淺析煤礦采空區(qū)地面塌陷的防治措施

淺析煤礦采空區(qū)地面塌陷的防治措施趙法鎖，李明（長安大學(xué)地測學(xué)院  陜西西安  710054）摘要：地面塌陷對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)造成的危害日益嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)提倡以防為主，防治結(jié)合的原則，本文詳細(xì)介紹了煤礦采空區(qū)地面塌陷的預(yù)防、治理措施，并以陜西神府煤礦為例，治理災(zāi)害的同時，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，收到了良好的效果。關(guān)鍵詞：地面塌陷 預(yù)防措施 治理措施 地面塌陷是地質(zhì)災(zāi)害的一種，具有發(fā)生突然、地點隱蔽的特點。多發(fā)育在人口相對較多、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)或工礦區(qū)，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)造成的危害嚴(yán)重。根據(jù)地面塌陷的形成機(jī)理我國一般將其分為巖溶塌陷、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(chǎn)活動有著密切的關(guān)系[1]。采空塌陷治理的目的，是為了減輕人為災(zāi)害，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，安全文明生產(chǎn)。以往多是在塌陷區(qū)形成以后，已經(jīng)造成了危害，才著手進(jìn)行治理，這種“滯后”的治理行為，常常事倍功半，今后應(yīng)當(dāng)提倡以防為主，防治結(jié)合的原則。在塌陷區(qū)形成之前，就采取“超前”防治措施，即在制定開采設(shè)計時就考慮預(yù)防措施，并在開采過程中認(rèn)真實施，包括在采礦過程中所使用的各種“減塌技術(shù)和措施”等，如充填采礦法，條帶采礦法，多煤層、多工作面協(xié)調(diào)采礦法以及井下支護(hù)和巖層加固措施等，采取這些措施能夠大大減少礦區(qū)塌陷的范圍、塌陷幅度，減緩塌陷的時間進(jìn)程，減輕塌陷的危害程度。1.煤礦采空區(qū)地面塌陷的預(yù)防措施[2]根據(jù)煤炭部關(guān)于“建筑物保護(hù)煤柱留設(shè)與壓煤開采”第17條規(guī)定，地面塌陷區(qū)圈定也考慮該項頒布的各項技術(shù)指標(biāo)，即傾斜，曲率，水平變形。開采矩形工作面時的地表移動和變形預(yù)計1)坐標(biāo)系統(tǒng)的建立和變換①坐標(biāo)系統(tǒng)的建立如圖1所示，坐標(biāo)系的建立，是在井上、下對照圖1以工作面水平投影的左邊界和下邊界的交點作為坐標(biāo)原點、、軸分別平行于煤層走向和傾向，建立直角坐標(biāo)系。②坐標(biāo)變換在概率積分法預(yù)計地表移動與變形時，坐標(biāo)系統(tǒng)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(biāo)（XA、YA）應(yīng)以工作面拐點平移后的計算開采邊界為準(zhǔn)，計算開采左邊界和下邊界交點為坐標(biāo)原點。為此必須在程序中完成坐標(biāo)變換。移軸計算公式如下：      （取負(fù)值）式中分別為工作面沿走向左、右邊界與沿傾向上、下邊界在煤層上的拐點偏移距。并規(guī)定拐點向里（即向采空區(qū)方向）S取負(fù)值；拐點向外（即向煤柱方向或舊采空區(qū)方向）S取正值。—開采影響傳播角；—分別為工作面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(dāng)，，，分別小于等于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面上投影點處的下沉分布系數(shù)。