空区；监测；稳定性评价；模糊数学理论

中图分类号：TD3253文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx04003

承德三道边地区具有丰富的煤资源，开采历史也较长，解放至今经历了国营、集体及闭坑后群采、私采等多个阶段，多年的井工开采形成了大量的地下采空区，嚴重威胁着矿区一带居民的生命财产安全[1-5]。在详细勘查的基础上，引入模糊数学方法对该地区复杂的采空区进行稳定性评价。

1研究区概况

1.1地质环境条件

研究区地处承德市西部、燕山山脉中段低山区，出露地层主要为蓟县系雾迷山组中厚层硅质灰岩、青白口系下马岭组薄层灰岩及杂色页岩、三叠系杏石口组薄层灰岩和杂色页岩及第四系松散层；区内地质构造复杂，褶皱及断裂构造发育，以近东西走向逆断层为主。地下水主要为碳酸岩盐裂隙溶洞水和四系松散岩类孔隙水，受煤矿开采影响，地下水连通较好，采空区地下水基本充填[2]。

第4期马佰衡，等：承德三道边地区采空区稳定性评价河北工业科技第35卷1.2煤层赋存情况

矿区西部主采煤层主要为Ⅱ号和Ⅲ号煤层。Ⅱ号煤层为简单结构煤层，煤层倾角30°～40°，厚度064～3.36 m，局部达5 m。顶板为黑色页岩夹粉砂岩、泥岩、少量中粗砂岩，底板多为黑色高炭质页岩、页岩、角砾岩；Ⅲ号煤层位于Ⅱ号煤层之下，煤层倾角30°～40°，厚度0.40～13.74 m，一般为2～4 m，位于煤系底部砂质角砾岩之上，直接顶板为黑色高碳质页岩，质较坚硬[2]。

1.3开采情况

该地区经历了国营、集体及闭坑后群采、私采等多个阶段，开采方式为地下开采。由于煤层厚度、延伸变化较大，一般煤层采煤方法为展壁式采煤法；厚煤层采用房柱式采煤方法。由上而下开采，工作面沿煤层走向展布，倾向方向推进；顶板管理方式为完全陷落。矿区西部主采Ⅱ、Ⅲ层煤，共采了4—7个水平，每个水平开采段平均间距约为30 m。其中，1998—2000年，曾对矿区公路以南山坡地带浅部浮煤进行了回采，回采率约70%。

2稳定性评价

2.1评价范围

选择矿区西部作为评价范围，根据矿山相关图件中采空区的分布，圈定研究区内大致采空区的范围，大致按基岩70°、第四系45°错动角圈定影响错动范围，结合调查分析，对局部进行了适当调整。

2.2评价方法

采取定性分析、重点验证、结合实际选取多因子进行综合评判的评价方法[6-9]。

2.3影响因素

结合实际，将稳定性综合评价因素确定为覆岩性质、煤层赋存条件、开采技术条件、采空区形成时间、重复采动、断层和地面变形迹象等7个方面[10-15]。

1）覆岩性质（u1）一般而言，采空区覆岩中软岩所占比例越大，地表越易产生塌陷；硬岩所占比例越大，地表越不易产生塌陷。

2）煤层赋存条件（u2）包括深度、厚度和倾角等。当煤层倾角介于16°～45°时，采空区地表移动变形偏向于下山方向，其移动变形范围、移动变形值和移动时间都大于上山方向；当煤层倾角等于或大于46°，采空移动变形中心偏于下山方向，采空顶板冒落岩块沿底板滑动或滚动堆积于下山方向，常在煤层露头附近出现塌陷坑。

3）开采技术条件（u3）包括开采方式、开采顺序、推进方向、采深厚比、是否充分采动、回采率及顶板管理方法等。本区顶板围岩为较软岩层，顶板管理为完全陷落条件。断壁陷落法开采地表移动变形相对较小一些，但老采空区的空洞率和残余变形都略大；巷柱式或房柱式开采回采率较低、地表变形规律差，一般浅采空区易出现塌陷坑或环形采空区，深采空区则地表移动变形缓慢，残余空洞率较大；非充分采动的采空区残余变形较大，完全充分采动的采空区经一段时间的变形后，残余空洞变形较小。此外，采空区地表移动变形的大小和开采深度有反比函数关系，开采深厚比越小地表越不稳定。

4）采空区形成时间（u4）停采时间越早、采空区形成时间越早，地表稳定性越好。在一定条件下，浅层-中层采空区存在残余变形超过允许变形的可能。

5）重复采动（u5）重复采动导致破坏的岩体进一步变形破坏，地表变形、移动进一步加大，一般会比初次采空造成的沉陷加剧10%～20%。有重复采动的区域比未重复采动的区域相对不稳定。

6）断层（u6）当煤层上方覆岩中有断层存在，且倾角大于20°、落差大于10 m时，断层对开采沉降有明显的影响。

7）地面变形迹象（u7）在一定的区域内塌陷坑、地裂缝能够最直接地反映采空区的地面稳定状况，其越密集，说明这一区域越不稳定。

2.4评价分区

根据条件相识的划分原则将研究区划分为4个区域。详见表1。

具体指标分区内容①公路以南②变电站以东、公路以北③变电站以西、三道边以东、公路以北④三道边及公路两侧覆岩性质

（u1）覆岩性质（顶板围岩）直接顶板为碳质泥岩，间接顶板为铝土质泥岩泥岩（页岩）泥岩（页岩）第四系、局部为薄层页岩直接顶板岩石饱和抗压强度/MPa23.210.12<20<20煤层赋存

