（地质工程专业论文）黄陵矿区采煤工作面地面塌陷特征及覆岩破坏规律研究.pdf

论文题目：黄陵矿区采煤工作面地面塌陷特征及覆岩破坏规律研究 专 业：地质工程 硕 士 生：董震雨 （签名） 指导教师：侯恩科 （签名） 摘 要 黄陵矿区地处陕西省黄陇侏罗纪煤田东部，煤炭资源量丰富。煤层采出后，土地、 水资源、建筑物、生态环境及交通受到严重破坏。因此，黄陵矿区地面塌陷特征及煤层 上覆岩层破坏规律的研究对黄陵矿区矿井安全生产、土地资源保护、水资源保护、采动 建筑物保护、生态环境保护及政府决策有重要的理论意义和实用价值。 通过对黄陵矿区地面塌陷进行实地调查及分析，认为黄陵矿区地面塌陷（非连续变 形）的类型主要有塌陷盆地与裂缝，并总结出黄陵矿区地面塌陷（非连续变形）的主要 影响因素有开采深度及基岩厚度、工作面宽度与采厚、覆岩岩性结构与关键层厚度、地 形地貌等。 应用建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中的公式、 矿 井水文地质工程地质勘探规范中的公式、数值模拟、经验数据与实测数据对黄陵矿区 “两带”发育高度进行了综合分析，认为应用规程与规范中公式所计算出的裂采 比较实测值小，数值模拟、经验值所得裂采比与实测值较为接近，即裂采比在 25.2-27.5 之间，采用裂采比 28 来预计黄陵矿区“两带”的发育高度是比较适宜的。在此基础上对 黄陵二号矿首采区进行了水害预测，认为黄陵二号矿首采区大部分为水害低度危险区， 中北部为水害中度危险区。 根据数值模拟及野外调查分析，总结出黄陵矿区地面发生非连续性变形的覆岩破坏 模式，即煤层开采后自下而上依次形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带（包括关键层局部 拉破坏区及松散层破坏区） ，弯曲下沉带与裂隙带之间不存在自由空间，关键层局部拉 裂破坏是岩体强度的弱化引起的。 关 键 词：黄陵矿区；地面 塌陷；数值模拟 ；规律研究 研究类型：基础研究 subject : study on the characteristics of land collapse and failure law of overlying strata in coal face of huangling mining area specialty : geological engineering name : dongzhenyu （signature） instructor : hou en-ke （signature） abstract huangling mining area lies in the east part of huanglong jurassic coalfield, and it is abundant in coal resources. after excavating the coal seam from underground, land resources, water resources, building, ecological environment, and transportation would be destroyed seriously. so study the characteristics and failure law of overlying strata is important to the safe of mine, land resources, water resources, buildings, ecological environment and governments policy-making in huangling mining area. based on the survey and analyse of the land collapse (discontinuous deformation), there are 2 land collapse types that are collapse basin and collapse slot are summarized. the paper conclude that main factors influenced the land collapse (discontinuous deformation) are the mining depth and the thickness of bedrock, the width of working face and the mining height, overlying rock and the thickness of key strata and landform et al. this paper using formulas from the regulations (regulations for setting coal pillar and mining under buildings, water bodies, railways and main roadways) and norms (national