煤礦采空塌陷區危險性預測模型構建及其防治措施

張兆宏，楊昌武，楊奮飛，王英偉

(神東煤炭集團，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

煤礦開采后，地下存在大面積采空區。礦山地質災害是眾多領域研究學者關注的重要問題，我國的礦山區域地質災害發生較為頻繁。相比于其他礦產資源[1]，煤礦中煤層的地質條件更容易形成采空塌陷情況。采空塌陷指礦層開采后，破壞了煤層原有的自然應力平衡狀態，受環境因素等各種因素影響[2]，重新分配應力，達到新的平衡狀態。應力重新分布的過程中，礦區地表和巖層形成連續變形、連續移動以及不可避免的破壞行為，容易造成煤礦采空塌陷情況。我國煤礦礦區面積較廣[3]，長江中下游、華北平原等地區是煤礦礦區的主要開發地區。我國每年都有由于采煤造成的煤礦采空區塌陷情況，煤礦采空區塌陷將造成嚴重的經濟損失。煤礦采空區具有極高的塌陷危險性[4]，對生態環境同樣存在影響。煤礦采空塌陷區危險性預測是礦井安全領域研究的重要話題，煤礦采空塌陷區危險性預測可以維持環境以及經濟的可持續發展[5]。煤礦采空塌陷區危險性預測對于國家地質災害防治具有重要的治理意義[6]，可以保護人民的生命財產安全，保障人類與生態環境的協調發展。

目前眾多研究學者針對煤礦采空區的塌陷問題進行研究，有學者提出將偏序集應用于煤礦采空區塌陷危險性評價中，有效評價煤礦采空區塌陷危險[7]；還有學者提出通過數值模擬方法模擬地下復雜采空區地表塌陷過程，明確了造成地表塌陷的運動機理[8]。基于以上學者的研究基礎，構建煤礦采空塌陷區危險性預測模型，通過所構建的預測模型降低煤礦采空塌陷造成的危害，維持煤礦經濟與環境的可持續發展，提升煤礦生產安全性。

1 研究區域概況

選取某省煤礦礦區作為研究區域，研究區域總人口為254 864人，研究區域中包含的煤炭資源極為豐富，年產原煤為400萬t左右。研究區域以山地為主要地形，含煤地層主要為早侏羅世煤系。劃定煤礦采空塌陷區危險性范圍為井田西部外擴展300 m，待預測的煤礦采空塌陷區域共53.6 km2。研究區域煤礦開采沉陷特征見表1。

表1 研究區域煤礦開采沉陷特征Tab.1 Coal mining subsidence characteristics in the study area

由表1可知，該煤礦采用長臂綜采開采方法，全部垮落法控制頂板。煤礦開采后，容易出現采空塌陷情況，造成嚴重危險。選取該煤礦作為煤礦采空塌陷區危險性預測的研究區域，具有極高的典型性。

2 煤礦采空塌陷區危險性預測模型

2.1 煤礦開采沉陷傳遞原理

煤礦采空塌陷區危險性預測時，礦區的上覆巖層可以劃分為多層，將接近采空區頂板的上覆巖層設置為首層。首層巖層受到煤礦開采影響時，移走第2層至地表的巖層[9]，在首層巖層中加載相同大小的荷載，此時可以模擬首層巖層受煤礦采空形成的移動變形情況，首層巖層的性質參數決定首層巖層上表面形成的下沉空間形狀。還原下一層巖層，將相同大小的荷載施加于下一層巖層中，由于首層巖層受煤礦采空影響存在下沉[10]，因此下一層巖層同樣存在下沉空間。

將煤礦采空區域的上覆地層劃分為上部巖層以及下部巖層，由于煤礦開采對研究區域造成的影響可通過煤礦采空區域上覆地層的下部巖層上表面移動變形情況體現[11]，下部巖層的不均勻下沉決定了上部巖層的移動變形情況。研究區域受煤礦開采造成的塌陷通過地表移動變形體現，地表移動變形由上部巖層上表面的移動變形影響。

2.2 煤礦采空塌陷區危險性影響因素

煤礦采空區塌陷受到眾多因素影響，煤礦采空塌陷主要受到采礦條件和地質條件影響，呈現典型的時空特征以及強度特征。水文地質條件、地質構造、煤礦區域的覆巖力學性質等條件均屬于礦井采空塌陷的地質條件[12]；采區特征、煤層特征、開采技術條件等均屬于煤礦采空塌陷的采礦條件。眾多因素中的其中一種即可能造成煤礦采空區塌陷。煤礦采空區塌陷可能由于單因素作用，同時可能由于多因素作用[13]。預測煤礦采空塌陷危險性時，應合理選取對煤礦采空塌陷危險性預測存在影響的因素。