—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—地表下沉系數(shù)      —煤層傾角（°）    t、L—分別為采區(qū)拐點平移后走向長度及傾斜長度水平投影值（m）、、—分別是采區(qū)走向及傾斜下、上山影響半徑（m）    x、y—待求點坐標(biāo)（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面上投影點處迭加后的傾斜變形（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面投影點處迭加后的水平移動值，對于傾斜方向需加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面走向及傾斜方向在主斷面投影點迭加后的水平變形值（mm/m），對于傾斜方向需附加、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面投影點處迭加后的曲率值（mm/m）預(yù)計出地下煤層采出后地表的各參數(shù)變化值，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)在計算機(jī)上繪制其等值線圖，再結(jié)合本地區(qū)的地形和潛水位，即可確定出采煤對地表破壞的范圍和程度。雖然地面塌陷具有隨機(jī)、突發(fā)的特點，有些防不勝防，但它的發(fā)生是有其內(nèi)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(zāi)害的損失[1]。1)減少地表水的下滲。應(yīng)注意雨季前疏通地表排水溝渠，降雨季節(jié)時刻提高警惕，加強(qiáng)防范意識，發(fā)現(xiàn)異常情況及時躲避;其次，應(yīng)加強(qiáng)地下輸水管線的管理，發(fā)現(xiàn)問題及時解決;同時要做好地表水和地下排水系統(tǒng)的防水工作，特別應(yīng)加強(qiáng)居民廚房下水道的防水。2)合理采礦，預(yù)留保護(hù)煤柱。合理科學(xué)的采礦方案，可以防止或減少塌陷的發(fā)生，特別是小煤窯不能影響國礦的安全和開采規(guī)劃。采礦單位應(yīng)向地方規(guī)劃部門提供采空區(qū)位置及有關(guān)資料，以便于工程建設(shè)單位根據(jù)采空區(qū)位置進(jìn)行勘察設(shè)計工作。采煤時建筑物下預(yù)留保護(hù)柱，按等級確定保護(hù)帶寬度。3)加強(qiáng)采空區(qū)的地質(zhì)工程勘察工作。地面塌陷的不斷發(fā)生，另一方面原因是采空區(qū)上的工程勘察工作做的不夠。我們應(yīng)未雨綢繆，加強(qiáng)塌陷區(qū)地質(zhì)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(qū)，應(yīng)堅決采取搬遷措施。2.煤礦采空區(qū)地面塌陷的綜合治理措施[3]1) 對采空塌陷區(qū)進(jìn)行土地平整恢復(fù)種植，積水洼地采用挖深墊淺，充填煤矸石再覆蓋種植層等。2)對于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(qū)建立水產(chǎn)區(qū)，積極發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，是充分利用環(huán)境發(fā)展生產(chǎn)改善生態(tài)環(huán)境的綜合治理措施之一。4)采礦過程中使用“減塌技術(shù)和措施”，減少礦區(qū)的塌陷范圍、塌陷幅度，減緩塌陷的時間進(jìn)程，減輕塌陷的危害程度。5)在大面積冒落塌陷和已發(fā)生地動的地區(qū)，在其影響因素未消除之前，仍有再冒落和更強(qiáng)烈地動的可能性，要加強(qiáng)監(jiān)測。6)重大建設(shè)工程(如南水北調(diào)工程)選址時，如經(jīng)過礦區(qū)，要查清采空區(qū)、塌陷區(qū)的分布范圍及穩(wěn)定性，并做好防治工作。目前，可采用物探手段直觀、清晰地反映出采空區(qū)、塌陷區(qū)的分布范圍、埋藏深度及采空區(qū)頂板巖層的變形情況。7)在采取塌陷區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)措施后，還需要采取生物措施對水土保持體系進(jìn)行完善，達(dá)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(qū)復(fù)墾后農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)的建設(shè)，以達(dá)到在恢復(fù)農(nóng)田植被覆蓋率的同時降低風(fēng)速保護(hù)農(nóng)作物的目的。3.陜西神府礦區(qū)的地面塌陷及其防治對策[4]神府礦區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)的地面塌陷有大柳塔煤礦1203工作面地面塌陷，水井渠礦地面塌陷和李家畔礦地面塌陷。