exploration norms for hydrogeology and engineering geology of coal mine), numerical simulation, empirical data, and the measured data to analyze the development law for two zones of overburden rock in huangling mining area. the ratio calculated by formulas of regulations and norms is less than measured value；the data obtained by numerical simulation and experience are close to the measured value, the ratio range from 25.2 to 27.5. after comprehensive analyzing, it is feasible to predict the development height for two zones of overburden rock in huangling mining area using the ratio 28.then based on the analysis above, water-disaster prediction figure in huangling second mine first mining area is made and the most area fall into low danger area and northeast of the first mining area belong to medium danger area. through numerical simulation, and field survey and analysis, it summarize the model of overlying strata failure with the land collapse (discontinuous deformation) developed in huangling mining area, which is cavied zone, fractured zone, continuous deformation zone( the local tensile failure areas of the key strata, and the failure of the loose strata). there are not free space between continuous deformation zone and fractured zone. the local tensile failure area of the key strata is only the weakening of rockmass strength. key words: huangling mining area land collapse numerical simulation law thesis : foundation research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭是我国的主要能源，占消耗能源的 70%以上，煤炭在现在及将来相当长的时期 内仍将是我国的第一能源。煤炭的开采和利用，给我们带来了巨大的经济效益和社会效 益，但同时也给矿区生态环境带来了一系列损害与影响。地下煤炭资源的大规模开采利 用，破坏了上覆岩层的稳定性，不可避免会导致地表发生地面塌陷、地裂缝、塌陷坑以 及由地面塌陷引发的滑坡、崩塌等地质灾害的负面效应。地表塌陷面积影响一般是地下 采空区面积的 1.2 倍1，经有关部门测算，全国累计煤矿采空塌陷面积已超过 7000km2， 平均每采万吨煤就塌陷土地 2000m2，高者可达 2600m2，据此估算全国每年因采煤塌陷 土地 300km2。此外，采煤还严重破坏了地下水的均衡，造成地下水位下降数十米，甚 至上百米，使水资源短缺，泉水干枯。根据 2005 年陕西省矿山地质环境调查显示，陕 西省煤矿采空区地面塌陷达 239 处，塌陷面积达 265.87km2，造成的直接经济损失达 13775.7 万元2。 煤炭开采所造成的采空区地面塌陷问题已成为矿区人民关心的要点、 政 府工作的重点、社会关注的热点、新闻媒体的焦点。 1.1.2 研究意义 黄陵矿区，位于陕北黄土高原南部的低山丘陵区，地处陕西延安地区的南沿，东靠 洛川，南连宜君，西接彬长矿区和甘肃正宁，北邻富县，介于西安和延安之间，面积 2600km（图 1.1） 。矿区以煤炭开采为主，自解放初期至今，在黄陵矿区已新建、扩建 的大中型煤矿有 8 个，共计设计生产能力 1500 余万吨；乡镇、个体煤矿 160 余个，主 要分布在南川河两岸，一般生产规模 1-5 万吨/年，合计生产能力在 250 万吨左右。