淺析煤礦采空區地麵塌陷的防治措施

淺析煤礦采空區地麵塌陷的防治措施趙法鎖，李明（長安大學地測學院 陝西西安 710054）摘要：地麵塌陷對國民經濟建設和人民生命財產造成的危害日益嚴重，應當提倡以防為主，防治結合的原則，本文詳細介紹了煤礦采空區地麵塌陷的預防、治理措施，並以陝西神府煤礦為例，治理災害的同時，保護了生態環境，收到了良好的效果。關鍵詞：地麵塌陷 預防措施 治理措施 地麵塌陷是地質災害的一種，具有發生突然、地點隱蔽的特點。多發育在人口相對較多、經濟較發達的城鎮或工礦區，對國民經濟建設和人民生命財產造成的危害嚴重。根據地麵塌陷的形成機理我國一般將其分為岩溶塌陷、采空塌陷、黃土濕陷三種。它們的形成除自然因素外，往往與人類的生產活動有著密切的關係[1]。采空塌陷治理的目的，是為了減輕人為災害，改善礦區生態環境，安全文明生產。以往多是在塌陷區形成以後，已經造成了危害，才著手進行治理，這種“滯後”的治理行為，常常事倍功半，今後應當提倡以防為主，防治結合的原則。在塌陷區形成之前，就采取“超前”防治措施，即在製定開采設計時就考慮預防措施，並在開采過程中認真實施，包括在采礦過程中所使用的各種“減塌技術和措施”等，如充填采礦法，條帶采礦法，多煤層、多工作麵協調采礦法以及井下支護和岩層加固措施等，采取這些措施能夠大大減少礦區塌陷的範圍、塌陷幅度，減緩塌陷的時間進程，減輕塌陷的危害程度。1.煤礦采空區地麵塌陷的預防措施[2]根據煤炭部關於“建築物保護煤柱留設與壓煤開采”第17條規定，地麵塌陷區圈定也考慮該項頒布的各項技術指標，即傾斜，曲率，水平變形。開采矩形工作麵時的地表移動和變形預計1)坐標係統的建立和變換①坐標係統的建立如圖1所示，坐標係的建立，是在井上、下對照圖1以工作麵水平投影的左邊界和下邊界的交點作為坐標原點、、軸分別平行於煤層走向和傾向，建立直角坐標係。②坐標變換在概率積分法預計地表移動與變形時，坐標係統是以地表下沉曲線拐點的位置為原點的。因此計算公式中的坐標（XA、YA）應以工作麵拐點平移後的計算開采邊界為準，計算開采左邊界和下邊界交點為坐標原點。為此必須在程序中完成坐標變換。移軸計算公式如下： （取負值）式中分別為工作麵沿走向左、右邊界與沿傾向上、下邊界在煤層上的拐點偏移距。並規定拐點向裏（即向采空區方向）S取負值；拐點向外（即向煤柱方向或舊采空區方向）S取正值。—開采影響傳播角；—分別為工作麵沿走向方向和傾斜方向長度的水平投影值（m）。2)地表任意點移動和變形計算公式①任意點A下沉值WA（x、y）的計算、中的概率積分可按下式計算：， 其中：P=0.2316419，C1=0.3198153 C2=-0.356563782，C3=1.7814937 C4=-1.821255978，C5=1.330274429上式中將u用、、、分別代入，便可計算和值。當，，，分別小於等於2時（即時）可按上式計算。反之取、為零。、分別為待求點在走向和傾向主斷麵上投影點處的下沉分布係數。—為充分采支條件下的最大下沉值式中 m—采出煤層厚度（mm） q—地表下沉係數 —煤層傾角（°） t、L—分別為采區拐點平移後走向長度及傾斜長度水平投影值（m）、、—分別是采區走向及傾斜下、上山影響半徑（m） x、y—待求點坐標（m） ②地表任意點傾斜值T 式中： —待求點的最大傾斜值（mm/m） —最大傾斜值方向與OX軸的夾角（°） 、—分別為待求點沿走向和傾斜方向主斷麵上投影點處迭加後的傾斜變形（mm/m）③地表任意點A的水平位移值U，沿指定方向水平移動。