煤矿开采沉陷地质灾害分析及控制措施研究

赵建军

（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037027）

我国煤矿大多具有煤层深度大的特点，因此多数矿井均采用井工开采的方式。井工开采的缺陷在于开采过程破坏性较强，使得煤层的应力重新分布，上覆岩层位置发生改变。岩层移动过程中产生的应力会对地表产生一定影响，造成开采区域地表凹陷，这就是所谓的开采沉陷。此前一段时间，由于经济发达程度较低，煤矿开采区周围往往人口和建筑密集程度较低，因此开采沉陷并未对人们的生产及生活造成实质性影响。现如今，随着经济的发展，煤矿周围的居民区和建筑物的数量都显著增加，因此开采沉陷造成的地质问题就应当引起足够的重视。由于开采沉陷导致的地质灾害通常包括河流阻断、水土流失以及山体滑坡等，对人们的生产及生活安全有着显著影响。本文对煤矿开采沉陷导致的地质灾害进行分类讨论和分析，并在此基础上提出针对性的开采沉陷防控措施。

1 煤矿开采沉陷地质灾害形成机理和类型

为了能够有针对性地对开采沉陷地质灾害进行防控，首先需要明确不同地质灾害的成因和影响。主要针对几种常见的地质灾害类型进行了详细介绍。

1.1 煤矿开采沉陷地质灾害形成机理

随着煤层的不断开采，煤层应力重新分布，当前的应力平衡被打破，应力在重新分布的过程中，上覆岩层会发生一定的移动，而岩层移动产生的应力会导致开采区地表出现沉陷。沉陷量和煤层开采过程的方案设计存在一定关系。根据相关数据可知，开采区的地表沉降存在一定的规律，从开采中心处到边缘逐渐减小，煤层开采地表沉陷曲面示意图如图1所示。沉陷的不均匀性导致岩层结构发生改变，造成地质灾害的出现。

图1 煤层开采地表沉陷曲面示意图

1.2 煤矿开采沉陷引起的地质灾害类型

煤矿开采沉陷造成的地质灾害主要包括地表裂缝、水土流失、地表水断流以及山体滑坡等。其中最为常见的是地表裂缝和山体滑坡，这都是由于岩层的变形造成的。通常情况下，地表裂缝会对建筑物和公共设施的正常使用产生影响，例如墙体裂缝导致建筑物承载能力下降、地表裂缝导致公路出现破坏等。并且随着矿区周围建筑物的密集程度逐年提升，开采沉陷的危害也在日益加重。

通常情况下，开采沉陷造成的地表裂缝为贯穿型裂缝，岩层裂缝较多会对地表水的存储产生较大影响，使得地表难以存储足够的水源来维持动植物的需要，给生态环境造成严重破坏。当前地表裂缝对于生态环环境的影响主要体现在水土流失严重及地表水不足导致农作物产量降低，给人们的日常生活造成了严重的影响。

2 煤矿开采沉陷控制措施

为了避免开采沉陷造成的地质灾害频繁出现，应当对开采沉陷量进行控制。当前较为流行的几种地表沉陷量控制措施主要有划分合理的保护煤柱、离层注浆和充填开采等，主要对此进行比较分析。

2.1 划分合理的保护煤柱

为了从源头上消除开采沉陷给居民生活造成的影响，应当根据人口的密集程度进行开采区域的划分。较为常见的划分方式为划分合理的保护煤柱，也就是根据人口和建筑的分布对开采区域进行限制，将部分区域设置为禁采区。该方法不仅经济成本较低且控制效果较好。应当注意的是，保护煤柱划分时应当根据测量数据进行严格计算，避免划分范围不合理，划分范围过小会导致开采沉陷难以控制，划分范围过大则会使煤矿的效益受到影响，造成煤层开采不充分、不完全。

2.2 离层注浆

应力重新分布导致岩层发生移动，移动过程中岩层间会出现一定的空隙，也就是所谓的离层，地表沉陷与离层的关系示意图如图2 所示。从图2 中不难发现，如果避免了离层的出现，岩层的移动则将很难对地表产生影响。因此离层注浆也是控制地表沉陷的有效方式之一。

图2 地表沉陷与离层的关系示意图

离层注浆的操作流程：在岩层间的离层指定区域进行钻孔，钻孔完毕后向孔中注入水泥浆液，水泥浆液凝固后会将离层充满，从而导致岩层的移动无法传递至地表，离层注浆技术示意图如图3 所示。离层注浆技术操作难度较低且不影响煤矿开采的正常施工，因此使用范围较为广泛。但该方式的主要缺陷在于，注浆效果依赖于对离层位置判断的准确性，且由于煤矿内部存在陷落柱等地质情况，易导致部分区域的注浆效果受到影响。

图3 离层注浆技术示意图

2.3 充填开采

开采沉陷是由于开采过程导致的开采区与煤层间出现一定的采空区，因此为了从源头处避免沉陷量过大，抑制地质灾害的出现，应当对采空区进行充填，即在开采结束后，使用适当的材料对采空区进行充填，从而降低地表的下沉量。

选择合适的充填材料可以降低充填开采技术对环境造成的污染，这也是充填开采未来的发展趋势，通过充填开采方式来避免煤矿开采造成地表水的严重流失，这对于生态环境的保护有着显著作用。此外，通过充填开采的方式也能够降低岩层移动带来的影响，确保地表水的存储，根据实际研究发现，通过对采空区进行充填能够将开采沉陷量降低60%左右。

当前，充填开采已经逐渐在煤矿普及，实际使用效果较好。充填开采的使用能够适当减少保护煤柱的使用以及工作面的迁移次数，提高了煤矿的生产效率，降低了煤矿的经济成本。但是当前充填开采仍然存在一定的不足之处，主要包括：充填材料成本较高，河沙充填效果较好但是成本较高，因此通常采用高水膨胀材料；充填和开采的协调性不够，充填采空区会和正常的煤矿开采过程产生一定冲突，影响煤矿的开采速度。因此，如何处理好二者间的关系成为了当下亟待解决的问题。

2.4 开采沉陷的整治

粉煤灰、煤矸石填充。煤矿开采过程中，顶板、底板等区域会产生大量的矸石，传统开采通常是将其直接堆放在地表，不仅占地较多且会破坏地表环境，因此可以将矸石作为材料进行充填，在可避免环境遭到破坏的同时，还能起到充填开采的效果。此外，电厂工作过程中会产生大量粉煤灰，将粉煤灰作为填充材料能够起到废物利用的效果。

平地、梯田开垦。对沉陷区的治理需要根据实际特点进行，可通过平地、梯田修建来对沉陷区进行整治，以实现该区域的二次利用。梯田修建的相关参数需要根据沉陷区的实际情况进行选取，同时需要该地区有良好的农田灌溉条件。

3 结语

随着可持续发展理念的逐渐深入，我国对煤矿开采沉陷量的控制也逐渐重视。所以如何降低开采沉陷量仍然是当前的热门研究方向之一。开采沉陷量过大的主要原因在于开采过程中应力的重新分布，对于此类问题，当前已经研发出划定保护煤柱、离层注浆及充填开采等多种沉陷量控制方式。通过对相关措施的作用机理和优缺点进行逐一分析，为煤矿开采过程中的沉陷量控制方式的选用提供了借鉴。