然而 矿区山峦起伏、沟谷纵横，流水侵蚀切割强烈，山地丘陵密集，黄土覆盖层厚，黄土本 身的特性，如湿陷性、大空隙、垂直节理发育、力学强度较低等3；矿区煤层露头广泛， 埋藏较浅，地表塌陷分布广，造成了黄陵矿区地面塌陷的特殊性。地面塌陷使当地建筑 物受到不同程度的破坏，尤其是采空区上部的房屋建筑等；而且容易诱发山体滑坡与崩 塌等重力型地质灾害，破坏土地资源，水土流失严重，给当地人民生活带来了一定的影 响。因此，研究黄陵矿区地面塌陷特征、覆岩移动破坏、两带（垮落带和裂隙带）发育 高度，对黄陵矿区未来开发采动过程中建筑物的保护、生态环境的保护、水资源的保护 及水害预测、矿区居民的生命财产安全以及政府的决策有重要的理论意义和较大的实用 西安科技大学硕士学位论文 2 价值。 图 1.1 黄陵煤矿交通位置图 1.2 研究现状分析 1.2.1 开采沉陷的预计方法 地表移动下沉的预计目前已形成了各种各样的预计理论，概括主要有以下几种方 法： 1）连续介质力学方法 连续介质力学方法是将上覆岩层视为一种连续介质，按现有的力学方法求解上覆岩 层移动和变形的过程。以连续介质力学为基础的方法能够较好的反映岩层及地表沉陷力 学发展过程的本质。主要应用的理论包括弹性理论、塑性理论、粘弹塑性理论、断裂理 论等。 2）数值计算方法 数值计算方法是基于计算机技术的一种方法， 它可以解决某些理论研究的计算过于 复杂而实际无法计算的问题。近年来，随着计算机技术的发展，数值计算方法在开采沉 陷预计中得到广泛应用，目前，常用的计算方法有边界元法（boundary element method, 1 绪论 3 bem） 4、有限单元法（finite element method, fem）4-7、离散单元法（discrete element method, dem） 4，6，8、拉格朗日元法（fast lagrangian analysis of continua, flac）9-11 等。这些方法应用于开采沉陷预计与研究中，促进了开采沉陷学的发展，对由地下开采 引起地表的移动及变形机理有了更准确的认识。 本文主要应用基于拉格朗日元法的有限差分软件 flac3d 进行煤层开采后的覆岩 破坏规律研究， 该方法计算速度快、 占用内存小11-13， 适合于求解非线性的大变形问题， 其按时步采用动态松驰的方法求解，不像有限单元法那样需要形成刚度矩阵、求解大型 联立方程。 数值模拟采空区上覆岩石移动与破坏规律方面， 国内外许多学者进行了研究， 比较有影响的有：我国学者谢和平等9（1999）将基于拉格朗日元法的有限差分软件 （flac）用于煤矿开采沉陷及预测方面，指出了：对表土层（黄土、土砾层等）采用 莫尔-库仑屈服准则，煤岩层采用虎克-布朗（hoek-brown）强度准则，主要是因为表土 层是塑性较强的弹塑性地质材料，在材料达到屈服极限后，可产生较大的塑性流动，岩 石破坏后强度有所降低，产生弱化，这是莫尔-库仑准则所不能反映的，而虎克-布朗 （hoek-brown）强度准则能更好的表述岩石破坏的情况9 ，14。谢和平9、余学义15的研 究得出结论莫尔-库仑和虎克-布朗准则的组合模型能更好地反映开采沉陷的基本规律， 模拟精度高。 3）相似材料模拟方法 相似材料模拟方法是根据相似原理，将矿山岩层以一定比例缩小，用相似材料做成 模型，模拟煤层开采，观测模型上岩层移动和破坏的方法16。相似材料模拟的理论基础 是相似三定理4 ，5，16。相似第一定理（相似正定理）可叙述为：凡是相似的现象其相似 指标为 1，或者说凡是相似的现象，在对应瞬间对应点上的同名相似准数相等。相似第 二定理（定理）可表述为：设某现象有n个物理量，其中k个物理量的量纲是相互独 立的，那么这n个物理量之间的关系可表示为（n-k）个相似准数 1 ， 2 ， 3 ， kn 之间的函数关系，即： 0),( 321 kn f 相似第三定理（相似逆定理）可表述为：对于同一类物理现象，如果单值条件相似， 而且由单值条件组成的相似准数的数值相等，则现象相似。 利用相似理论进行煤层上覆岩层和地表移动变形的研究，可由相似第三定理建立模 型，应用相似第二定理处理观测数据，应用相似第一定理和第二定理进行实际的岩层和 地表移动预计。 4）经验方法 开采沉陷预计的经验方法主要有剖面函数法和典型曲线法。 根据不同开采条件下地表下沉盆地剖面形状，确定不同的剖面函数来描述下沉盆 西安科技大学硕士学位论文 4 地，作为预计地表移动和变形的公式，这种预计地表移动和变形的方法统称为剖面函数 法。其优点是利用数学式子进行数学分析和使用计算机解算，使用方便且直观，利用较 少的实测资料就可以确定预报公式的参数值。但是，剖面函数不一定符合实际下沉盆地 的形状，特别是预报特征点变形值可能出现较大的时偏差，而且该方法仅适合于相同地 质采矿条件下的矩形工作面上方的地表移动变形预计4 ，16。因此，这种方法没有被广泛 使用。 典型曲线的基本原理与剖面函数完全相同，以表格或诺谟图的形式表示地表的下沉 和预计点位置的函数关系。我国具有代表性的典型曲线主要有：峰峰矿区和平顶山矿区 的典型曲线。 5）随机介质理论概率积分法4-5 ，16-18 开采沉陷的随机介质理论于 20 世纪 50 年代由波兰学者李特维尼申提出，20 世纪 60 年代初期我国学者刘宝琛、 廖国华在随机介质理论基础上解决了地表移动剖面预计问 题。