煤矿采空区塌陷影响范围研究

张 雷

山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭矿

煤矿采空区塌陷影响范围研究

张 雷

山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭矿

据统计，我国开采万吨原煤地表塌陷面积为867.1m2，以38亿t计算，每年造成的新增塌陷面积为3.29亿hm2。在煤炭开采带来巨大的经济效益的同时，也带来了不可忽视的地质灾害和环境问题。进行地下开采后，在采空区上部及邻近区域内发现部分居民房屋开裂，部分池塘、水井干涸，局部地表塌陷和漏水等现象，严重影响当地生态环境和人民生命财产安全。因此在充分了解该煤矿采空区的分布情况和现状的基础上进行采空区塌陷影响范围研究具有一定的工程实践意义。

煤矿工程；采空区；塌陷影响

改革开放以来直到21世纪初，因过于重视经济效益而忽视对环境产生的恶劣影响的事件并不少见。自建矿以来，一直采用陷落法管理顶板，由于矿产被开采后留下的采空区不作处理，从而引发了采空区上覆区域产生地表塌陷、道路及房屋开裂，池塘干涸，水井干枯等后果，影响当地居民的正常生活。

1 煤矿采空区地面塌陷机理

引发煤矿采空区地面塌陷的机理主要有三种情况：①采空区的顶板强度不足以支撑上覆围岩；②井下开采导致地下水位下降造成上覆岩体失去顶托；③地下大面积采空，致使采空区周围的岩层发生了较为复杂的移动和变形，最终在地表形成移动盆地。

根据采矿工程的需要，将移动稳定后的上覆岩层按其破坏程度，大致分为三个不同的开采影响带，即垮落带(冒落带)、断裂带、弯曲带。①垮落带是指岩层母体失去连续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区冒落的那部分岩层。冒落带位于覆岩的最下部，紧贴矿层。②裂隙带又称裂缝带。位于冒落带之上，具有与采空区相通的导水裂隙，但连续性未受破坏的那一部分岩层。裂缝带的导水性好，并能向下渗流至采空区，故裂隙带又称为导水裂隙带。③弯曲带弯曲带位于裂缝带之上直至地表。一般情况下具有隔水性，弯曲带高度主要受采深影响。弯曲带上方地表一般要形成下沉盆地，盆地边缘往往出现张裂隙，向下渐窄，直至一定深度便闭合消失。

2 煤矿采煤塌陷区域治理工程存在的问题

2.1 煤矿开采之后缺乏必要的综合性统筹治理计划

煤矿采煤区域出现大面积的塌陷主要与采煤技术有着直接的联系，如开采方式的制定、技术方法的使用等都影响着煤矿采煤塌陷程度。采煤塌陷区域治理工程应该与开采方式相结合，对塌陷区域的治理应该制定完善的治理计划措施，治理工作与煤矿开采同步进行。根据煤矿实际情况，通过科学合理的方式对将会出现的塌陷区域进行统一规划。

2.2 缺乏统一的煤矿采煤塌陷地治理管理机

构煤矿采煤塌陷区域治理工程涉及到的部门较多，应该成立专门的管理组织机构进行工作实行。在我国主要是国土资源部进行管理，但是一些矛盾仅依靠一个部门很难进行妥善的处理，无法协调其中存在的矛盾，职能部门的作用没有发挥出来。

3 煤矿采空区塌陷影响范围的确定

3.1 解析法确定地表塌陷区

采空区塌陷引发地表产生变形和破坏，但地表变形的大小程度和发展延伸，地表会怎样发生移动，变形影响范围有多大，这是一个非常复杂的问题。目前国内划定地表塌陷范围可根据矿区地表移动角参数中的边界角、移动角或裂缝角圈定，由边界角、移动角和裂缝角将地表移动盆地的边界划分为移动盆地的最外边界、移动盆地的危险移动边界和移动盆地的裂缝边界 3 个边界。

对于低潜水位地区，以移动角或裂缝角划定地表塌陷范围较为合适。研究区位于丘陵山区，故本次计算通过井上井下参考对照图上按移动角划定采空区地表塌陷影响范围。为了简化计算，做如下的假设：①上覆岩层、矿体和基岩为均质、各向不同性；②不考虑岩层和矿体中的结构面、裂隙和软弱夹层的影响；③不考虑矿体底板基岩受力和变形对开采范围的影响。

3.2 概率积分法圈定地表塌陷区范围研究

矿岩中分布着众多节理、裂隙和断裂等结构弱面，故可将其看作是松散介质体。而采矿活动引起的岩层与地表移动的过程，类似于松散介质的移动过程。从统计学的观点来看，可将整个开采活动分解为无数个“开采单元”，伴随“开采单元”，地表形成“单元盆地”。整个移动盆地，相当于无数个“单元盆地”的叠加总和。这一过程可以用概率论的方法来揭示，也就是所谓概率积分法。

3.3 数值模拟法圈定地表塌陷区范围

①选取合适的本构模型。采空区岩石典型的破坏特征是存在“横三带”和“纵三”区，说明此时岩石已不是线弹性体，此时的应力应变状态非常复杂，在数值模拟中不能只考虑满足介质的强度条件，那是不符合能量守恒原理的。②考虑岩体损伤面。岩体损伤面充分说明材料的各向异性。因为采空区下部有新的临空面，重力作用会使岩体内部的裂缝不断发育。在此过程中，岩石内部既有旧裂缝的闭合，此时岩石的体应变是负值，又有新裂缝持续产生，导致岩石体积发生膨胀。岩石的失稳程度完全取决于“新裂缝”、“旧裂缝”优势的大小。

3.4 采煤塌陷区的植被恢复

目前，国内外研究表明，利用植物修复大气污染，净化空气质量成本低，废物排出量小，不容易造成二次污染，而且能保持水土流失，美化环境，促使经济生态增长等综合效益。尤其是利用植物降解、降低二氧化硫以及对大城市污染物的吸附、吸收和转移等净化能力来治理大气污染，因此，了解和掌握煤矿沉陷区地质灾害及对大气污染状况，研究植物的选择和配置，恢复区域性植被，为我国大气污染以及生态环境的改善提供科学依据，具有十分重要的意义。

综上所述，本文采用解析法、概率积分法和数值模型模拟分析法 3 种不同的方法，针对采空区地表塌陷现状，采空区现状和工程地质情况，分析了采空区地表塌陷的影响范围，可以看出在工程实践中，采空区地表塌陷和动力状态有着密切的关系，考虑动力状态因素的影响是有必要的。

[1]赵旺，陶干强.某煤矿采空区塌陷影响范围的研究[J].科技视界，2015，17：240-241.

[2]张傲.广西合山煤矿采空塌陷风险评价[D].中国地质大学，2015.

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