浅析煤矿采空区地面塌陷的防治措施

1、浅析煤矿采空区地面塌陷的防治措施赵法锁，李明（长安大学地测学院陕西西安710054）摘要：地面塌陷对国民经济建设和人民生命财产造成的危害日益严重，应当提倡以防为主，防治结合的原则，本文详细介绍了煤矿采空区地面塌陷的预防、治理措施，并以陕西神府煤矿为例，治理灾害的同时，保护了生态环境，收到了良好的效果。关键词： 地面塌陷 预防措施治理措施地面塌陷是地质灾害的一种，具有发生突然、 地点隐蔽的特点。 多发育在人口相对较多、经济较发达的城镇或工矿区， 对国民经济建设和人民生命财产造成的危害严重。根据地面塌陷的形成机理我国一般将其分为岩溶塌陷、采空塌陷、 黄土湿陷三种。 它们的形成除自然因素外，往往与人

2、类的生产活动有着密切的关系1 。采空塌陷治理的目的，是为了减轻人为灾害，改善矿区生态环境， 安全文明生产。 以往多是在塌陷区形成以后，已经造成了危害，才着手进行治理，这种“滞后 ”的治理行为，常常事倍功半，今后应当提倡以防为主，防治结合的原则。在塌陷区形成之前，就采取“超前 ”防治措施， 即在制定开采设计时就考虑预防措施，并在开采过程中认真实施，包括在采矿过程中所使用的各种 “减塌技术和措施 ”等，如充填采矿法，条带采矿法，多煤层、多工作面协调采矿法以及井下支护和岩层加固措施等，采取这些措施能够大大减少矿区塌陷的范围、塌陷幅度，减缓塌陷的时间进程，减轻塌陷的危害程度。1.煤矿采空区地面塌陷的预

3、防措施2根据煤炭部关于 “建筑物保护煤柱留设与压煤开采”第 17 条规定，地面塌陷区圈定也考虑该项颁布的各项技术指标，即倾斜i3mm / m ，曲率 k0.2 103/m ，水平变形2mm/ m。开采矩形工作面时的地表移动和变YY 形预计1)坐标系统的建立和变换坐标系统的建立如图 1 所示，坐标系的建立， 是在井上、下对照图 1 以工作面水平投影的左边界和下边界的交点作为坐标原点O 、XX 、 Y 轴分别平行于煤层走向和倾向，X 建立 O X Y 直角坐标系。A(X , Y )坐标变换在概率积分法预计地表移动与变形O X 时，坐标系统是以地表下沉曲线拐点的位OXS3S4置为原点的。因此计算公式

4、中的坐标（XA 、YA ）应以工作面拐点平移后的计图1 坐标系统图fig.1coordinate system算开采边界为准， 计算开采左边界和下边界交点为坐标原点。为此必须在程序中完成坐标变换。移轴计算公式如下：XXS1ttS1S2（ S2 取负值）yyHxctgS4sin()sinLLH 上 ctgS3sin()H 下 ctgS4sin()sinsin式中 S1S2S3S4 分别为工作面沿走向左、右边界与沿倾向上、下边界在煤层上的拐点偏移距。并规定拐点向里（即向采空区方向） S 取负值；拐点向外（即向煤柱方向或旧采空区方向） S 取正值。 开采影响传播角；t L 分别为工作面沿走向方向和倾

5、斜方向长度的水平投影值（m）。2)地表任意点移动和变形计算公式任意点 A 下沉值 W A （ x、y）的计算x xxW A ( x、 y)121x2W max C x C yW maxxrt edxr下t edxxrr上1x x21x x2x x t2Cxxrt e dr e dr e d0x0rC y1xx21xx2x x t2xr下t ed0r下 edr上 edx0r上Cx 、 Cy 中的概率积分可按下式计算：t u t dt u 11e2t1u212 du ， te1 Pu2u22 C1t C2 t2C3t3C4t 4C5 t5其中： P=0.2316419， C1 =0.3198153

6、C2=-0.356563782 ， C3=1.7814937C4=-1.821255978 ， C5=1.330274429上式中将 u 用2、 2x e 、2y 、 2y-L 分别代入，便可计算Cx 和 Cyrr下r上值。当x ，xt ，y ，yt 分别小于等于 2时（即 x 2r时）可按rrr下r上上式计算。反之取Cx 、 Cy 为零。 Cx 、 Cy 分别为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数。Wmax 为充分采支条件下的最大下沉值Wmaxm q cos式中m采出煤层厚度（mm）q 地表下沉系数 煤层倾角（ ）t、 L 分别为采区拐点平移后走向长度及倾斜长度水平投影值（m）r

