煤礦采空區(qū)塌陷影響范圍研究

張 雷

山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X礦

煤礦采空區(qū)塌陷影響范圍研究

張 雷

山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X礦

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國開采萬噸原煤地表塌陷面積為867.1m2，以38億t計(jì)算，每年造成的新增塌陷面積為3.29億hm2。在煤炭開采帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了不可忽視的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題。進(jìn)行地下開采后，在采空區(qū)上部及鄰近區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)部分居民房屋開裂，部分池塘、水井干涸，局部地表塌陷和漏水等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此在充分了解該煤礦采空區(qū)的分布情況和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行采空區(qū)塌陷影響范圍研究具有一定的工程實(shí)踐意義。

煤礦工程；采空區(qū)；塌陷影響

改革開放以來直到21世紀(jì)初，因過于重視經(jīng)濟(jì)效益而忽視對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的惡劣影響的事件并不少見。自建礦以來，一直采用陷落法管理頂板，由于礦產(chǎn)被開采后留下的采空區(qū)不作處理，從而引發(fā)了采空區(qū)上覆區(qū)域產(chǎn)生地表塌陷、道路及房屋開裂，池塘干涸，水井干枯等后果，影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ睢?/p>

1 煤礦采空區(qū)地面塌陷機(jī)理

引發(fā)煤礦采空區(qū)地面塌陷的機(jī)理主要有三種情況：①采空區(qū)的頂板強(qiáng)度不足以支撐上覆圍巖；②井下開采導(dǎo)致地下水位下降造成上覆巖體失去頂托；③地下大面積采空，致使采空區(qū)周圍的巖層發(fā)生了較為復(fù)雜的移動(dòng)和變形，最終在地表形成移動(dòng)盆地。

根據(jù)采礦工程的需要，將移動(dòng)穩(wěn)定后的上覆巖層按其破壞程度，大致分為三個(gè)不同的開采影響帶，即垮落帶(冒落帶)、斷裂帶、彎曲帶。①垮落帶是指巖層母體失去連續(xù)性，呈不規(guī)則巖塊或似層狀巨塊向采空區(qū)冒落的那部分巖層。冒落帶位于覆巖的最下部，緊貼礦層。②裂隙帶又稱裂縫帶。位于冒落帶之上，具有與采空區(qū)相通的導(dǎo)水裂隙，但連續(xù)性未受破壞的那一部分巖層。裂縫帶的導(dǎo)水性好，并能向下滲流至采空區(qū)，故裂隙帶又稱為導(dǎo)水裂隙帶。③彎曲帶彎曲帶位于裂縫帶之上直至地表。一般情況下具有隔水性，彎曲帶高度主要受采深影響。彎曲帶上方地表一般要形成下沉盆地，盆地邊緣往往出現(xiàn)張裂隙，向下漸窄，直至一定深度便閉合消失。

2 煤礦采煤塌陷區(qū)域治理工程存在的問題

2.1 煤礦開采之后缺乏必要的綜合性統(tǒng)籌治理計(jì)劃

煤礦采煤區(qū)域出現(xiàn)大面積的塌陷主要與采煤技術(shù)有著直接的聯(lián)系，如開采方式的制定、技術(shù)方法的使用等都影響著煤礦采煤塌陷程度。采煤塌陷區(qū)域治理工程應(yīng)該與開采方式相結(jié)合，對(duì)塌陷區(qū)域的治理應(yīng)該制定完善的治理計(jì)劃措施，治理工作與煤礦開采同步進(jìn)行。根據(jù)煤礦實(shí)際情況，通過科學(xué)合理的方式對(duì)將會(huì)出現(xiàn)的塌陷區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。

2.2 缺乏統(tǒng)一的煤礦采煤塌陷地治理管理機(jī)

構(gòu)煤礦采煤塌陷區(qū)域治理工程涉及到的部門較多，應(yīng)該成立專門的管理組織機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作實(shí)行。在我國主要是國土資源部進(jìn)行管理，但是一些矛盾僅依靠一個(gè)部門很難進(jìn)行妥善的處理，無法協(xié)調(diào)其中存在的矛盾，職能部門的作用沒有發(fā)揮出來。

3 煤礦采空區(qū)塌陷影響范圍的確定

3.1 解析法確定地表塌陷區(qū)

