探析煤矿井工开采引起地表变形问题

探析煤矿井工开采引起地表变形问题

刘仁鹏

中冶武勘工程技术有限公司 湖北 武汉 430000

摘要：本文着重分析了煤矿井工开采过程中产生的地表变形问题，针对实际问题提出了相应的优化策略，既能保证开采的效率，又能保护环境，以及降低采煤过程中出现的环境问题，从而达到防治环境污染的目的，以此来提高煤炭开采的效率和质量。

关键词：煤矿；开采；地表变形

在矿井生产中，各种因素都会导致地表变形的产生，从而提高矿井的安全风险，因此必须对地表变形进行实时动态监测，并采取相应的措施，减少地表变形的发生。本文通过一家煤矿的实例，对煤矿井工开采所引发的地表变形问题进行了剖析与探讨，从而保证了矿井的正常生产。

1煤矿井工开采引起地表变形的形式分类

井工开采产生的地表变形指的是由于开采而引起的地面沉降、地面裂缝、地面塌陷等地质灾害。从定义上讲，它主要分为三类。

1.1地面沉降

地面沉降的原因地表塌陷，形成了一个碟形的凹陷。地面沉降会对建筑物、生活设施等产生危害，如生活场所出现积水、海水倒灌等。

1.2地面塌陷

地面塌陷是指洞室、巷道等区域的地面突然崩塌，导致地面下沉、开裂。由于地表塌方所引起的地表变形，其变形量相对较大，且发生的时间比较短，难以预测。而且，一旦发生塌方，会引起地面建筑物的破坏，严重时会引起公路、桥梁等交通要道的破坏，严重时会危及人身和财产的安全。

1.3地裂缝

(1)首先是在煤矿采掘区边缘拉伸区内的永久裂缝，这些裂缝一般平行于矿井采掘区的边界，总体上，它的宽和深度相对较深。在这样的情况下，有三种情况会发生，一是在邻近的工作面上进行采矿，二是利用人工来填充裂缝，三是自然现象，但需要很长一段时间。

(2)二是动力断裂，由于受矿井工作面的驱使，在工作面前方方向上处于动态张拉区，常出现动态裂缝。动态裂缝呈弓形分布，与永久裂缝的宽度、深度相比，其宽度和深度较短，与采掘工作面大致平行，但与采掘工作面的推进方向垂直。为了使动态裂缝重新闭合，必须在采场持续的作用下，将动态张拉带改为动态压缩带，这样才能使动态裂缝闭合[1]。

2煤矿井工开采引起地表变形程度的影响因素

由于煤炭资源的大量开发，造成了生态环境的破坏，生物多样性的减少，水土流失的加剧，所以，必须认识到地表变形的成因，才能最大限度地减少因采矿而造成的地表变形灾难。结果表明，影响地表变形的大小主要与煤矿的开采深度、长度、宽度、厚度、矿区地质性质、开采手段有关。以下是各个因素的特定作用。

2.1煤矿井工开采深度的影响

开采深度对煤矿井工开采造成的地表变形的影响很大。当同一矿井在采空区内，在其它采掘条件不变的前提下，可以看出，随着采掘深度的增加，地表变形度降低，变形持续的时间也会延长。一些矿井在将煤炭从矿井中开采出来后，往往会采用塌落的方法，对采空区进行充填。

2.2煤矿井工开采厚度的影响

煤矿井工采掘厚度对地表变形有很大的影响。矿井的厚度越大，承受的压力也就越大，也就是说，塌陷的面积和裂缝的面积也就越大，这也就意味着，煤矿井工的开采，对地表变形的影响也就越大[2]。也就是说，当其它条件相同时，随着煤矿井工矿厚度的增加，地表变形问题就会更加明显。

2.3煤矿井工开采宽度的影响

煤矿井工开采宽度对地面采动有一定的影响。当采空区宽度小于某一极限时，采空区上方的岩体仅出现单一弯曲现象，而无断裂现象，此时地表沉降较小。但当开采宽度超过一定限度时，采空区上方的岩石不仅会发生弯曲甚至断裂，导致部分岩石崩塌，从而导致地表塌陷。