7、 、 r下 、 r上 分别是采区走向及倾斜下、上山影响半径（m）x、 y 待求点坐标（m）地表任意点倾斜值TTTxCy+TCxc o s ys i nT+90Tx -TyCy si nCx c o sTm a xTxCy co s T TyCx s in TTtg1 TyCxTxCy式中：T 待求点的最大倾斜值（mm/m ）m a x T 最大倾斜值方向与 OX 轴的夹角（ ）Tx 、Ty 分别为待求点沿走向和倾斜方向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形（ mm/m ）地表任意点 A 的水平位移值U ，沿指定方向水平移动 U 。UU x Cy cos U y CxsinU90 U x Cy cos

8、U y Cx sin待求点 A 的最大水平移动U maxU maxU x Cy sinU y Cx cos UU 最大水平移动方向与OX 轴的夹角U tg 1 U y Cx U x CyU x 、Cy 分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处迭加后的水平移动值，对于倾斜方向需加 Cy Wmax ctg (mm)地表任意点的水平变形值沿指定方向的水平变形x Cycos2y Cxsin2U xTyU yTx sincosWmax90=x Cy sin2yCxcos2U xTyU y Txsin cosWmax待求点最大水平变形maxmaxx Cy cos2y Cx sin 2U x Ty U y

9、TxsincosWmax待求点最小变形值min （mm/m ）min90- max最大水平变形方向1tg1U x TyU y Tx2Wmax ( x Cyy Cx )C 、 分别为待求点沿工作面走向及倾斜方向在主断面投影点迭加后的水平变形值xCy（mm/m ），对于倾斜方向需附加Ty 、 ctg地表任意点A 的曲率变形值K沿指定方向的曲率变形KKK x Cycos2K y Cx sin2TyTxsin 2WmaxK +90 K xC y sin2K y Cx2TxTysin 2cosWmax待求点最大曲率变形值K maxK maxK x Cy2K y Cx sin2KTxTysin KcosW

10、max待求点最小曲率变形值K minK minKK90 K max最大曲率变形方向K1tg 12TxTyWmax K x C yK y C x2K x 、 K y 分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处迭加后的曲率值（mm/m）预计出地下煤层采出后地表的各参数变化值， 然后根据这些数据在计算机上绘制其等值线图，再结合本地区的地形和潜水位，即可确定出采煤对地表破坏的范围和程度。虽然地面塌陷具有随机、 突发的特点， 有些防不胜防， 但它的发生是有其内在和外部原因的。 我们完全可以针对塌陷的原因， 事前采取一些必要的措施， 以避免或减少灾害的损失1 。1)减少地表水的下渗。应注意雨季前疏通地表排水

11、沟渠，降雨季节时刻提高警惕，加强防范意识，发现异常情况及时躲避;其次，应加强地下输水管线的管理，发现问题及时解决同时要做好地表水和地下排水系统的防水工作，特别应加强居民厨房下水道的防水。2)合理采矿，预留保护煤柱。合理科学的采矿方案，可以防止或减少塌陷的发生，特别是小煤窑不能影响国矿的安全和开采规划。采矿单位应向地方规划部门提供采空区位置及有关资料， 以便于工程建设单位根据采空区位置进行勘察设计工作。采煤时建筑物下预留保护柱，按等级确定保护带宽度。;3)加强采空区的地质工程勘察工作。地面塌陷的不断发生，另一方面原因是采空区上的工程勘察工作做的不够。我们应未雨绸缪，加强塌陷区地质工程勘察和资料收

12、集分析工作。对勘察工作确定的重点塌陷危险区，应坚决采取搬迁措施。32.煤矿采空区地面塌陷的综合治理措施1) 对采空塌陷区进行土地平整恢复种植，积水洼地采用挖深垫浅，充填煤矸石再覆盖种植层等。2)对于采空塌陷地裂缝可采用尾矿石回填、灌注浆法等。3)利用塌陷区建立水产区， 积极发展养殖业， 是充分利用环境发展生产改善生态环境的综合治理措施之一。4)采矿过程中使用 “减塌技术和措施 ”，减少矿区的塌陷范围、塌陷幅度，减缓塌陷的时间进程，减轻塌陷的危害程度。5)在大面积冒落塌陷和已发生地动的地区，在其影响因素未消除之前，仍有再冒落和更强烈地动的可能性，要加强监测。6)重大建设工程 (如南水北调工程)选

