煤礦礦區地面塌陷成因及控制措施研究

劉 春 劉 上 李 超

(重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331)

地面塌陷是指通過地下施工的手段將地下賦存的礦石巖土開采運移至地面后，原礦石巖土存在的區域臨空成為采空區，導致周圍圍巖應力重新分布再平衡過程中出現破壞，上覆巖體涌入采空區，巖土體應力重新分布并調整到新的平衡過程中,采空區之上的上覆巖土層發生位移變形形成凹陷盆地、漏斗狀地洞和臺階狀斷裂的現象[1]。地面塌陷會導致房屋墻壁開裂，耕田破壞，產生長期積水區，對鐵路、公路造成割裂性破壞，嚴重影響人們的生產生活及交通出行，造成巨大財產損失和生命安全威脅。地面塌陷形成原因眾多復雜，并且受圍巖性質、地形地勢、地質構造、水文條件、自然降雨及人類活動等多方面因素影響。本文依靠重慶市教委科研資助項目，以山東省新泰市煤礦采空區地面塌陷為研究對象，深入研究該地區導致地面塌陷的影響因素，并對重慶地區采空區地面塌陷控制措施制定提供借鑒。

1 塌陷區狀況

根據《山東省新泰市煤礦采空區調查評價報告》，全市受災情況如表1所示。

從表1中可以得出，該地區地面塌陷范圍較大，類型主要為地面沉降及塌陷坑，具有典型的塌陷區特點。地面塌陷給當地人民群眾生產生活帶來極大影響，并且給當地環境造成不可修復的破壞，因此對該地區地面塌陷形成原因進行探究分析是具有現實意義的。本文擬采用事故樹分析方法對該地區地面塌陷原因進行分析，并提出控制措施。

事故樹分析法是將某一個已發生的事故作為頂上事件，通過逐層深入剖析，自上而下找出導致不良結果的所有因素。事故樹分析法是一種通過由果找因的方式，一方面它能夠找出引發事故的最直接原因，另一方面也能揭露事故發生的間接原因[2-3]。通過對最小割集和結構重要度[4]求解分析，得到煤礦采空區地面塌陷原因集合。

表1 新泰市地面塌陷情況統計表

2 實例應用

（1）建立事故樹模型

通過查閱前人資料和對近幾年事故的分析，在對地面塌陷事故有充分了解后，依照事故樹編制的原則方法，建立地面塌陷事故樹模型，如圖1所示，地面塌陷基本事件如表2所示。

從圖1地面塌陷事故樹模型中可以得出導致地面塌陷事故發生的主要因素可以分為4類：

①水的破壞A1：X1超量抽取地下水、X2強降雨、X3地表水倒灌；

②采礦破壞A2：X4開采厚度過大、X5開采深度較淺、X6重復開采、X7爆破震動、X8冒頂片幫、X9放頂煤過多、X10煤柱預留少、X11采空區未回填；

③地質構造薄弱A3：X3地表水倒灌、X12上覆巖層軟弱、X13煤層傾角較大、X14毗鄰地下水源；

④地下溶洞頂板破壞A4：X15人為破壞、X16水侵蝕。

圖1 事故樹模型

表2 基本事件表

（2）最小割集計算

本文中的最小割集表示了導致地面塌陷的基本事件集合，每一個最小割集都是一種導致頂上事件發生的途徑。采用布爾代數化簡法對事故樹的最小割集進行計算求解,結果經統計后如表3所示。

通過分析表3的最小割集可得到如下結果：

①地面塌陷是多種相互影響的因素在某個時間段內共同作用下產生的，并不是僅由單一因素所造成。經分析計算，該事故樹的最小割集數量為42個。

②最小割集中元素數量越少，其對頂上事件發生的影響越大，在地面塌陷事故樹中3個元素組成的地面塌陷最小割集的數量有6個，4個元素組成的地面塌陷最小割集的數量有6個，5個元素組成的地面塌陷最小割集的數量有15個，6個元素組成的地面塌陷最小割集的數量有6個，7個元素組成的地面塌陷最小割集的數量有9個，經計算得出，其中影響度最大的3元素、4元素及5元素的最小割集的數量有27個，占總數的64.3%，說明該地區地面塌陷的可能性較大，需要長期監測控制。

（3）結構重要度分析

結構重要度排序能夠直觀地反應基本事件對頂上事件的影響大小，通過分析排序，得到事故發生的主要因素，本文采用如下公式計算結構重要度。

式中：

IΦ(i)—第i個基本事件的結構重要度系數；

Kj—第j個最小割集；

nj—第i個基本事件所在的第Kj最小割集中的基本事件個數總和；

K—最小割集的數量；

Xi—第i個基本事件。

根據上述公式得到基本事件的結構重要度排列順序為：

通過對基本事件的結構重要度排序分析，得到以下結果：

①基本事件結構重要度越大，表示該基本事件發生時對頂事件產生的影響越大。分析結果為“超量抽取地下水”這一基本事件是重要度最大的基本事件，說明超量抽取地下水是導致地面塌陷的主要因素，通過增加多種供水渠道，減少地下水抽取是預防地面塌陷的有效手段。

②從整體重要度排序結果可以發現人類活動產生的破壞影響超過地質構造本身的影響，這就說明超量抽取地下水、采礦活動、地下空間開挖等人類活動是導致地面塌陷的直接原因，地質構造薄弱是導致地面塌陷的根本原因。

3 地面塌陷事故防控策略

通過對地面塌陷事故的分析結果中可以看出，地面塌陷事故的發生是由眾多因素共同作用的結果，單一因素并不能導致事故的發生，因此在制定事故預防措施時應從各個因素角度出發，綜合考量制定事故防控策略。

（1）抽取地下水時應考慮地下水位對上覆巖層穩定性的影響，不能無限制抽取地下水導致地下出現應力集中區。

（2）在開發地下溶洞旅游資源時，應注意溶洞頂板的加固工作，同時做好地面排水設施的管理，防止強降雨時地表水倒灌。

（3）在開采地質構造薄弱的煤層時，應合理規劃采煤工藝，采煤厚度要適中，采煤深度不宜過淺，避免重復開采。

（4）采煤過程中應預留足夠的煤柱作為支撐，同時采空區必須做回填處理，可采用矸石回填，或者采取注漿加固等手段。

（5）對于塌陷地區應設置監測點，長期監測地表變形位移量，加強隱患點巡查，做到提前發現、提前通知、提前治理。

4 結語

本文以地面塌陷事故為研究對象，結合具體塌陷區實際情況，構建事故樹模型，對地面塌陷事故原因進行了探究，主要得出以下幾點結論：

（1）運用事故樹對地面塌陷原因進行深入分析識別，識別出導致地面事故發生的主要因素，并歸納為水的破壞、采礦破壞、地質構造薄弱及地下溶洞頂板破壞5種。

（2）通過對事故樹最小割集和結構重要度分析，可以發現人類活動產生的破壞影響超過地質構造本身的影響，說明超量抽取地下水、采礦活動等人類活動是導致地面塌陷的直接原因，地質構造薄弱是導致地面塌陷的根本原因。

（3）本文通過事故樹由果找因的方法，得到較為全面的地面塌陷的原因，通過地面塌陷事故進行事故樹分析，得到的分析結果與實際情況相吻合，證明該方法在地面塌陷事故防治領域具有較高的應用價值。