近 30 年来，又成功地解决了地表移动预计空间问题、覆岩内移动预计问题、露天 开采移动预计问题，发展为概率积分法特殊地表地形问题的预计体系，目前已成为我国 较为成熟、应用最广泛的预计方法之一。 6）影响函数法4 影响函数法是介于经验方法和理论方法之间的一种方法。它首先于 1925 年由德国 的凯因霍尔斯特提出， 后经巴尔斯 （1932） 、 别耶尔 （1944） 、 扎恩 （1944） 、 克诺特 （1950） 逐步完善。影响函数法的基本原理是假定地下微面积的开采对地表任意一点的影响与地 表点距微面积的水平距离有关。 1.2.2 山区地表移动变形研究 由于地形影响，山区煤层开采地表移动变形和地面沉陷规律十分复杂。国外在这方 面研究较少，英国进行过山区地表移动相似材料模拟实验；美国设置山区地表移动观测 站19，取得一些观测成果，但至今未见到有关这方面的资料；s. s. peng 从力学模型分 析了长壁采煤地表沉陷对坡体稳定性的影响，从土体结构与开采沉陷相互作用的关系， 应用简化的连续变形模型20分析了地表与房屋裂缝的关系以及用裂缝角确定最大破坏 区域等问题，对开采裂缝产生的机理并未研究。我国学者何万龙教授在 1980-1985 年根 据山西阳泉矿区地表移动观测资料分析，首次运用叠加原理提出山区地表移动规律及预 计模型，何教授还导出了基于叠加原理和滑移向量分析原理的滑移向量函数模型21-22， 该模型被纳入煤炭工业部 1986 年颁发的建筑物、水体、铁路与主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程 。在这一模型中考虑了地表趋势面倾角、地表倾斜方向角、地表特性 系数等与山区地形特性相关的参数；康建荣、何万龙教授21克服以往模型存在的不足， 于 1990-1992 年在阳泉和西山矿区的山区地表移动观测资料综合分析的基础上，根据采 1 绪论 5 动滑移机理、滑移移动变形关系以及滑移向量分析，借助叠加原理提出了第二代数学模 型；于 1998-2000 年在第一代、第二代数学模型基础上进行优化，建立了第三代预计数 学模型，使山区地表移动预计数学模型趋于完善，并在实践中得到了应用，该模型被纳 入煤炭工业局 2000 年颁发的建筑物、水体、铁路与主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程 ；颜荣贵教授基于随机介质理论的山区概率积分法模型23，只能反映采深变化引起 的移动变形分布的非对称形态，而不能反映采动滑移引起的沟谷上升、移动范围增大以 及山区其它应力、应变特征；关于山区地表移动规律，戴华阳、胡友健24-25等认为山区 采动引起岩层和地表变形导致岩体产生不可忽视的体积变化，但参数需实测资料，导致 在实践中应用的局限性；戴华阳，翟厥成等（2000）26对山西阳泉矿区某矿进行了相似 模拟实验研究， 认为山区地表水平移动与倾斜变形、 水平变形与弯曲变形有相似的变差； 地表点的移动轨迹由平地时的“c”型变成“s”型；地表达到充分采动的临界尺寸增大。 马超，康建荣等27（2001）对山区典型地貌表土层采动滑移规律进行有限元数值模拟分 析，得出表土层内的应力分布与地形有关，并且表土层与基岩接触面是应力集中区域。 胡晋山28对山区留设煤柱进行了一定的探讨。 王晋丽29指出地形微地貌、 表土层性质及 开采方法是决定山区采煤地裂缝分布特征的主要因素。 1.2.3 厚黄土覆盖层采动地表移动与变形研究 国外在黄土层下压煤较少，因此对厚黄土层的地表移动与变形的研究较少，我国学 者不断深入研究，对厚黄土层下采动地表移动与变形有一定的研究成果，高荣久30 （1998）等在陕西省澄合矿务局、山西省霍州矿务局、青海省大通矿务局等厚黄土层地 区进行的抗变形建筑试验中，分析地表观测站实测资料，总结出厚黄土地区地表变形特 点（地表下沉系数偏大、表土层移动角大于 60、厚层黄土地表移动和为变突出表现为 不连续性和集中性、黄土地区地表移动变形周期短、速度快等） ，对厚黄土层地表移动 与变形的预计方法进行简要评价。梁明31（2001）等对铜川矿区 905 厚黄土山区地表观 测站的观测资料进行了具体分析，获得稳定后的走向、倾向主断面移动曲线，建立了走 向主断面的下沉和水平移动表达式，把山区地表移动看作是开采影响分量和开采影响下 的山坡滑移分量叠加的结果。用影响函数叠加法确定出该地质条件下的预计参数，分离 出山区滑移影响参数 p（x） ，并进行了滑移影响的定量分析和移动变形的预计检验。余 学义15（2005）等以蒲白矿区白水河厚黄土层下开采煤层进行数值模拟研究，指出对黄 土层采用莫尔-库仑准则、对煤岩层采用虎克-布朗准则能够更精确的预计湿陷性黄土覆 盖下采动地表损害。吴教锟32对厚黄土层下条带开采进行研究，确定了厚黄土层下条带 开采的最优参数，利用蒲白矿区王家尧头村庄下煤层开采进行验证，并对该矿进行了 flac 数值模拟和相似材料模拟。汤伏全33（2005）应用随机介质理论建立厚黄土层矿 区地表移动预计的数学模型，并提出模型的解算方法及预计参数的确定方法。