煤矿矿区地面塌陷成因及控制措施研究

刘 春 刘 上 李 超

(重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331)

地面塌陷是指通过地下施工的手段将地下赋存的矿石岩土开采运移至地面后，原矿石岩土存在的区域临空成为采空区，导致周围围岩应力重新分布再平衡过程中出现破坏，上覆岩体涌入采空区，岩土体应力重新分布并调整到新的平衡过程中,采空区之上的上覆岩土层发生位移变形形成凹陷盆地、漏斗状地洞和台阶状断裂的现象[1]。地面塌陷会导致房屋墙壁开裂，耕田破坏，产生长期积水区，对铁路、公路造成割裂性破坏，严重影响人们的生产生活及交通出行，造成巨大财产损失和生命安全威胁。地面塌陷形成原因众多复杂，并且受围岩性质、地形地势、地质构造、水文条件、自然降雨及人类活动等多方面因素影响。本文依靠重庆市教委科研资助项目，以山东省新泰市煤矿采空区地面塌陷为研究对象，深入研究该地区导致地面塌陷的影响因素，并对重庆地区采空区地面塌陷控制措施制定提供借鉴。

1 塌陷区状况

根据《山东省新泰市煤矿采空区调查评价报告》，全市受灾情况如表1所示。

从表1中可以得出，该地区地面塌陷范围较大，类型主要为地面沉降及塌陷坑，具有典型的塌陷区特点。地面塌陷给当地人民群众生产生活带来极大影响，并且给当地环境造成不可修复的破坏，因此对该地区地面塌陷形成原因进行探究分析是具有现实意义的。本文拟采用事故树分析方法对该地区地面塌陷原因进行分析，并提出控制措施。

事故树分析法是将某一个已发生的事故作为顶上事件，通过逐层深入剖析，自上而下找出导致不良结果的所有因素。事故树分析法是一种通过由果找因的方式，一方面它能够找出引发事故的最直接原因，另一方面也能揭露事故发生的间接原因[2-3]。通过对最小割集和结构重要度[4]求解分析，得到煤矿采空区地面塌陷原因集合。

表1 新泰市地面塌陷情况统计表

2 实例应用

（1）建立事故树模型

通过查阅前人资料和对近几年事故的分析，在对地面塌陷事故有充分了解后，依照事故树编制的原则方法，建立地面塌陷事故树模型，如图1所示，地面塌陷基本事件如表2所示。

从图1地面塌陷事故树模型中可以得出导致地面塌陷事故发生的主要因素可以分为4类：

①水的破坏A1：X1超量抽取地下水、X2强降雨、X3地表水倒灌；

②采矿破坏A2：X4开采厚度过大、X5开采深度较浅、X6重复开采、X7爆破震动、X8冒顶片帮、X9放顶煤过多、X10煤柱预留少、X11采空区未回填；

③地质构造薄弱A3：X3地表水倒灌、X12上覆岩层软弱、X13煤层倾角较大、X14毗邻地下水源；

④地下溶洞顶板破坏A4：X15人为破坏、X16水侵蚀。

图1 事故树模型

表2 基本事件表

（2）最小割集计算

本文中的最小割集表示了导致地面塌陷的基本事件集合，每一个最小割集都是一种导致顶上事件发生的途径。采用布尔代数化简法对事故树的最小割集进行计算求解,结果经统计后如表3所示。

通过分析表3的最小割集可得到如下结果：

①地面塌陷是多种相互影响的因素在某个时间段内共同作用下产生的，并不是仅由单一因素所造成。经分析计算，该事故树的最小割集数量为42个。

②最小割集中元素数量越少，其对顶上事件发生的影响越大，在地面塌陷事故树中3个元素组成的地面塌陷最小割集的数量有6个，4个元素组成的地面塌陷最小割集的数量有6个，5个元素组成的地面塌陷最小割集的数量有15个，6个元素组成的地面塌陷最小割集的数量有6个，7个元素组成的地面塌陷最小割集的数量有9个，经计算得出，其中影响度最大的3元素、4元素及5元素的最小割集的数量有27个，占总数的64.3%，说明该地区地面塌陷的可能性较大，需要长期监测控制。

（3）结构重要度分析

结构重要度排序能够直观地反应基本事件对顶上事件的影响大小，通过分析排序，得到事故发生的主要因素，本文采用如下公式计算结构重要度。

式中：

IΦ(i)—第i个基本事件的结构重要度系数；

Kj—第j个最小割集；

nj—第i个基本事件所在的第Kj最小割集中的基本事件个数总和；

K—最小割集的数量；

Xi—第i个基本事件。

根据上述公式得到基本事件的结构重要度排列顺序为：

通过对基本事件的结构重要度排序分析，得到以下结果：

①基本事件结构重要度越大，表示该基本事件发生时对顶事件产生的影响越大。分析结果为“超量抽取地下水”这一基本事件是重要度最大的基本事件，说明超量抽取地下水是导致地面塌陷的主要因素，通过增加多种供水渠道，减少地下水抽取是预防地面塌陷的有效手段。

②从整体重要度排序结果可以发现人类活动产生的破坏影响超过地质构造本身的影响，这就说明超量抽取地下水、采矿活动、地下空间开挖等人类活动是导致地面塌陷的直接原因，地质构造薄弱是导致地面塌陷的根本原因。

3 地面塌陷事故防控策略

通过对地面塌陷事故的分析结果中可以看出，地面塌陷事故的发生是由众多因素共同作用的结果，单一因素并不能导致事故的发生，因此在制定事故预防措施时应从各个因素角度出发，综合考量制定事故防控策略。

（1）抽取地下水时应考虑地下水位对上覆岩层稳定性的影响，不能无限制抽取地下水导致地下出现应力集中区。

（2）在开发地下溶洞旅游资源时，应注意溶洞顶板的加固工作，同时做好地面排水设施的管理，防止强降雨时地表水倒灌。

（3）在开采地质构造薄弱的煤层时，应合理规划采煤工艺，采煤厚度要适中，采煤深度不宜过浅，避免重复开采。

（4）采煤过程中应预留足够的煤柱作为支撑，同时采空区必须做回填处理，可采用矸石回填，或者采取注浆加固等手段。

（5）对于塌陷地区应设置监测点，长期监测地表变形位移量，加强隐患点巡查，做到提前发现、提前通知、提前治理。

4 结语

本文以地面塌陷事故为研究对象，结合具体塌陷区实际情况，构建事故树模型，对地面塌陷事故原因进行了探究，主要得出以下几点结论：

（1）运用事故树对地面塌陷原因进行深入分析识别，识别出导致地面事故发生的主要因素，并归纳为水的破坏、采矿破坏、地质构造薄弱及地下溶洞顶板破坏5种。

（2）通过对事故树最小割集和结构重要度分析，可以发现人类活动产生的破坏影响超过地质构造本身的影响，说明超量抽取地下水、采矿活动等人类活动是导致地面塌陷的直接原因，地质构造薄弱是导致地面塌陷的根本原因。

（3）本文通过事故树由果找因的方法，得到较为全面的地面塌陷的原因，通过地面塌陷事故进行事故树分析，得到的分析结果与实际情况相吻合，证明该方法在地面塌陷事故防治领域具有较高的应用价值。