待求點A的最大水平移動—最大水平移動方向與OX軸的夾角、—分別為待求點沿走向和傾向在主斷麵投影點處迭加後的水平移動值，對於傾斜方向需加④地表任意點的水平變形值ε沿指定方向的水平變形ε待求點最大水平變形待求點最小變形值（mm/m）最大水平變形方向、—分別為待求點沿工作麵走向及傾斜方向在主斷麵投影點迭加後的水平變形值（mm/m），對於傾斜方向需附加、⑤地表任意點A的曲率變形值K沿指定方向的曲率變形待求點最大曲率變形值待求點最小曲率變形值最大曲率變形方向、—分別為待求點沿走向和傾向在主斷麵投影點處迭加後的曲率值（mm/m）預計出地下煤層采出後地表的各參數變化值，然後根據這些數據在計算機上繪製其等值線圖，再結合本地區的地形和潛水位，即可確定出采煤對地表破壞的範圍和程度。雖然地麵塌陷具有隨機、突發的特點，有些防不勝防，但它的發生是有其內在和外部原因的。我們完全可以針對塌陷的原因，事前采取一些必要的措施，以避免或減少災害的損失[1]。1)減少地表水的下滲。應注意雨季前疏通地表排水溝渠，降雨季節時刻提高警惕，加強防範意識，發現異常情況及時躲避;其次，應加強地下輸水管線的管理，發現問題及時解決;同時要做好地表水和地下排水係統的防水工作，特別應加強居民廚房下水道的防水。2)合理采礦，預留保護煤柱。合理科學的采礦方案，可以防止或減少塌陷的發生，特別是小煤窯不能影響國礦的安全和開采規劃。采礦單位應向地方規劃部門提供采空區位置及有關資料，以便於工程建設單位根據采空區位置進行勘察設計工作。采煤時建築物下預留保護柱，按等級確定保護帶寬度。3)加強采空區的地質工程勘察工作。地麵塌陷的不斷發生，另一方麵原因是采空區上的工程勘察工作做的不夠。我們應未雨綢繆，加強塌陷區地質工程勘察和資料收集分析工作。對勘察工作確定的重點塌陷危險區，應堅決采取搬遷措施。2.煤礦采空區地麵塌陷的綜合治理措施[3]1) 對采空塌陷區進行土地平整恢複種植，積水窪地采用挖深墊淺，充填煤矸石再覆蓋種植層等。2)對於采空塌陷地裂縫可采用尾礦石回填、灌注漿法等。3)利用塌陷區建立水產區，積極發展養殖業，是充分利用環境發展生產改善生態環境的綜合治理措施之一。4)采礦過程中使用“減塌技術和措施”，減少礦區的塌陷範圍、塌陷幅度，減緩塌陷的時間進程，減輕塌陷的危害程度。5)在大麵積冒落塌陷和已發生地動的地區，在其影響因素未消除之前，仍有再冒落和更強烈地動的可能性，要加強監測。6)重大建設工程(如南水北調工程)選址時，如經過礦區，要查清采空區、塌陷區的分布範圍及穩定性，並做好防治工作。目前，可采用物探手段直觀、清晰地反映出采空區、塌陷區的分布範圍、埋藏深度及采空區頂板岩層的變形情況。7)在采取塌陷區土地複墾和生態恢複措施後，還需要采取生物措施對水土保持體係進行完善，達到原有水土流失得到治理和改善的目的。生物措施主要包括塌陷區複墾後農田防護林網的建設，以達到在恢複農田植被覆蓋率的同時降低風速保護農作物的目的。3.陝西神府礦區的地麵塌陷及其防治對策[4]神府礦區目前已發現的地麵塌陷有大柳塔煤礦1203工作麵地麵塌陷，水井渠礦地麵塌陷和李家畔礦地麵塌陷。