条件（u2）煤层厚度/m1～4.52～52～52.8～5.5煤层倾角/（°）303030—开采技术

条件

（u3）顶板管理方法完全陷落完全陷落完全陷落完全陷落开采方式展壁式展壁式展壁式巷道支护式开采顺序由上而下、由南向北由上而下、由南向北由上而下、由南向北由上而下、由南向北回采率/%40～6040～6040～6060开采厚度/m2～5455采空埋深/m89～19074～19030～1405～30采空区形

成时间（u4）1985年以前、1998—2006年复采变电站以东至五石门东大巷附近，440 m水平大巷以南大部分1985年以前形成变电站以西，393 m水平机车巷道以南采空区为1989年以前形成，以北为1989—2006年间形成1998—2006年重复

采动（u5）北部未进行回采，南部进行回采煤柱进行了回采煤柱变电站东南角区域进行了回采浅层煤进行私滥挖断层

（u6）距离断层较远F1逆断层穿越F1逆断层穿越底部存在小断层地面变形

跡象（u7）局部出现塌陷坑曾出现塌陷坑出现塌陷坑、地裂缝塌陷坑发育

2.5定性评价

勘查期间内（2012年历时约两个月），布设的监测点水平、垂直位移均未发生明显变化，其变化值均在误差允许范围内，同时根据大部分区域停采时间较长、局部停采时间稍短等多种情况，可以综合判断该区采空区整体趋于稳定，局部回采及私采地段稳定性较差。

2.6综合评价

由稳定性影响因素分析可知，影响研究区稳定性的因素是多方面的，只考虑一两项因素的局限性、片面性很大，不能够全面、客观地反映真实情况，因此本次评价考虑选取上述7种评价因子引用模糊数学理论进行综合评判。

2.6.1建立模糊矩阵[2]

首先建立各因子的隶属度函数，然后根据各因子的实际值建立单因子评价矩阵。

对于数值越大对地表稳定性影响越大的因子，其隶属度函数为uij=1-ui，j-1（Xi），Si，j≤XiSi，j+1-XiSi，j+1-Si，j，Si，j+1≤Xi

u610～20 m二级20～30 m三级>30 m四级3个一级

u72个二级1个三级0个四级

2.6.5评价结果

将研究区划分成50 m×50 m大小正方形网格，然后对每一个小格均进行模糊综合评判，综合评价结果见图1、表4。选取Ⅳ区进行钻探验证，钻孔显示采空区顶板为页岩、泥岩，顶板部分塌落，采空区充水，与地表不稳定变形迹象和综合评价结果一致，符合本区实际。

稳定性分区分区代号面积/m2分布位置综合评判标准分区说明不稳定Ⅳ87 004公路以南山坡—变电站地段，三道边村—变电站地带8～10该区域同时经历国有、集体及个采等多个阶段，早期采空区预留煤柱进行了回采，采空区埋深89～190 m，采厚5 m，对应采深厚比为17.8～38，采空区埋藏深度由南向北逐渐加大，区域上出现过大量塌陷坑，区内有东西向逆断层通过，岩层较破碎。东南、西南角区域煤层浅，私采、回采频繁。地表移动处于变形阶段，剩余沉降量与冒裂带厚度大。现状条件下不稳定。欠稳定Ⅲ91 436三道边村北部及变电站东部条带区域5～7.5该区域采空区埋深80～200 m，采厚4～5 m，对应采深厚比为16～40，采空区埋藏深度由南向北逐渐加大， 1998-2006年对上述开采水平煤柱进行了回采，区域曾出现过大量塌陷坑。地表大部分处于衰退期残余变形区，局部剩余沉降量较大。现状条件下欠稳定。基本稳定Ⅱ50 136变电站北部、靠近边界地带3～5煤层埋深较大，一般200 m以上，多留有保护煤柱，煤层厚度2～5 m，局部进行开采，地表未发现塌陷坑、未发现房屋裂缝等。区内东西向断裂通过。地表移动处于衰退期，剩余沉降量较小，现状条件下相对较稳定。稳定Ⅰ2 479分布在评价区

西北角1～3区域煤层埋深大，仅进行了部分巷道工程，煤层尚未开采，区内未发现塌陷坑。现状条件下稳定。

3结语

运用模糊数学理论方法对承德三道边研究区进行了稳定性评价，评价结果给出了不稳定、欠稳定、基本稳定、稳定等分区，经部分区域钻探、地面调查等验证评价，结果符合客观实际。评价结果为后续注浆治理、监测等提供了可靠依据，同时该评价方法可为同类采空区稳定性评价提供参考。

本评价方法需要在充分掌握评价区地质、水文、采矿等情况的基础上应用，对各评价影响因子了解程度的要求较高；另外，评价因子权重的确定对评价人员的专业性和经验要求较高。因此将来可在上述方面做一些深入研究和改进。

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