13、址时，如经过矿区，要查清采空区、塌陷区的分布范围及稳定性，并做好防治工作。目前，可采用物探手段直观、清晰地反映出采空区、塌陷区的分布范围、埋藏深度及采空区顶板岩层的变形情况。7)在采取塌陷区土地复垦和生态恢复措施后，还需要采取生物措施对水土保持体系进行完善，达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区复垦后农田防护林网的建设，以达到在恢复农田植被覆盖率的同时降低风速保护农作物的目的。3.陕西神府矿区的地面塌陷及其防治对策4神府矿区目前已发现的地面塌陷有大柳塔煤矿1203 工作面地面塌陷，水井渠矿地面塌陷和李家畔矿地面塌陷。1)大柳塔煤矿1203 工作面地面塌陷1203 面开采

14、 1-2 煤，工作面规格为938m150 m，煤层厚 4.617.21 m ，埋深 60m。1993年 3 月 15 日开始回采 ( 综采 )， 24 日采空区 150 m23.32 m 时顶板初次来压，次日发生切落式冒顶，形成地面塌陷坑，直径最大 5.80 m，深 67 m。随采空区扩大，塌陷也逐渐扩大，周围发育大量地裂缝。2)水井渠煤矿地面塌陷该矿为一地方小煤窑，1990 年建成， 地处大柳塔井田的边界，开采 1-2 煤，煤厚 68m，埋深 45 m，巷道式开采。1995 年夏天，煤矿停采不久发生地面塌陷，形成4 个塌陷坑，周围发育大量地裂缝。其塌陷坑呈椭圆形，直径 2578 m，深 0.

15、518 m 。大量烟雾自坑中冒出。3)李家畔矿地面塌陷乡镇矿，开采 1-2 煤，煤厚 89 m ，埋深 50 m 。巷道式开采，1996 年初停采 (原因不明 )，同年夏天地面塌陷成坑，直径35 m，坑深 5.57 m，附近地表下沉0.81.5 m。3.1 成因分析神府矿区地面塌陷均由采煤引起，分两种不同情况。3.1.1 直接由采煤引起的地面塌陷这种塌陷主要是在大面积采空区(综采工作面 )上方。神府矿区煤层稳定， 十分适合综采，近年来开拓或已完成的综采工作面采空区均大于150 m1 000 m ，随着采空区的扩展，顶板冒落随时形成， 由于煤层埋深很浅， 只有几十米， 顶板破坏很快传递到地表，

16、形成地面塌陷。采空区的不断扩展， 使塌陷的范围和程度也不断扩大、增强。大柳塔矿 1203、20601 工作面的塌陷均是这种直接由采煤引起的地面塌陷。3.1.2 采空区煤自燃引起的地面塌陷已发生两起，均是小煤窑停采后，井巷中的浮煤自燃，引发煤柱自燃，最终导致大面积煤层自燃而引起地面塌陷。水井渠煤矿位于大柳塔井田边缘，为乡镇煤矿，设计能力仅3万 t/a， 1990 年建设， 1995 年初停产，共采煤6 万 t 左右，形成了巷道式采空区。回采率很低，远未达到国家要求。1995 年 6 月，该矿残巷中浮煤自燃，并逐渐扩展漫延，浓浓烟雾从风井口冒出。7 月中旬，地面塌陷周围形成大量地裂缝，之后，塌陷范围逐渐扩大，塌陷坑由一个增至3 个。 10 月底，地裂缝发育到临近的变电站附近(该变电站承担神府、东胜两大矿区的供电任务)，严重威胁变电站的安全。该塌陷的形成就是采空区煤的地球化学环境由还原环境变为氧化环境，促使煤的氧化速度加快，在少量地下水的参与下，导致浮煤自燃，并引起煤柱自燃，大面积烧空后，顶板冒落，形成地面塌陷。3.2 防治对策近年来，有关部门对大柳塔煤矿1203 工作面、水井渠煤矿等的地面塌陷进行了治理，其方法是将塌陷区填埋垫平，再种草植树，恢复生态环境，取得了一定的