2.4煤矿井工采空区上覆岩层岩性的影响

从采矿实际情况来看，覆盖岩体是否存在坚硬坚硬的岩石，直接关系到地面运动的变形。上覆岩岩性之所以能影响地表变形，是由于其岩性的不同所造成的物理力学上的差异。在理论上，软岩的抗拉强度、抗压强度都要比性质较硬的岩石差得多，而在煤矿井工开采方式、深度、厚度等条件相同的情况下，硬度较高的岩层地表变形度较小，变形速率也比较缓慢[4]。另外，如果表层的岩层比较坚硬，那么在变形过程中，会产生与岩层平行的裂缝。不过，在质地较软的岩石上，平行裂缝的可能性并不大。结果表明，在其它条件相同的情况下，软岩发生地表沉陷的可能性大于性质坚硬岩层，而且地表沉降量也比较大。

2.5煤矿井工开采区域地质构造对地表变形的影响

在进行采矿作业时，断裂是一种常见的地质结构。在断裂带地区，由于岩体强度比周边岩体弱，因此，在此条件下进行采矿，会引起岩体周边的应力集中，造成断裂地带附近地区的严重变形。必须清楚地说明，煤矿井工采矿所造成的地表变形问题并非立即产生，而是一个长期的、持续的过程。随着时间的推移，地表变形的强度也会发生变化，从一个细微的改变，到一个明显的倾斜和移动。

3地表变形动态测量的简化处理

以上重点对矿井地表变形的影响进行了分析，在认识地表变形的形成机理的前提下，重点应放在对地表变形的研究上，本文主要是利用地表变形线的动态观测，掌握岩层的变化情况，并根据这些变化，采取相应的对策，减少矿区的地质环境。

在利用动态测量技术分析煤矿生产中出现的地表变形问题时，常常会对其进行简化，以提高其使用的效率和质量。在此过程中，应着重于认识矿井的复杂情况，并主动地进行技术改造与优化，以提升矿井技术应用的效率与质量。在进行问题分析时，要注意清楚不同部位受相同力量影响的结果是不一样的，要根据实际情况进行具体的分析，找到最优的方法[4]。

首先，要注意清楚地层本身的特性，表层土壤是松软的，而深层地层的成分和构造则各不相同，所以在进行动态测量时，应注意清楚地下层的物质，同时，为了简化工艺，可以把它们当作同类物质。另外，应着重于对地表变形生成的最后空间的研究，而非煤层的开采时间的确定。目前，国际上普遍使用的技术是FLAC，其基本原理是将一个整体分解，然后通过对各个区块的应力进行测量，并根据分析结果进行仿真，从而使试验的效率得到极大的提高，同时也使计算过程得到了一定的简化，因而在地表变形测量中得到了广泛的应用。然而，在实际应用中，也要注意到它本身的缺陷，这就是在进行计量时，由于忽视了某些细节问题，从而造成了测量结果的偏离。

4.煤矿开采引起的地表变形的动态测量的方法和基本理论

地表变形的测量是简化的，所以在测量的时候，会出现一些误差，从而影响到实验的效果，另外，由于人为操作造成的自身无法避免的因素，会对测量结果产生一定的影响，因此必须进行相关的检验，以提高其准确度，同时，为了确保矿井的安全运行，必须对测量数据进行及时的修正，确保计算的精度[5]。在此基础上，着重于对观测点的距离、偏差以及观察线的角度偏差进行研究。其中，重点是确定各观测点间的位移与变形，即各观测点的水平位移、观测点的倾角变化、水平方向的变化等。

结语

总之，矿山开采中存在的环境问题是不容忽视的，同时也是对有关部门、单位进行合理开采、科学开采、保护生态环境的一个重要方面。

参考文献

[1]孙述海,赵振伟,郑丽爽,等.新阳煤矿二采区地表变形监测研究[J].内蒙古煤炭经济,2020,(3).

[2]许宏.色连煤矿浅埋开采地表移动与变形规律研究[J].山东煤炭科技,2020,(7).

[3]赵玉倩.泊江海子煤矿井工开采引起地表变形的问题研究[D].中国地质大学(北京),2015.

[4]徐涵洵.井工开采引起煤矿区土地破坏状况及趋势分析[D].太原理工大学,2015.

[5]方军.复杂地形条件下井工开采地表变形规律研究[D].华北理工大学,2019.