汤伏全等 西安科技大学硕士学位论文 6 认为基岩面上的移动变形为煤层开采影响传播至基岩面的结果，黄土层的移动变形则是 基岩面上不均匀下沉在土层中影响传播至地表的结果。 1.2.4 黄陵矿区地面塌陷特征及覆岩破坏规律研究 黄陵煤矿区是陕西省正在开发和准备开发的大型现代化矿区，是重要的煤炭生产基 地，但由于矿区所处地质地貌环境及矿区地方煤矿和小煤窑开采历史长，数量多，以及 大型矿区开发中的人类工程活动，矿区范围内存在着严重的多类型的地质灾害，其中就 包括采空区地面塌陷。特别是近年来煤矿开发建设的步伐加快，而矿区又缺乏或没有长 远的环境规划，因而使矿区内地质灾害事件频发，矿区的环境质量急剧恶化，自然地质 灾害与人类灾害，特别是后者，严重威胁着矿区的安全与发展，并给矿区经济带来了巨 大的损失。 西安科技大学杨梅忠等34对黄陵煤矿区环境地质灾害进行初步探讨。 煤炭科学研究 总院和西安科技大学等单位在黄陵矿区垮落带及裂隙带的发育规律、覆岩破坏规律、地 表的移动变形分析、塌陷诱发的滑坡及崩塌等方面进行了相关研究，到目前为止，研究 成果没有公开发表。陕西省国土资源厅 2005 年立项“陕西省煤矿采空区地面塌陷机理 及防治对策研究”并未对黄陵矿区地面塌陷进行研究。因此目前对于黄陵矿区地面塌陷 特征及覆岩破坏规律研究不足，塌陷的条件、过程、时间等问题尚不十分清楚，塌陷时 间的预测尚无较好的方法和成功准确预测的先例，煤矿采空区垮落带、裂隙带高度的发 育规律不清，尚无适合该矿区和该地层结构条件的垮落带和裂隙带预计经验公式。 1.3 研究内容 采动地面塌陷是一门综合性很强的研究课题，涉及到开采沉陷学、岩石力学、土力 学、工程地质学等多学科理论。本文主要研究内容如下： （1）黄陵矿区地面塌陷基本类型及特征研究：黄陵矿区地处黄土丘陵地带，生态 环境脆弱，黄土力学性质差，地面塌陷特征有其特殊性。根据野外调查、实际资料分析， 对黄陵矿区地面塌陷特征及其影响因素进行分析。 （2）黄陵矿区垮落带、裂隙带发育规律研究：研究黄陵矿区垮落带、裂隙带的发 育规律和经验公式。垮落带、裂隙带发育高度的掌握对于合理确定煤层开采范围、开采 厚度、地表建筑物保护煤柱、地表水体保护煤柱、地下水保护煤柱等具有非常现实的意 义。 （3）黄陵矿区综采条件下煤层上覆岩层破坏规律研究：研究黄陵矿区综采条件下 地面塌陷的地质条件、发生过程、应力应变特点。 1 绪论 7 1.4 研究方法与技术路线 1.4.1 研究方法 本论文主要研究黄陵矿区采煤工作面的地面塌陷特征及覆岩破坏规律，在资料收 集、实际调查的基础上，拟通过力学分析及数值模拟等手段，总结黄陵矿区地面塌陷类 型及特征，分析其煤层上覆岩层破坏规律。其研究方法是： （1）野外踏勘、现场调研 对黄陵矿区地面塌陷进行实地调查及分析，总结黄陵矿区地面塌陷的类型和特征。 （2）力学分析 以采空区地面塌陷的实际调查为基础，对黄陵矿区的岩性结构及物理力学性质进行 总结，对黄陵矿区煤层采出后覆岩以及关键层的移动与破坏进行力学分析。 （3）数值模拟 用模拟大变形的有限差分软件（flac3d）以黄陵煤矿区地质资料和地面塌陷资料 为基础，模拟研究黄陵矿区综采条件下的覆岩破坏规律及垮落带、裂隙带的发育规律。 （4）综合分析 根据野外资料的调查与分析、力学分析及数值模拟研究得出的结论，相互补充，综 合分析黄陵矿区开采后覆岩移动破坏规律及垮落带、裂隙带的发育规律。 1.4.2 技术路线 （1）资料收集、整理与总结 主要收集的资料有黄陵矿区的地形地貌、地层岩性、地面塌陷、构造特征、工程地 质特征、煤层的开发利用状况等，并对这些资料进行分析总结，初步了解黄陵矿区地质 结构、塌陷区域等方面的情况。 （2）野外踏勘、现场调研地面塌陷和“两带”的初步分析 野外踏勘、现场调研很关键，主要调查地面塌陷的范围、形态，塌陷诱发的滑坡、 崩塌、裂缝的发育规律，塌陷发生区域的微地貌组合特征，煤层开采特征（采宽、采厚、 采深、推进速度等） ，两带的发育规律等。根据野外调查和实际资料分析，总结地面塌 陷类型和特征，并分析其影响因素。 （3）力学分析与数值模拟分析 选取一典型工作面，进行煤层开采后覆岩应力变化的力学分析与数值模拟分析，并 模拟其“两带”发育高度及覆岩破坏过程。 （4）综合分析 根据野外调查、力学分析、数值模拟研究综合分析黄陵矿区“两带”发育规律和覆 西安科技大学硕士学位论文 8 岩移动破坏规律。 技术路线图如图 1.2 所示。 图 1.2 技术路线图 2 矿井及地质概况 9 2 矿井及地质概况 2.1 矿区位置、交通及开发概况 陕西黄陵矿业集团是黄陵矿区的主要煤炭开采企业，隶属于陕西能源化工集团公 司，黄陵矿业集团目前开采的一号、二号两个矿井井田位于黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区之 东北部，是国家确定规划的十三个大型煤炭基地中陕北、黄陇基地的主要部分。黄陵矿 的具体交通位置如图 1.1。 一号矿位于黄陵县城西北约 25km 处，距店头镇 1.5km，行政区划隶属黄陵县店头 镇、双龙乡、隆坊镇、仓村乡及富县寺仙乡，张村驿乡管辖。地理坐标为东经 1085533-109758， 北纬 353925-355036。 矿区北距延安 199km， 南距西安 220km。 