煤矿地表塌陷规律及预测方法探讨

李卓

[摘要]煤矿地表塌陷形态多样、破坏程度可大可小，与开采深度、开采活动、矿体倾角、工作面开采区域、工作面数等因素有关。我国常用的煤矿地面沉陷预测方法包括经验法、负指数法、概率积分法等。概率积分法理论、方法基本成熟，国内正积极构建基于GIS技术构建的沉陷数据管理系统，已取得一定进展，但进行推广应用尚有一段时日。

[关键词]煤矿 地表塌陷 规律 预测

[中图分类号]TD82 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-9-138-1

我国是一个煤炭资源利用大国，煤炭开采量居世界第一位，煤炭产生能源约占我国总能源消耗75%～80%，煤炭还是煤炭化工重要原料，为国民经济发展做出了巨大的贡献[1]。但与此同时，煤炭开采与利用也带来一系列社会、环境问题。我国煤炭多埋藏于地下，煤矿开采主要依赖于地下开采，约占90%。地下开采可能致地表土地大面积塌陷、损毁，破坏耕地、林地以及地面建筑，存在安全隐患。近年来，煤矿地表塌陷事故屡见不鲜，累计塌陷面积已达100km2，塌陷所造成的损失大、影响深远、恢复困难，引发的社会的广泛讨论。深入研究煤矿地表塌陷，并进行预测，是降低煤矿塌陷危害的可行方法，本次研究就此进行探讨。

1煤矿地表塌陷规律

1.1煤矿地表塌陷主要表现

煤矿引起的地表塌陷具体表现不尽相同，按照形态、破坏程度大体可分为两类：（1）浅部开采，急倾煤层或厚煤层形成的漏斗状陷坑、台阶状断裂，此类塌陷往往发生较突然，破坏性较大，但多仅限于局部，范围小；（2）深部开采，急倾煤层和开采深度大、倾角较小的煤层发生大范围平缓下沉，发生较缓，但也可造成较大的损失，损毁地面构筑物。按照塌陷体积与深度占开采面比重高低可分为充分开采塌陷与非充分开采塌陷，前者占比在70%以上，只有当采煤区长、宽尺寸达到过超过开采深度1.4倍才可能发生，后者占比在70%以下，可发生于任何类型开采区[2]。通常来说，除开采区外，地下还留存各种未开采或无开采价值的煤柱，这些煤柱对地面具有一定的支撑作用，使地面塌陷空间并不完全与矿道相同，形成凹凸不平的复杂形状。

1.2煤矿地表塌陷基本规律

1.2.1地下开采范围大小

地下开采范围大小对地表下沉起到了较为明显的控制作用：（1）采动程度与下沉系数呈正相关，采深增加则地表移动达到充分采动所需的开采范围增加，开采区域面积与地表塌陷的范围、最大下沉值呈正相关；（2）地表塌陷率、地表水平移动随着采动程度增大而增大，且逐渐趋于稳定。

1.2.2地表影响范围与开采深度有关

一般来说浅部开采地表受影响范围相对较小，下沉移动边界收敛较大，随着深度的增加，地表不连续移动、变形减少，开采深度可控制地表破坏程度。

1.2.3下沉速度随着开采深度增加而趋缓

浅部开采可能存在突然塌陷，而深部开采地面下沉速度较缓，不存在急剧下沉情况，启动下沉至最大下沉速度所需时间也较长。开采深度影响下沉活跃度，开采较深的矿面，下沉速度加速时间短、活跃期时间短甚至无活跃期。

1.2.4与煤层倾斜度有关

地表塌陷值随着煤层倾角度增大而减少，地表最大下沉点随着开采深度的增加，可能发生位移，并不与采空区重合，可能偏向上山方向，地表下沉面积发生较大改变。开采下山方向上的影响范围一般大于上山方向。煤层倾角增大，下山方向上的水平移动减少，上山方向反之。煤层倾角还影响移动边界角值。

1.2.5多个煤层重复开采

地表塌陷还与重复开采有关，最大下沉值较单一煤层增长更多，地表移动范围更大。

2煤矿地表塌陷预测

2.1常用方法

我国常用的煤矿地面沉陷预测方法包括：①经验法，以塌陷实际测量数据为准，提出地表水平变形、倾斜变形等不同变形经验公式，进行准确预测，但因需实测数据，预测具有滞后性；②负指数法，即将采空区上岩体为研究对象，通过测量其拉伸、扭曲、水平变形情况，计算矿区变形情况，进而预测塌陷；③概率积分法，以点的移动变形为规律，建立函数，预测矿区开采对土地影响。本文以第三种方法作为主要探讨内容。

2.2概率积分法预测煤矿地表塌陷

2.2.1概率积分法基本原理

概率积分法预测煤矿地表塌陷理论与方法已基本成熟，其余基于随机介质理论发展而来，任意形状工作面地表变型移动参数计算公式为：

W（x，y）=

其中W0为最大下沉值，b为水平移动系数，r为最大影响半径，H为开采深度，q为下沉系数，m为开采活动，α为矿体倾角，D为工作面开采区域，n为工作面数。

2.2.2主要参数计算方法

下沉系数q：对于水平或倾斜矿体，下沉系数q表示为地表最大下沉值与矿体法线采厚m在竖直方向投影长度的比值。主要影响半径r与影响角正切tgβ：r主要为倾斜值与下沉量值比值，影响角正切tgβ反映地表移动变形范围特征，通常为开采深度H与主要影响半径r之间的比值。拐点偏移距S：最大下沉值1/2处通常被称为拐点，一般位于采空区侧翼区，采空偏界与拐点之间的距离被称为S，其余岩体力学参数、矿体地质赋存条件、采矿技术等因素有关；水平移动参数b，为水平移动最大值与下沉最大值得比值。

2.3开采沉陷管理信息系统

我国煤炭工业发达，国内已有基于GIS技术、随机介质理论构建的沉陷数据处理系统。蔡少华、王金庄、姜仕义、刘增良等对该系统的研发均做出了巨大贡献，初步搭建完成系统总体框架、功能模块、语言开发[2]。需注意的是，因煤矿开采条件复杂，运用的开采技术也不尽相同，地面塌陷影响因素较多，现有的信息系统仍不够全面，目前尚无一个可全面高效实现开采塌陷管理软件，研究成果仍未能转化为产品，数据的观测、收集仍需耗费大量的人力，无法适应现代化矿区管理需要。

参考文献

[1]赵海军，马凤山，丁德民，等.急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理[J].中南大学学报（自然科学版），2009，40（5）：1423-1429.

[2]孟中华.MAPGIS 在金属矿山地表岩层移动监测分析中的应用[J].矿业研究与开发，2011，31（2）：18-21.