1)大柳塔煤礦1203工作麵地麵塌陷1203麵開采1-2煤，工作麵規格為938m×150 m，煤層厚4.61~7.21 m，埋深60m。1993年3月15日開始回采(綜采)，24日采空區150 m×23.32 m時頂板初次來壓，次日發生切落式冒頂，形成地麵塌陷坑，直徑最大5.80 m，深6~7 m。隨采空區擴大，塌陷也逐漸擴大，周圍發育大量地裂縫。2)水井渠煤礦地麵塌陷該礦為一地方小煤窯，1990年建成，地處大柳塔井田的邊界，開采1-2煤，煤厚6~8m，埋深45 m，巷道式開采。1995年夏天，煤礦停采不久發生地麵塌陷，形成4個塌陷坑，周圍發育大量地裂縫。其塌陷坑呈橢圓形，直徑25~78 m，深0.5~18 m。大量煙霧自坑中冒出。3)李家畔礦地麵塌陷鄉鎮礦，開采1-2煤，煤厚8~9 m，埋深50 m。巷道式開采，1996年初停采(原因不明)，同年夏天地麵塌陷成坑，直徑35 m，坑深5.5~7 m，附近地表下沉0.8~1.5 m。3.1成因分析神府礦區地麵塌陷均由采煤引起，分兩種不同情況。3.1.1直接由采煤引起的地麵塌陷這種塌陷主要是在大麵積采空區(綜采工作麵)上方。神府礦區煤層穩定，十分適合綜采，近年來開拓或已完成的綜采工作麵采空區均大於150 m×1 000 m，隨著采空區的擴展，頂板冒落隨時形成，由於煤層埋深很淺，隻有幾十米，頂板破壞很快傳遞到地表，形成地麵塌陷。采空區的不斷擴展，使塌陷的範圍和程度也不斷擴大、增強。大柳塔礦1203、20601工作麵的塌陷均是這種直接由采煤引起的地麵塌陷。3.1.2采空區煤自燃引起的地麵塌陷已發生兩起，均是小煤窯停采後，井巷中的浮煤自燃，引發煤柱自燃，最終導致大麵積煤層自燃而引起地麵塌陷。水井渠煤礦位於大柳塔井田邊緣，為鄉鎮煤礦，設計能力僅3萬t/a，1990年建設，1995年初停產，共采煤6萬t左右，形成了巷道式采空區。回采率很低，遠未達到國家要求。1995年6月，該礦殘巷中浮煤自燃，並逐漸擴展漫延，濃濃煙霧從風井口冒出。7月中旬，地麵塌陷周圍形成大量地裂縫，之後，塌陷範圍逐漸擴大，塌陷坑由一個增至3個。10月底，地裂縫發育到臨近的變電站附近(該變電站承擔神府、東勝兩大礦區的供電任務)，嚴重威脅變電站的安全。該塌陷的形成就是采空區煤的地球化學環境由還原環境變為氧化環境，促使煤的氧化速度加快，在少量地下水的參與下，導致浮煤自燃，並引起煤柱自燃，大麵積燒空後，頂板冒落，形成地麵塌陷。3.2防治對策近年來，有關部門對大柳塔煤礦1203工作麵、水井渠煤礦等的地麵塌陷進行了治理，其方法是將塌陷區填埋墊平，再種草植樹，恢複生態環境，取得了一定的收效。其中1203工作麵上方經治理後，地表沙柳、沙蒿等草木生長良好。4.結語煤礦區采空區地麵塌陷所產生的影響是多方麵的，不僅影響礦區環境質量，而且影響到礦區及其周邊地區的社會環境和經濟環境，所以采取科學合理的預測方法、治理措施尤為重要。參考文獻[1]趙波.地麵塌陷及其預防措施.北京地質,1999[2]紀萬斌.我國東北地區采煤塌陷災害的預測及治理途徑.中國地質災害與防治學報,1997(10):63~66.[3]孫越英,徐宏偉等.焦作煤礦區主要環境地質問題與對策研究.地質災害與環境保護,2006(9):8~9.[4]範立民,楊宏科.神府礦區地麵塌陷現狀及成因研究.陝西煤炭技術.2000