采空區(qū)塌陷引發(fā)地表產(chǎn)生變形和破壞，但地表變形的大小程度和發(fā)展延伸，地表會(huì)怎樣發(fā)生移動(dòng)，變形影響范圍有多大，這是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。目前國內(nèi)劃定地表塌陷范圍可根據(jù)礦區(qū)地表移動(dòng)角參數(shù)中的邊界角、移動(dòng)角或裂縫角圈定，由邊界角、移動(dòng)角和裂縫角將地表移動(dòng)盆地的邊界劃分為移動(dòng)盆地的最外邊界、移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界和移動(dòng)盆地的裂縫邊界 3 個(gè)邊界。

對(duì)于低潛水位地區(qū)，以移動(dòng)角或裂縫角劃定地表塌陷范圍較為合適。研究區(qū)位于丘陵山區(qū)，故本次計(jì)算通過井上井下參考對(duì)照?qǐng)D上按移動(dòng)角劃定采空區(qū)地表塌陷影響范圍。為了簡化計(jì)算，做如下的假設(shè)：①上覆巖層、礦體和基巖為均質(zhì)、各向不同性；②不考慮巖層和礦體中的結(jié)構(gòu)面、裂隙和軟弱夾層的影響；③不考慮礦體底板基巖受力和變形對(duì)開采范圍的影響。

3.2 概率積分法圈定地表塌陷區(qū)范圍研究

礦巖中分布著眾多節(jié)理、裂隙和斷裂等結(jié)構(gòu)弱面，故可將其看作是松散介質(zhì)體。而采礦活動(dòng)引起的巖層與地表移動(dòng)的過程，類似于松散介質(zhì)的移動(dòng)過程。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來看，可將整個(gè)開采活動(dòng)分解為無數(shù)個(gè)“開采單元”，伴隨“開采單元”，地表形成“單元盆地”。整個(gè)移動(dòng)盆地，相當(dāng)于無數(shù)個(gè)“單元盆地”的疊加總和。這一過程可以用概率論的方法來揭示，也就是所謂概率積分法。

3.3 數(shù)值模擬法圈定地表塌陷區(qū)范圍

①選取合適的本構(gòu)模型。采空區(qū)巖石典型的破壞特征是存在“橫三帶”和“縱三”區(qū)，說明此時(shí)巖石已不是線彈性體，此時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)非常復(fù)雜，在數(shù)值模擬中不能只考慮滿足介質(zhì)的強(qiáng)度條件，那是不符合能量守恒原理的。②考慮巖體損傷面。巖體損傷面充分說明材料的各向異性。因?yàn)椴煽諈^(qū)下部有新的臨空面，重力作用會(huì)使巖體內(nèi)部的裂縫不斷發(fā)育。在此過程中，巖石內(nèi)部既有舊裂縫的閉合，此時(shí)巖石的體應(yīng)變是負(fù)值，又有新裂縫持續(xù)產(chǎn)生，導(dǎo)致巖石體積發(fā)生膨脹。巖石的失穩(wěn)程度完全取決于“新裂縫”、“舊裂縫”優(yōu)勢(shì)的大小。

3.4 采煤塌陷區(qū)的植被恢復(fù)

目前，國內(nèi)外研究表明，利用植物修復(fù)大氣污染，凈化空氣質(zhì)量成本低，廢物排出量小，不容易造成二次污染，而且能保持水土流失，美化環(huán)境，促使經(jīng)濟(jì)生態(tài)增長等綜合效益。尤其是利用植物降解、降低二氧化硫以及對(duì)大城市污染物的吸附、吸收和轉(zhuǎn)移等凈化能力來治理大氣污染，因此，了解和掌握煤礦沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及對(duì)大氣污染狀況，研究植物的選擇和配置，恢復(fù)區(qū)域性植被，為我國大氣污染以及生態(tài)環(huán)境的改善提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義。

綜上所述，本文采用解析法、概率積分法和數(shù)值模型模擬分析法 3 種不同的方法，針對(duì)采空區(qū)地表塌陷現(xiàn)狀，采空區(qū)現(xiàn)狀和工程地質(zhì)情況，分析了采空區(qū)地表塌陷的影響范圍，可以看出在工程實(shí)踐中，采空區(qū)地表塌陷和動(dòng)力狀態(tài)有著密切的關(guān)系，考慮動(dòng)力狀態(tài)因素的影響是有必要的。

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