井工煤矿地表塌陷及治理分析

井工煤矿地表塌陷及治理分析

黄石贵

富源县能源局安全技术培训中心云南富源655500

摘要：我们国家社会生产和生活、经济发展都需要使用煤炭资源，由于经济发展速度的不断提高，对各种能源的需求量也在不断增加。而煤炭资源的使用在实现经济效益和带来生活便利的同一时刻，也由于井工煤矿的大量开采造成了地表环境的严重破坏。本次研究把云南省内的某一煤矿当成研究对象，通过预测井工煤矿地表表现出的塌陷状况的方法，建立一种地表塌陷预测模型，经过计算将矿区地表塌陷情况对附近生态环境产生的影响予以确定，并提出治理修复塌陷的针对性措施。

关键词：地表塌陷；煤矿采空区；修复；预测；

井工采煤期间地下会有空洞形成使其上覆岩层发生位移跟变形，其位移跟变形程度受采矿引起的空隙大小、原地应力以及地质本身的不连续性影响。这些空洞在时间推移过程中，会一点点扩大，其上覆岩层仅靠残余的部分煤柱勉力支持，因此在岩层和地表覆盖物的共同作用下，必然会在纵、横方向上发生一定的位移，产生所谓的沉降（见图1）。由于地表沉陷引起的地面纵、横向运动有三种方式，就是槽，裂缝还有天坑塌陷（见图2）。故而，对地表塌陷展开预测和进行治理也是采掘业务中的一项比较重要的任务。不过，因导致上覆层岩石发生移动的相关参数无法确定，故而要预测地表在双向变形过程中产生的准确移动非常困难。煤矿塌陷引发的位移会破坏地表物体。

图1煤矿各地层结构

图2地表沉降坑

故而，煤矿监测的重点自二十世纪起，转移至地下开采导致的地表状况变化。研究者对煤矿地表和内部各点的位移变化状态展开持续监测，以便于及时了解沉降产生和发展的具体过程并对其展开控制。并针对各种不同的煤矿类型制定了具有针对性的多种预测方法跟相应的监测点位，以便于对地表发生的塌陷进行预测。本次研究对象属于长焰煤类型，节理、层理均不发育、煤质相对稳定，结构比较简单，吸水性较大，易碎松散，颜色多为黑色，偶而可见钢灰色，条痕大多呈褐色～黑色，光泽介乎弱沥青～沥青之间。其工业分析指标为：含磷（p）0.03％；水份2.64％；灰份29％；挥发份28％；发热量19MJ/kg；平均容重1.5ｔ／ｍ3。其掘进巷道是扩大井筒断面的原平丰斜井，新掘水平运输大巷＋143ｍ、石门和部分采区巷道、采区轨道下山。采用木支架方式进行支护，硐室还有井筒由于破碎冒落现象严重，用的是料石砌碹方式进行支护，如果技术经济状况允许的话，应尽量采用锚喷支护方式。将采掘比设计为1∶2，打眼采用ＹＴ－24凿岩机进行岩巷掘进，同时配一台Ｇ10风镐。采用煤电钻打眼掘进半煤巷工作面，以爆破方式落（岩）煤，通过人工方式装（岩）煤。本次研究采用相关数学模型法对研究对象的地表塌陷情况展开了预测，并有针对性的提出了一些预防措施。

1矿井基本特征

1.1地质特征

研究对象的含煤地层属于中生代晚期的侏罗系（J3）安民组，与上覆地层之间属于不整合接触。煤系地层大多厚度在120～310ｍ之间，大部分由集块岩、安山岩、粉砂岩、砂岩、泥岩还有煤层组成。煤层在整个煤系地层的底部。井田里面的煤系地层是那种单斜构造，煤系是在火山运动的间歇期形成的，属湖泊三角洲相小型沉积成煤。按照目前开采情况来看，井田里面断裂构造比较发育，区内存在的5条有向正断层具有较大落差，全不小于10～12ｍ，3条倾斜方向正断层存在超过8～10ｍ的落差。断裂构造井对于田开采存在较大影响。

1.2煤质、煤层

该井田当中的含煤岩系属于晚侏罗系中的安民组，含煤地层主要是凝灰质粉砂岩，呈现灰色，另外还有凝灰质砾岩和砂岩、细砂岩等。该区内的赋煤层有两组，可分为上、下含煤组。其上含煤组中有5层属于可采层，不过都是局部，下含煤组中可采层则有7层，煤层均为0.6m～2.2ｍ厚，平均厚度为1.4ｍ。煤层厚度存在较大变化，其结构比较简单。

