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i3mm/m，曲率k0.2103/m，水平变形

2mm/m。

开采矩形工作面时的地表移动和变形预计

1)坐标系统的建立和变换 ①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、X、Y轴分别平行于煤层走向和倾向，建立OXY直角坐标系。

②坐标变换

在概率积分法预计地表移动与变形时，坐标系统是以地表下沉曲线拐点的位置为原点的。因此计算公式中的坐标（XA、YA）应以工作面拐点平移后的计算开采边界为准，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：

YY'XX'φ',Y )'A(Xφ O'OS3S4图1 坐标系统图fig.1 coordinate systemX'XXXS1

ttS1S2 （S2取负值） yyHxctgLLH上ctgS4sinS3sinsin()

sin()H下ctgS4sinsin()

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 ①任意点A下沉值WA（x、y）的计算

1AW(x、y)Wmaxxxxrxtre21dxrxxr下xtr上e2xdWmaxCxCy

Cx11xxxrxtrxxter上r下2e21d0d10xe2dx0xtre2d

2xxCyxxr下e2dx0xtr上ed

Cx、Cy中的概率积分可按下式计算：

ttΦuΦtdtu212eu22du， t11Pu

Φu112e2CtC12tC3tC4tC5t2345

其中：P=0.23119，C1=0.3198153 C2=-0.356563782，C3=1.7814937 C4=-1.821255978，C5=1.330274429 上式中将u用2、2xer、2yr下、2y-Lr上分别代入，便可计算Cx和Cy值。当xr，xtr，yr下，ytr上分别小于等于2时（即x2r时）可按

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 Wmaxm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、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） ②地表任意点倾斜值T

oΦs+Ty TΦTxCycCxsΦin

CxcoΦs

inΦ-Ty TΦ+90°TxCys TmTCycoΦsxaxTTCsΦinyx T ΦTtg 式中：

1TyCxTxCy

ax Tm—待求点的最大倾斜值（mm/m）

ΦT—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）

③地表任意点A的水平位移值U，沿指定方向水平移动U。

UUxCycosUyCxsin U90°UxCycosUyCxsin

ax 待求点A的最大水平移动UmaxUxCysinUyCxcosU UmU—最大水平移动方向与OX轴的夹角

UyCxUxCyUtg1

Ux、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)

④地表任意点的水平变形值ε 沿指定方向的水平变形ε

xCycosyCxsin22UxTyUyTxWmax2sincos

90°=xCysinyCxcosax 待求点最大水平变形maxxCycos2yCxsin2m2UxTyUyTxWmaxsincos

UxTyUyTxWmaxsincos

待求点最小变形值min（mm/m）

 min90°-max最大水平变形方向

12tg1UxTyUyTxWmax(xCyyCx)

Cy—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Cx、

（mm/m），对于倾斜方向需附加Ty、ctg

⑤地表任意点A的曲率变形值K 沿指定方向的曲率变形K

22KKxCycosKyCxsinTyTxWmax2sin2

K+90°KxCysinKyCxcos2TxTyWmaxsin2

ax 待求点最大曲率变形值KmaxKxCycos2KyCxsin2KKmTxTyWmaxsinK

待求点最小曲率变形值Kmin

ax KminKK90°Km最大曲率变形方向

K12tg12TxTyWmaxKxCyKyCx

Kx、Ky—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。

2.煤矿采空区地面塌陷的综合治理措施[3]

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1-2煤，工作面规格为938m×150 m，煤层厚4.61~7.21 m，埋深60m。1993

年3月15日开始回采(综采)，24日采空区150 m×23.32 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6~7 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6~8m，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25~78 m，深0.5~18 m。大量烟雾自坑中冒出。 3)李家畔矿地面塌陷

-2

乡镇矿，开采1煤，煤厚8~9 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5.5~7 m，附近地表下沉0.8~1.5 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 m×1 000 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，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，取得了一定的收效。其中1203工作面上方经治理后，地表沙柳、沙蒿等草木生长良好。

4.结语

煤矿区采空区地面塌陷所产生的影响是多方面的，不仅影响矿区环境质量，而且影响到矿区及其周边地区的社会环境和经济环境，所以采取科学合理的预测方法、治理措施尤为重要。

参考文献

[1]赵波.地面塌陷及其预防措施.北京地质,1999

[2]纪万斌.我国东北地区采煤塌陷灾害的预测及治理途径.中国地质灾害与防治学报,1997(10):63~66. [3]孙越英,徐宏伟等.焦作煤矿区主要环境地质问题与对策研究.地质灾害与环境保护,2006(9):8~9. [4]范立民,杨宏科.神府矿区地面塌陷现状及成因研究.陕西煤炭技术.2000