煤礦采空塌陷屬于動態變化過程，煤礦采空塌陷主要包括起始階段、活躍階段以及衰退階段，起始階段和活躍階段是造成煤礦采空塌陷危險性的重要階段。伴隨采空塌陷區域范圍的擴大[14]，煤礦采空塌陷盆地伴隨塌陷區域范圍的增大而逐漸擴大。煤礦采空塌陷盆地水平擴展過程中，采空塌陷危險性主要體現至盆地擴展將造成彎曲變形以及地表傾斜情況，容易造成煤礦采空塌陷區域存在不均勻沉降或傾斜情況[15]。隨著時間不斷變化，造成嚴重后果。在此基礎上，利用最大沉陷量隨時間變化的曲線，求出了最大沉降點的沉降速率曲線，結果如圖1所示。

圖1 最大沉陷量隨時間變化的曲線示意Fig.1 Curve diagram of maximum settlement varying with time

根據圖1可知，煤礦采空塌陷區地面運動的起始時刻是從初始期開始逐漸上升，在4月中旬達到峰值。通常來說，煤層厚度比是反映巖體和地面運動變形的一個重要參數。一般情況下，深度比與位移成正相關，深度比愈低，位移愈大，地面變形愈顯著；在淺煤層中，隨著開采厚度的增大，深層比減小，地面運動持續的時間縮短，使地面運動更加劇烈，發生明顯的變形，出現大裂縫、塌陷等。在此基礎上，選取以下參數作為構建煤礦采空塌陷區危險性預測模型中，影響煤礦采空塌陷區危險性預測結果的參數。

(1)下沉系數。煤礦采空塌陷區的采動條件充分時，影響煤礦采空塌陷的下沉系數表達式：

h=w/mcosβ

(1)

式中，m為開采高度；β為煤層傾角；mcosβ為平均開采厚度；w為地表的最大下沉值。

(2)水平移動系數。水平移動系數是影響煤礦采空塌陷危險性的重要指標，煤礦采空塌陷區完成采動后，形成移動盆地。煤礦的采空塌陷區水平移動系數表達式：

b=umax/βrmax

(2)

式中，umax為地表水平移動最大值；rmax為地表下沉最大值。

2.3 煤礦采空塌陷區危險性預測模型

選取T-S模糊方法建立煤礦采空塌陷區危險性預測模型，通過模糊子集隸屬函數的修正實現預測模型的更新。煤礦采空塌陷區域現場如圖2所示。

(3)

圖2 煤礦采空塌陷區域現場Fig.2 Site map of goaf collapse area of coal mine

T-S模糊方法的輸入部分與輸出部分分別為模糊以及確定[16]，通過模糊推理將輸入的線性組合輸出。

用x=[x1，x2，…，xk]為煤礦采空塌陷區危險性預測的下沉系數與水平移動系數輸入量，依據T-S模糊方法的模糊規則獲取煤礦采空塌陷區危險性預測輸入變量xi的隸屬度表達式：

(4)

模糊計算各個隸屬度，選取模糊算子作為模糊計算中的連乘算子，獲取煤礦采空塌陷區危險性預測模型的輸出結果表達式：

(5)

式中，mi為隸屬度模糊計算結果。通過式(5)獲取煤礦采空塌陷區危險性預測結果。

3 煤礦采空塌陷區危險性預測結果

為了驗證煤礦采空塌陷區危險性預測模型的效果及可行性，設計煤礦采空塌陷區危險性預測實驗。由于煤礦開采是一項涉及到許多信息的復雜系統工程，其數據來源包括日常生產和銷售的煤炭數量、設備和耗材安全調度數據、煤炭運輸數據等，長期開采導致煤礦存在一定危險性。煤礦采空塌陷區危險性預測相關參數見表2。

表2 煤礦采空塌陷區危險性預測相關參數Tab.2 Relevant parameters of the risk prediction of the subsidence area in the coal mine goaf

選取15號監測點作為預測對象，采用所構建模型預測15號監測點的煤礦采空區的塌陷結果如圖3所示。

圖3 15號監測點塌陷預測結果Fig.3 Collapse prediction results of No.15 monitoring point

由圖3預測結果可以看出，采用所構建的煤礦采空塌陷區危險性預測模型，可以有效預測煤礦采空區塌陷情況，依據塌陷預測結果明確煤礦采空區由于塌陷造成的危險。所構建模型預測煤礦采空區塌陷結果與研究區域采空區的實際塌陷結果相符，驗證所構建模型具有極高的預測煤礦采空塌陷區危險性預測有效性。

將研究區域采空塌陷區的邊長劃分為16個監測點，各監測點的影響半徑統計結果見表3。依據表3的監測點影響半徑統計結果，煤礦礦區管理人員能夠明確塌陷的具體范圍，便于管理人員依據塌陷范圍制定危險性預防措施。