1)大柳塔煤礦1203工作面地面塌陷1203面開采1-2煤，工作面規(guī)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(qū)150 m×23.32 m時頂板初次來壓，次日發(fā)生切落式冒頂，形成地面塌陷坑，直徑最大5.80 m，深6~7 m。隨采空區(qū)擴(kuò)大，塌陷也逐漸擴(kuò)大，周圍發(fā)育大量地裂縫。2)水井渠煤礦地面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(fā)生地面塌陷，形成4個塌陷坑，周圍發(fā)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)李家畔礦地面塌陷鄉(xiāng)鎮(zhèn)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)，同年夏天地面塌陷成坑，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(qū)地面塌陷均由采煤引起，分兩種不同情況。3.1.1直接由采煤引起的地面塌陷這種塌陷主要是在大面積采空區(qū)(綜采工作面)上方。神府礦區(qū)煤層穩(wěn)定，十分適合綜采，近年來開拓或已完成的綜采工作面采空區(qū)均大于150 m×1 000 m，隨著采空區(qū)的擴(kuò)展，頂板冒落隨時形成，由于煤層埋深很淺，只有幾十米，頂板破壞很快傳遞到地表，形成地面塌陷。采空區(qū)的不斷擴(kuò)展，使塌陷的范圍和程度也不斷擴(kuò)大、增強(qiáng)。大柳塔礦1203、20601工作面的塌陷均是這種直接由采煤引起的地面塌陷。3.1.2采空區(qū)煤自燃引起的地面塌陷已發(fā)生兩起，均是小煤窯停采后，井巷中的浮煤自燃，引發(fā)煤柱自燃，最終導(dǎo)致大面積煤層自燃而引起地面塌陷。水井渠煤礦位于大柳塔井田邊緣，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦，設(shè)計能力僅3萬t/a，1990年建設(shè)，1995年初停產(chǎn)，共采煤6萬t左右，形成了巷道式采空區(qū)。回采率很低，遠(yuǎn)未達(dá)到國家要求。1995年6月，該礦殘巷中浮煤自燃，并逐漸擴(kuò)展漫延，濃濃煙霧從風(fēng)井口冒出。7月中旬，地面塌陷周圍形成大量地裂縫，之后，塌陷范圍逐漸擴(kuò)大，塌陷坑由一個增至3個。10月底，地裂縫發(fā)育到臨近的變電站附近(該變電站承擔(dān)神府、東勝兩大礦區(qū)的供電任務(wù))，嚴(yán)重威脅變電站的安全。該塌陷的形成就是采空區(qū)煤的地球化學(xué)環(huán)境由還原環(huán)境變?yōu)檠趸h(huán)境，促使煤的氧化速度加快，在少量地下水的參與下，導(dǎo)致浮煤自燃，并引起煤柱自燃，大面積燒空后，頂板冒落，形成地面塌陷。3.2防治對策近年來，有關(guān)部門對大柳塔煤礦1203工作面、水井渠煤礦等的地面塌陷進(jìn)行了治理，其方法是將塌陷區(qū)填埋墊平，再種草植樹，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，取得了一定的收效。其中1203工作面上方經(jīng)治理后，地表沙柳、沙蒿等草木生長良好。4.結(jié)語煤礦區(qū)采空區(qū)地面塌陷所產(chǎn)生的影響是多方面的，不僅影響礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量，而且影響到礦區(qū)及其周邊地區(qū)的社會環(huán)境和經(jīng)濟(jì)環(huán)境，所以采取科學(xué)合理的預(yù)測方法、治理措施尤為重要。參考文獻(xiàn)[1]趙波.地面塌陷及其預(yù)防措施.北京地質(zhì),1999[2]紀(jì)萬斌.我國東北地區(qū)采煤塌陷災(zāi)害的預(yù)測及治理途徑.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,1997(10):63~66.[3]孫越英,徐宏偉等.焦作煤礦區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)問題與對策研究.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2006(9):8~9.[4]范立民,楊宏科.神府礦區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀及成因研究.陜西煤炭技術(shù).2000