1.3水文地质

本井田里面的水文地质状况相对简单，地表水系不怎么发育，属于二类一型。地下水主要靠大气降水补给，区内的主要含水层地层就是浅部裂隙带，而且在含煤段的上下部位均赋存厚约5m～8ｍ含水性非常丰富的砂岩。故而含煤段具有很强的富水性，其断裂构造严重影响矿床的充水性，而且就采集里面存在一些积水，在继续开拓开采期间应予以高度重视。矿井涌水量正常状态下为10ｍ3／ｈ。

2预测地表塌陷

2.1选择预测方法

研究对象的煤层倾角平均在25°左右，煤层相对平缓，厚度在0.6m～2.2ｍ范围内，厚度平均为1.4ｍ，采用条状开采方法。按照上述各项条件还有矿区的实际地质情况，选用概率积分法将覆岩看作松散介质，把覆岩发生的移动看做随机过程进行预测。从而得到地表产生形变与发生移动的基本公式。本次预测期间用概率积分法准确的将地表倾斜（ｉ）、下沉（Ｗ）、曲率（Ｋ）、水平变形值（Ｅ）和水平移动（Ｕ）计算出来，并对地表发生变形、位移后对地面现有设施及附近生态环境带来的破坏性影响展开分析。

2.2预测模型

该矿区主要煤层存在＜15°的倾角，其煤层属于缓倾角近水平状态，对其模型预测如下：

①地表出现的下沉：

其中的W（x）表示的是位于主断面上，与开采边界相距x的点表现出的下沉值大小，单位为mm；W0表示的是地表出现的最大下沉值，单位也是mm；r表示的是产生影响的半径，单位是m。

②地表出现的倾斜：

其中的（x）表示的是位于主断面上的x点倾斜角，单位是mm/m。

其最大倾斜率为。

③地表曲率：

K（x）=

这里面的K（x）表示的是位于主断面上面的点对应的曲率值小，单位是10-3/m；其曲率值最大为K0=。

其相关参数的配置见表1。

表1相关参数配置表

2.3地表塌陷状况

（1）按照经验将井区塌陷坑里面的浅部边界以外的30ｍ线确定下来。按照地表产生塌陷坑后，因第四系水的失泄跟塌陷坑边坡产生的移动极易引发坡顶以外30ｍ范围内的地表出现变形或者移动，故而该线跟发生2ｍｍ／ｍ深部水平变形的等值线圈出来的范围就是井区开采引发地表产生的下沉范围，其面积约为0.9ｋｍ2。（2）井区内最大地表下沉值可达8.86ｍ，拉伸变形值最大能有57.5ｍｍ／ｍ，压缩变形值最大为27.8ｍｍ／ｍ。即井区内因厚度大、采深小，导致其地表发生的变形远超4级，对建筑物的破坏也远不止4级。井区里面沉陷区域内的既有建筑物所受损害程度不同，大多数损害比较严重，需要采取拆迁措施。

3防治措施

（1）采区对矿区公路的影响程度不同，但对于塌陷路面长度而言，下沉值相对较大，使公路容易出现裂缝或者局部出现隆起，对公路造成较大影响。但地表的破坏性形态变化也需要一段漫长的时间一点点发生的，再说它能够影响的地面长度也不过才1.5ｋｍ，故而有条件展开修复。为确保该公路能够正常运输，以免发生事故，应根据“公路养护规范”对受影响的采区公路进行管理，定期维修。（2）井田内以农田为主，地形存在起伏。井田内采区地面通常只下沉1m～3ｍ，且需要漫长时间段方可形成，只有局部地段会超过5ｍ，沉陷区内存在3处积水，且面积均比较小，且下沉区大部分不会影响种植，故而，对地表环境的影响轻微。

4结语

综上所述，本文针对研究对象的开采特点和其生态环境造成的影响，得出结论为井工煤矿开釆确实会造成地表塌陷、水土流失、水资源污染。经过分析可知其土地损毁程度、类型还有面积，将待复垦范围确定下来。并给出了修复、预防措施。

参考文献：

[1]危险程度评价分析法在井工煤矿安全现状评价中的应用[J].张志荣.海峡科技与产业.2017（12）

[2]井工煤矿地面设排土场影响数值模拟分析[J].王国瑞，王怀宇.内蒙古煤炭经济.2017（23）