矿区有公路、运煤铁路专用线与西延铁路秦家川车站及 210 国道、铜黄高速相连，交通 便利。 一号煤矿采矿许可范围东西长 4.50-7.0km，南北宽 10-24km，面积 209.93km2。2001 年 11 月 1 日，一号煤矿按阶段建设方案正式投产，2005 年生产原煤 428 万吨，2006 年 生产原煤 491 万吨，2007 年生产原煤 527 万吨，2008 年生产原煤 580 万吨。 二号煤矿东距县城约 55km，其地理坐标为东经 1084234-1085826，北纬 353030-354814，行政区划属双龙镇管辖。本井田交通方便，西安至延安铁路支线秦 家川-店头之煤炭运输专线已经竣工交付使用，距本井田约 25km。黄畛(黄陵-上畛子)公 路东西向从本井田中部穿过。黄陵县距本井田约 40km，其主干公路有 210 国道和铜黄 高速，铜黄高速东达黄陵县城，南达铜川、西安等地。上畛子-槐树庄公路从本井田西 部经过，北达直罗镇、富县、延安，西可达甘肃庆阳等地。井田中部索罗湾村距延安 226km，距铜川 104km，距西安 230km。井田内林区简易公路遍布，交通方便。 二号矿井井田南北长约 31.5km，东西宽 8-17km，矿区面积为 351.9405km2。2006 年年底投产，设计产量 800 万吨/年，届时黄陵矿业集团总产量将接近年产 1300 万吨煤 炭的规模。为使其资源优势尽快转化为经济效益优势，陕西省黄陵矿业集团有限责任公 司决定尽快开发黄陵二号矿井，建设高产、高效现代化矿井。 2.2 自然地理 本区属大陆性半干旱暖温带季风气候。根据黄陵县气象站 1973-1995 年资料统计， 年平均气温 9.31左右，最高气温 35，最低气温-20。年降雨量 539.0-977.7mm，年 平均降雨量 691mm，年最大蒸发量 1300mm。8-10 月份为雨季，最大日降雨量 82.1mm， 6-8 月为冰雹期。 无霜期 191 天， 冰冻期为每年 11 月至次年 3 月。 最大积雪厚度 240mm， 冻土层厚度为 650mm。 常年主导风向为西北和东南， 年平均风速 3.3m/s， 最大风速 25m/s。 西安科技大学硕士学位论文 10 据国家地震局兰州地震大队 1973 年资料， 黄陵矿区在 1599 年 发生过 6 级地震。 1556 年华县大地震、 1815 年山西平陆地震和 1820 年宁夏海原大地震均波及本区。根据建设部颁发的 gb50011-2001 建筑抗震设计规范 （2008 年版）附录 a，本区地震烈度为度， 设计基本地震加速设值为 0.05g，属第二组。 区内水系属洛河水系，常年流水的有沮水河，郑家河，其余均 为间歇性流水，沮水河为区内最大水系，流经井田西南缘，在黄陵 县东注入洛河，全长 100km，平均流量 2.07m3/s。郑家河由北西向 东南流经一号煤矿井田中部， 全长 27km， 注入洛河， 流量 0.192-0.298 m3/s。由于受大陆性季风气候影响，流量随季节变化较大。 2.3 地形地貌 本区处于陕北黄土高原南部，受沮水河及其支流长期切割和侵 蚀，属黄土高原中等切割，沟壑纵横，侵蚀构造地形。区内森林植 被广泛分布，地势呈西北高而东南低，具典型的黄土高原地貌特征。 东北部以黄土塬地形为主，沟谷纵横，塬面支离破碎，切割深度 100-200m，沟底标高 920-1000m，塬面标高一般为 1200m，最高 1463.80m；西南部山峦起伏，沟壑纵横，地形复杂。 2.4 地层与煤层 2.4.1 地层 黄陵矿区位于黄陇侏罗纪煤田东部，综合柱状图见图 2.1，一 号矿综合柱状结构描述见表 2.1， 二号矿地层综合柱状结构描述见表 2.2。 一号煤矿出露和工程揭露的地层由老到新有上三叠统瓦窑堡 组(t3w)、下侏罗统富县组（j1f） 、中侏罗统延安组（j2y） 、直罗组 （j2z）及安定组（j2a） 、下白垩统洛河组（k1l） 、环河华池组（k1h） 及第四系中、上更新统（q2l-3m）和全新统（q4al） 。 二号煤矿钻孔揭露地层由老至新有：三叠系上统永坪组(t3y)、 瓦窑堡组(t3w)；侏罗系下统富县组(j1f)；中统延安组(j2y)，直罗组 (j2z)、安定组(j2a)；白垩系下统宜君组(k1y)、洛河组(k1l)、环河华 图 2.1 综合柱状图 池组(k1h)；新近系上新统(n2)；第四系中、上更新统(q2+3)，全新统(q4)等地层。 2 矿井及地质概况 11 表表 2.1 黄陵矿区一号煤矿井田地层综合结构描述黄陵矿区一号煤矿井田地层综合结构描述 地层 单位 厚度（m） 最小最大 一般 岩 性 描 述 系统 组 第 四 系 全新统 q4 0-6.70 4.10 以亚粘土、亚砂土为主，下部为砂跞石层 中上更新统 q2+3 0-62.40 39.77 以灰黄色亚粘土、 亚砂土为主， 中间多层钙质 结核与古土壤层。 新 近 系 上新统 n2 0-61.00 26.00 上部为淡红色砂质粘土层， 含钙质结核， 下部 为灰紫色砾岩。 白 垩 系 下统 环河华池组 k1h 0-274.82 165.00 为紫灰色细砂岩和紫灰紫红色粉砂岩互层， 中夹薄层紫灰色泥岩。 