隨機選取5號、10號、15號監測點作為預測對象，采用所構建預測模型預測研究區域5號、10號、15號監測點不同日期的塌陷情況，統計結果見表4。由表4可以看出，所構建模型可以預測不同監測點的塌陷情況，依據不同監測點的塌陷預測結果確定煤礦采空塌陷區的危險性。所構建模型輸出煤礦采空塌陷區危險性預測結果為中等，管理人員應及時采取治理措施，避免危險進一步蔓延。該模型在實際應用中具有較好的效果。

表3 監測點影響半徑Tab.3 Radius of influence of monitoring points

表4 不同監測點塌陷預測結果Tab.4 Collapse prediction results of different monitoring points

4 煤礦采空區塌陷防治措施

煤礦采空區塌陷問題是煤礦需要面對的重要問題。及時治理煤礦的采空區塌陷情況，可以避免積水、漏風和自燃等危險情況發生，避免煤礦礦區山體滑坡和土地裂縫等地質災害，保護煤礦礦區環境，改善煤礦礦區的水土流失情況，避免煤礦采空區域受到工業三廢污染影響，實現環境的良好保護。研究區域煤礦以丘陵地貌為主，煤層埋藏位置較深，煤層開采后，造成的采空塌陷主要為在不同方向存在明顯裂縫，伴隨裂縫不斷蔓延，將對周圍造成嚴重危害。針對煤礦采空區塌陷造成的危險，提出防治措施如下。

(1)采用合理的采煤方式。煤礦周圍存在待保護對象時，應在礦井開采前在井筒下部預留煤柱，通過預留煤柱保障所保護對象不受開采影響。預留煤柱方法是應用于煤礦開采中的保護周邊建筑不受開采影響的可靠方法[17]。地面下盆地邊緣位于開采邊界上方，極容易受到煤礦采空塌陷影響。回采工作面設置于建筑物下時，工作面長度應足夠大，保障充分采動地表。煤礦開采時的回采速度應足夠快，開采過程中不可出現停止開采狀態，煤礦開采時，應保障未存在殘柱保留情況。地表的永久性不均勻沉降以及不均勻變形依據地表移動規律可知，均集中在由于煤礦開采造成的地表下沉盆地邊緣。煤礦下存在永久性開采邊界時，地表將存在嚴重變形區域。為了避免由于煤礦開采對建筑物造成影響，全柱開采推廣極為必要。全柱開采可以有效避免煤礦建筑物受到煤礦開采影響。煤礦煤層開采范圍內，應該在固定范圍內限制大面積全面開采，避免形成過大范圍的永久性開采邊界，并且避免建筑物受煤礦開采影響。煤礦開采時，應實施分層開采以及長工作面開采的煤礦開采方式[18]，降低由于煤礦采空造成的塌陷危險。多煤層同時開采時，不同煤層開采的工作面存在一定距離，抵消同時開采形成的壓縮變形以及地面拉伸情況，降低由于煤礦開采造成的地面變形情況。

(2)合理避讓。煤礦開采后，應將采空塌陷可能造成危險區域的居民遷移至丘陵地段，通過合理的避讓降低煤礦采空塌陷造成的危害。由于煤礦采空塌陷造成的危險性主要體現在塌陷過程中，已經塌陷的煤礦[19]，經過一段時間穩定后，可以恢復正常生活以及生產秩序。煤礦開采后，可將煤礦開采后存在塌陷風險的危險區域人群轉移至已成功治理礦區，通過高效的治理技術實現經濟最大化。

(3)加強邊坡監測。煤礦開采生產過程中，應重點監測礦井邊坡，重視邊坡與巖石斷層、節理等不同產狀之間的關系。發現邊坡存在危險情況時，需及時采取邊坡治理的工程措施，避免由于邊坡滑坡出現煤礦安全問題。煤礦可以通過邊坡監測系統監測邊坡變化情況，時刻掌握邊坡動態。煤礦開采生產過程中，應盡量避免地表受到擾動情況。加強植物種植，通過植物種植改善煤礦礦區土地條件，通過土地種植[20]，改善煤礦采空區的水土流失情況，改善生態環境，提升煤礦礦區的安全性。通過煤礦采空塌陷防治措施實現煤礦采空區域的綜合治理，通過工程治理與生態治理結合的方式，有針對性地避免由于煤礦采空塌陷區造成的危險。改善研究區域的生態環境，避免研究區域土地沙化以及水土流失情況，提升煤礦所在區域的居民生產以及生活質量。

5 結語

選取某煤礦采空塌陷區作為研究對象，通過構建的危險性預測模型預測煤礦采空塌陷區的危險性。通過危險性預測結果驗證所構建模型具有較高的煤礦采空塌陷區危險性預測有效性，可以滿足煤礦采空塌陷區危險性預測需求，為煤礦采空塌陷區域危險性范圍預測提供依據。研究區域的采空塌陷在時空特征中的地表變形呈現連續以及漸變特征，地表變形特征主要以細小裂縫為主。為了避免煤礦采空塌陷造成的經濟損失，提出了防治煤礦采空塌陷的措施。