榆神府矿区煤层开采沟壑区地表下沉系数研究

贺圣林，陈 真

（陕西小宝当矿业有限公司，陕西 神木 719300）

榆神府矿区作为我国煤矿重点建设地区，目前是我国大型煤炭资源生产基地之一。矿区煤层赋存具有采深浅、采高大、多煤层和地表沟壑遍布等特点。近些年随着煤炭资源的大规模开发利用，导致了一系列生态环境问题，如：坡体滑坡、水土流失和植被破坏等。如何准确预计榆神府矿区地表下沉已成为治理该脆弱生态区的基础，将与地表下沉系数具有较强相关性的采矿地质条件（采高、土层、基岩厚度和沟坡角度）作为研究关键参数，开展榆神府矿区煤层开采沟壑区地表下沉系数的研究。

收集相关参考文献及工程资料[1-3]，统计黄土沟壑区地表的典型矿区工作面的参数（采高m、基岩厚度h1、土层厚度h2），以及对应的地表下沉系数。统计结果详见表1。

表1 矿区煤层开采覆岩分布特征与地表下沉系数统计表

根据黄土沟壑区地表的典型矿区工作面参数和对应下沉系数，可分析黄土沟壑区地表下沉系数的主要影响因素。对表1数据进行对比分析，如下。

1）柠条塔N1201工作面下沉系数为0.52，东坡矿508工作面下沉系数为0.69。分析两矿工作面采矿地质条件可以发现，N1201工作面基岩厚度125 m，土层厚度75 m；
508工作面基岩厚度103 m，土层厚度77 m，二者埋深、基岩厚度、土层厚度条件近似。但N1201工作面采高为3.90 m，508工作面采高为2.40 m。因此可以推断采高是影响地表下沉系数的重要因素，采高与下沉系数呈正相关。

2）哈拉沟22407工作面下沉系数为0.62，韩家湾2304工作面下沉系数为0.56。分析两矿工作面采矿地质条件可以发现，22407工作面基岩厚度89 m，土层厚度42m，采高为5.39m；
2304工作面基岩厚度70m，土层厚度65 m，采高为4.50 m。二者采高接近的前提下，地表下沉系数出现明显差异。可以推断是由于基岩厚度和土层厚度的分布不同造成，因此基岩厚度和土层厚度也是沟壑区下沉系数的重要影响因素。

3）此外，黄陵一号302工作面下沉系数为0.83～0.88。工作面为近水平煤层，采高、基岩厚度和土层均匀赋存，下沉系数差异明显的主要原因是受到地表黄土沟壑区沟坡的影响。在沟坡边缘处地表下沉系数为0.88，远离沟坡边缘处，下沉系数为0.83。

综上可知，黄土沟壑区地表下沉系数的大小与采高、基岩、土层厚度和地表沟坡结构存在联系，如何定量分析其内在联系，需通过数学归纳进一步分析。

2.1 影响因素取值区间

根据榆神府矿区煤层赋存特点，结合表1数据，可将基本区间划分为两种情况。

1）将基岩厚度和土层厚度的比值JZ（JZ=h1/h2）作为沟壑区地表下沉系数的单一变量，JZ＞1。

2）将基岩厚度和采高的比值JC（JC=h1/m）作为沟壑区地表下沉系数的单一变量，根据覆岩破坏特征，可分为3种。当JC＜15时，煤层采动后覆岩产生“三带合一”现象时；
当15＜JC＜25时，煤层采动后覆岩仅存在垮落带和裂缝带；
当JC＞25时，煤层采动后覆岩存在垮落带、裂缝带和弯曲带。

2.2 拟合分析

以基采比JC作为x轴，地表下沉系数η作为y轴，对表1的数据利用函数模型进行拟合，得到基于不同JC黄土沟壑地区地表下沉系数变化曲线图1-1。以基载比JZ作为x轴，地表下沉系数η作为y轴，对表1的数据利用函数模型进行拟合，得到基于不同JZ黄土沟壑地区地表下沉系数变化曲线图1-2。

图1 地表下沉系数拟合关系曲线

由图1可知，以JC作为影响地表下沉系数的单一变量的情况下，当30＜JC＜60时，地表下沉系数随基采比的增长而增长。以JZ作为影响地表下沉系数的单一变量的情况下，当1.2＜JZ＜1.8时，地表下沉系数随基载比先减小后增大，当JZ≈1.2时，地表下沉系数取极大值，当JZ≈1.65时，地表下沉系数取极小值。

根据上述规律，得到沟壑区地表下沉系数拟合表达式见表2。

表2 黄土沟壑区地表下沉系数拟合表达式

2.3 地表下沉系数的确定

与平地条件下开采相比，在黄土沟壑区地表下开采，黄土沟壑区地表相较于普通地表可视为一层坡体覆加在平地之上。因此黄土沟壑区地表下沉系数η"计算式可由式（1）表示。

式中：η2为普通地表下沉系数；
Δη为下沉系数附加值；
k2为沟坡在松散层中所占比例。

为了检验拟合表达式和下沉计算式的精确性，以柠条塔矿区黄土沟壑区下的N1114工作面为例。比较分析不同算法下的计算结果，进而验证公示可靠性。N1114工作面开采1-2煤，采矿技术条件见表3。

表3 1-2煤层详细数据

根据表2和式（1），对地表下沉系数进行计算，计算结果见表4。

表4 N1114工作面地表下沉主要参数

柠条塔矿区N1114工作面实测地表下沉系数0.66。以表2公示计算，以基采比计算，η1为0.582。以基载比计算，η2为0.654。与实测结果0.66相比，相对偏差为11.81%和0.91%。采用式（1）计算，η"=0.662，相对偏差为0.30%。综上，当煤层上方为黄土沟壑区地表时，以基载比作为自变量计算地表下沉系数，相较于基采比更精确，误差更小。同时，应考虑由于沟坡产生的滑移附加量，进一步提高下沉系数的预计精度。

1）煤层采动沟壑区地表下沉系数的主要影响因素为沟坡滑移量、采高、基岩与土层厚度。

2）以基载比拟合得到的沟壑区地表下沉系数计算式精度较基采比更准确。

3）通过工程实例验证了以基载比拟合的沟壑区地表下沉系数计算式的可靠性，并提出应考虑沟坡滑移量，进一步提高预计精度。

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