洛河组 k1l 137.80-326.20 200.00 为紫红色和棕红色巨厚层状长石、石英砂岩， 发育大型板状斜层理，泥质胶结，疏松。 侏 罗 系 中 统 安定组 j2a 0-52.00 30.00 下部为黑色页片状泥岩活油页岩，中部为紫 灰、 浅黄色泥岩夹紫灰、 浅红色白云质泥灰岩， 钙质粉砂岩， 上部为暗紫、 紫灰色泥岩和钙质 泥岩互层。 直罗组 j2z 25.00-199.12 120.00 左右 下段之下部为灰绿、 灰白色厚层状中粗粒砂 岩， 上部为灰绿色粉砂岩夹薄层细砂岩。 上段 底部为紫红色、紫灰色细粗粒砂岩或砂跞 岩，富含浅红色长石砾为特征，上部为灰绿， 浅红色泥岩，砂质泥岩夹细砂岩薄层。 延安组 j2y 0-188.00 50-120 为区内含煤地层，按沉积旋回和含煤性自 上而下分为四段： 第四段仅分布在矿区北部，由灰灰白色 细砂岩、深灰、灰绿色泥岩，粉砂岩组成，岩 性组合呈下细上粗特点。厚度 0-22 米一般 10 米左右。 第三段由一个沉积旋回组成。底部为细粒 砂岩，下部为粉砂岩夹泥岩，含 0 号煤层。中 上部为一套灰黑、 黑色泥岩， 夹薄层砂质泥岩、 粉砂岩、 细粒砂岩。 厚度 0-58.92 米， 一般 20-30 米。 第二段由三个沉积旋回组成。下部旋回为 灰白色细砂岩， 上部泥岩含 1 号煤层。 中部旋 回为深灰色粉细砂岩与泥岩和砂质泥岩互层。 上部旋回为一套灰黑、黑色泥岩。厚度 2.90-69.18 米，一般 56 米。 第一段为主要含煤段，由一个旋回组成， 下部为灰、白色中细砂岩，中上部为灰、灰黑 色泥岩及砂质泥岩夹粉砂岩， 含 2 号主要可采 煤层及 3 号煤层，顶部为黑色泥岩。厚度 0-29.37 米，一般 16 米左右。 西安科技大学硕士学位论文 12 续表 侏罗系 下统 富县组 j1f 0-85.30 9.05 下部为灰绿、 灰白色砂岩或砂跞岩， 中部为杂 色泥岩， 上部为灰绿色粉砂岩与杂色团块状泥 岩互层，夹鲕状菱铁矿薄层。 三叠系 上统 瓦窑堡组 t2w 厚度不详 为灰绿色、 灰黑色泥岩、 细砂岩、 粉砂岩互层， 含薄煤层和煤线。 永坪组 t3y 厚度不详 为灰绿色、 黄绿色厚层状细粒砂岩为主， 与薄 层泥岩、粉砂岩呈互层状，砂岩含油，层面有 虫孔构造，水平层理发育。 表表 2.2 黄陵矿区二号矿井田地层综合结构描述黄陵矿区二号矿井田地层综合结构描述 地层 单位 厚度(m) 最小-最大 一般 岩 性 描 述 系统 组 第 四 系 全新统 q4 0-9.70 5.00 以亚粘土、亚砂土为主，下部为砂砾石层。 中上 更新统 q2+3 0-200.00 50 左右 以灰黄色亚粘土、 亚砂土为主， 中夹多层钙质 结核与古土壤层。 新近系 上新统 n2 0-61.00 26.00 上部为淡红色砂质粘土层， 含钙质结核， 下部 为灰紫色砾岩。 白 垩 系 下统 环河华池 组 k1h 0-345.07 152.00 为紫灰色细砂岩和紫灰-紫红色粉砂岩互层， 中夹薄层紫灰色泥岩。 洛河组 k1l 0-348.00 170 左右 为紫红色和棕红色巨厚层状长石、石英砂岩， 发育大型板状斜层理，泥质层理，疏松。 宜君组 k1y 0-36.84 13.00 左右 为灰色、 紫灰色砾岩， 厚层状， 硅、 钙质胶结， 坚硬。砾石成份以石英岩、灰岩砾为主。 侏 罗 系 中 统 安定组 j2a 0-54.00 25.0 左右 下部为黑色页片状泥岩或油页岩，中部为紫 灰、 浅黄色泥岩夹紫灰、 浅红色白云质泥灰岩， 钙质粉砂岩， 上部为暗紫、 紫灰色泥岩和钙质 泥岩互层。 直罗组 j2z 0-215.00 140.00 下段之下部为灰绿、灰白色厚层状中-粗粒砂 岩， 上部为灰绿色粉砂岩夹薄层细砂岩。 上段 底部为紫红色、 紫灰色细-粗粒砂岩或砂砾岩， 富含浅红色长石砾为特征， 上部为灰绿、 紫红 色泥岩，砂质泥岩夹细砂岩薄层。 延安组 j2y 0-188 50-120 为区内含煤地层， 按沉积旋回和含煤性自上而 下分为四段： 第四段仅分布在矿区北部，由灰-灰白色 细砂岩、深灰、灰绿色泥岩，粉砂岩组成，岩 2 矿井及地质概况 13 性组合呈下细上粗特点。厚度 0-22 米一般 10 米左右。 第三段由一个沉积旋回组成。底部为细粒 砂岩，下部为粉砂岩夹泥岩，含 0 号煤层。中 上部为一套灰黑、黑色泥岩，夹薄层砂质泥岩、 粉砂岩、细粒砂岩。厚度 0-55 米，一般 20-30 米。 第二段由三个沉积旋回组成。 下部旋回为 灰白色细砂岩， 上部泥岩含 1 号煤层。 中部旋 回为深灰色粉细砂岩与泥岩和砂质泥岩互层。 上部旋回为一套灰黑、黑色泥岩。厚度 0-73 米，一般 40-50 米。 第一段为主要含煤段， 由一个旋回组成， 下部 为灰、白色中细砂岩， 中上部为灰、灰黑色 泥岩及砂质泥岩夹粉砂岩， 含 2 号主要可采煤 层及 3 号煤层，顶部为黑色泥岩。厚度 0-48 米，一般 15 米左右。 侏罗系 下统 富县组 j1f 0-85.30 5-20 下部为灰绿、 灰白色砂岩或砂砾岩， 中部为杂 色泥岩， 上部为灰绿色粉砂岩与杂色团块状泥 岩互层，夹鲕状菱铁矿薄层。 三叠系 上统 瓦窑堡组 t3w 厚度不详 为灰绿色、 灰黑色泥岩、 细砂岩、 粉砂岩互层， 含薄煤层和煤线。 永坪组 t3y 厚度不详 为灰绿色、 黄绿色厚层状细粒砂岩为主， 与薄 层泥岩、粉砂岩呈互层状，砂岩含油，层面有 虫孔构造，水平层理发育。 2.4.2 煤层 一号煤矿煤层赋存于中侏罗统延安组中下部，共含煤四层，自上而下编号为 0、1、 2、3 号煤。煤层总厚 3.73m，含煤系数为 3.27%。除 2 号煤层全区可采外，其余煤层均 不可采。 2 号煤为矿区内主要可采煤层。位于延安组第一段（j2y1）中上部，七里镇砂岩之 下。除西南部西峪、南峪口无煤区及东北部沉积岩尖灭外均有分布。煤厚 0-5.72m，平 均厚 2.17m，属中厚煤层。 2 号煤属稳定-较稳定煤层。中部广大地区，煤厚稳定（变化系数为 13-20%） 。南、 北二侧煤层厚度逐渐变薄至不可采。中部的煤厚与北东向褶曲密切相关，即背斜部位煤 薄，向斜部位煤厚而稳定。 煤层结构属简单-较复杂类型。含夹矸 0-3 层，单层厚度一般在 0.15m 左右，最大 总厚为 1m，岩性多为灰色泥岩、炭质泥岩、粉砂岩。分布规律是向斜轴部煤层结构较 西安科技大学硕士学位论文 14 复杂，夹矸 2-3 层，最多达 5 层，垂向上煤层下部结构较复杂，上部结构简单；背斜轴 部一般不含或仅含一层夹矸。 二号煤矿侏罗系中统延安组为井田内含煤地层，厚 7.44-135.18m，平均厚 92.30m。 共含煤 4 层(组)，自上而下依次编号为 0 号煤、1 号煤、2 号煤和 3 号煤(组)，含煤系 数为 3.68%。 可采煤层为 2 号煤层，计量面积 277.31km2，占勘探区面积的 86%，属全井田大部 可采煤层。2 号煤层位于延安组第一段的中下部，k2标志层以下，层位稳定，全井田分 布。煤层厚度 0.05-6.75m，平均 3.91m，可采厚度 0.82-6.05m，平均可采厚度 3.45m。可 采范围：东西宽约 5-8km，南北长约 32km。 2 号煤层厚度变化较小，且变化规律明显，全井田大部可采，属厚度稳定的中厚- 厚煤层。2 号煤层一般厚度多在 1.30-6.75m 之间，主要赋存于本井田中部的波谷内，保 存完整，形态较为规则。可采范围内煤层厚度虽横跨薄(0.80-1.30m)，中厚(1.30-3.50m) 及厚(大于 3.50m)三个分级，但其变化规律明显，即沿波谷向两侧，向基底隆起区逐渐 由厚变薄。3.50m 以上的厚煤带完全集中在波谷内，而 1.30m 以下的薄煤层均分布于隆 起区和波峰顶部及本井田边缘一带。中厚煤层区和厚煤层区约占全区煤层可采面积的 90%以上。 2.5 构造 黄陵矿区大地构造位置属华北地台鄂尔多斯大型内陆坳陷盆地南部的陕北斜坡带 南缘。总体构造格架为一稳定地台基底上南北向延展，向北西-北北西缓倾的单斜构造。 区内地层平缓，走向北东东，倾向北北西，倾角 1-5，且构造简单、活动微弱，没有较 大的断层发育。在单斜基础上发育一些起伏不大、两翼平缓的北东向宽缓背斜和向斜。 构造类别为一类简单构造。 2.6 水文地质 区内水系属洛河水系，常年流水的有沮水河，郑家河，其余均为间歇性流水，沮水 河为区内最大水系，由西向东穿过本区，由黄陵县东注入洛河，全长 100km，平均流量 2.07m3/s。郑家河由北西向东南流经一号煤矿井田中部，全长 27km，注入洛河，流量 0.192-0.298m3/s。由于受大陆性季风气候影响，流量随季节变化较大。 根据地下水含水介质及含水特征，黄陵矿区地下含水岩层分为两大类：第一为第四 系松散层孔隙裂隙地下水；第二为基岩裂隙孔隙地下水。其中第四系松散层孔隙裂隙地 下水分为第四系全新统冲、洪积层潜水地下水（q4）和上、中更新统黄土裂隙孔隙潜水 地下水（q2l+3m） 。基岩裂隙孔隙地下水分为白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙地下水 （k1l） 、侏罗系中统直罗组下段砂裂隙孔隙地下水（j2z1） 、三叠系上统永坪组和瓦窑堡 2 矿井及地质概况 15 组砂岩裂隙地下水（t3y-t3w） 。以上为富水性较强的含水层，另外一号煤矿还包括中侏 罗统安定组泥灰岩局部含水层（j2a） 。 相对隔水层分为侏罗系中统直罗组上段相对隔水层（j2z2）侏罗系中统延安组上部 相对隔水层（j2y 上）侏罗系中统延安组下部与富县组相对隔水层（j 2y1下，j1f） 。 2.7 采矿地质条件的特殊性 黄陵矿区开采地质条件特殊性主要表现在： （1）本区地势西北高东南低，地貌东北部以黄土梁塬和黄土沟壑为主，西南部山 峦起伏，沟壑纵横，地形复杂，植被覆盖广泛； （2）本区地形起伏高度变化大，一般在 50-120m 范围； （3）湿陷性黄土覆盖层厚度大，一般在塬面厚达 100-150m 以上，在沟壑底部一般 在 50-80m； （4）煤层埋深较深，埋藏深度一般在 200m 以上，煤层厚度不大，可采煤层厚 0-6.75m； （5）区域地质构造较为简单，次生褶皱、断层构造不甚发育，煤层倾角和煤层厚 度较为稳定。 西安科技大学硕士学位论文 16 3 黄陵矿区地面塌陷类型及特征 3.1 地面塌陷现状 随着一号矿三盘区的开采，目前地面出现明显塌陷的地区有两处:南河寨和刘家园 塬面， 地表塌陷区范围为塬面下对应工作面沿顺槽向外推 100m 左右， 沿切眼向外推 60m