煤礦井工開采引起地表變形問題探究

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司五人小組 山西 037001）

在煤礦井工開采過程中，由于各方面因素的影響，不可避免的會誘發(fā)地表變形，增加了煤礦安全隱患的發(fā)生率，此時就需要采取有效措施來對地表變形進行實時、動態(tài)監(jiān)測，并采取有效措施給予預防和解決，以此來降低地表變形的發(fā)生率。本文將會以山西某煤礦為例來對煤礦井工開采引起地表變形問題進行分析和探究，以此來確保煤礦開采工作的順利進行。

1.開展煤礦井工開采引起地表變形問題探究的背景

隨著經(jīng)濟發(fā)展模式的不斷改進和升級，在推進社會生產(chǎn)的過程中人們開始積極開發(fā)和運用新能源，以此來實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護相結合。新能源的運用使得傳統(tǒng)能源諸如煤炭在社會生活中的運用比重不斷下降，但是其仍然是社會生產(chǎn)中所需要的基礎能源，為了滿足社會生產(chǎn)的巨大需求，煤炭生產(chǎn)領域一直在積極進行技術改進和發(fā)展，以此來提高煤炭生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

該煤礦采空區(qū)面積達到了0.6km2，其中4號煤層采空區(qū)埋深約為400-500m。在該區(qū)地裂縫、地面塌陷等地面變形雖然不太明顯，但是如果不加處理將會誘發(fā)比較嚴重的地質(zhì)災害。研究區(qū)礦井選擇了長壁法進行開采，且頂板選擇了全部垮落處理，煤層工作面長度150-260m，開采深度從600m至-100m標高，推井長度1800-2800m，是充分采動。通過對以往開采經(jīng)驗進行分析得知，當煤層開采深度與開采厚度比值＜30時，極有可能導致巖層出現(xiàn)變形，并逐漸向地表傳播，進而誘發(fā)地表出現(xiàn)不連續(xù)變形。通常情況下，地表變形越劇烈將會導致采空區(qū)上方出現(xiàn)比較大的塌陷坑或裂縫。如果開采深度與開采厚度比值范圍在30-100之間時，雖然地層未見較大地質(zhì)破壞，然后煤礦資源開采完成后，將會導致巖層移動并傳播至地表，進而誘發(fā)地表出現(xiàn)一定程度的連續(xù)變形。

2.地表變形的成因和作用過程

在煤炭開采的過程中會對周邊的地質(zhì)環(huán)境造成一定的影響，其中最主要的表現(xiàn)在于采空區(qū)上方的地質(zhì)層往往會因為受力而發(fā)生形變和位移，這種情況會存在于露天開采等各種情況，導致地質(zhì)層發(fā)生變形的主要問題在于采空區(qū)地表塌陷，地表塌陷的主要過程如圖1所示。

圖1 地表塌陷的過程

煤礦開采區(qū)地質(zhì)層發(fā)生變形會導致地表塌陷從而影響周邊區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境。例如，如果煤炭開采區(qū)周邊存在耕地等，在這個區(qū)域內(nèi)地質(zhì)層發(fā)生塌陷會形成大坑，最后會形成沼澤，從而影響土地的使用率；此外如果煤炭開采區(qū)周邊存在居民區(qū)，地質(zhì)層塌陷會影響房屋的穩(wěn)定性從而導致房屋傾斜和開裂等問題的出現(xiàn)，影響用戶住房的安全性和穩(wěn)定性。據(jù)分析可知，引發(fā)地質(zhì)層變形的主要因素如圖2所示。

煤礦開采區(qū)域發(fā)生地表變形不僅會影響周邊的環(huán)境，造成房屋塌陷、影響土地使用效率等問題，還會伴隨著其他問題的出現(xiàn)，例如排土場的位置不當會導致水土流失問題的出現(xiàn)，或者會導致耕地被占用，或者在這個過程中因為地下礦井排水而導致的水體污染問題。

要有效解決煤礦開采導致的地表變形等問題，必須要注重明確地表變形的作用過程。在壓縮和拉伸的共同作用之下會導致地表變形，在橫向力的作用下往往導致地表出現(xiàn)塌陷或者鼓起的情況，如果在煤礦開采的區(qū)域中存在建筑物，地表變形將會直接影響到建筑物的穩(wěn)定性，導致建筑物在受力的基礎上發(fā)生破壞。此外，如果地表發(fā)生變形是受到了縱向的力，往往會導致地表發(fā)生位移或者變形，從而導致地表形成高度差影響其自身的穩(wěn)定性。

圖2 造成地表塌陷的主要因素

3.地表變形動態(tài)測量的者化處理

上述主要分析了煤礦開采過程中引發(fā)的地表變形的主要成因和其作用的過程，在了解地表變形發(fā)生的主要原因的基礎上需要著重解決因煤炭開采而引發(fā)的地表變形問題，本文主要通過對地表變形進行動態(tài)測量來更好把握地質(zhì)層發(fā)生的變化，在此基礎上采取相應的措施來降低煤炭開采的過程中對于地質(zhì)環(huán)境的影響。

在運用動態(tài)測量的方法對煤炭開采過程中引發(fā)的地表變形問題進行分析的過程中，為了提高技術運用的效率和質(zhì)量，往往都會針對結構進行簡化。在這個過程中要注重明確煤礦開采所處環(huán)境的復雜性，從而積極進行技術的改進和優(yōu)化，以此來提高技術運用的效率和質(zhì)量。在進行問題分析的過程中要注重明確地質(zhì)層不同位置所受到同一力的作用結果也不同，因此要注重對實際情況進行具體分析來找出相應的優(yōu)化策略。

首先，要注重明確地質(zhì)層自身的特征，其中地表層的土質(zhì)以松散為主要特征，而深層地質(zhì)往往又有著不同的組成和結構，因此在制定動態(tài)測量方案的過程中要注重明確地下層的物質(zhì)，在這個過程中為了簡化技術，可以選擇將其視為同性的物質(zhì)。此外，要注重明確實驗分析的重點，即探究的重點在于地表變形形成的最終空間而不是煤層的開采時間。

在這個過程中要注重明確現(xiàn)階段運用于地表變形測量中的主要技術以及運用不同技術的主要原理，現(xiàn)階段國際所通用的技術所采用的原理為FLAC原理，主要原理為實現(xiàn)對一個整體的分割，之后對不同的分割塊的受力情況進行測量和分析，基于分析結果進行模擬生成，這種原理和方式的運用大大提高了實驗的效率，而且在一定程度上簡化了計算的過程，因此被廣泛運用于地表變形測量的過程中。但是在使用的過程中還要注重發(fā)現(xiàn)其自身存在的局限性，即由于在測量的過程中為了簡化計算而選擇忽略了一些細節(jié)性的因素，這往往會導致測量的結果存在偏差。

4.煤礦開采引起的地表變形的動態(tài)測量的方法和基本理論

在進行地表變形測量的過程中因為進行了測量的簡化，導致在測量的過程中數(shù)據(jù)等會存在一定的偏差從而影響實驗結果，此外還有一些人為操作導致的自己不可避免的因素而影響到測量結果的準確性，為了有效提高測量結果的準確性，需要開展相應的檢查和檢測工作，以此來保證煤礦生產(chǎn)的安全性，在這個過程中還要注重對所得到的測量數(shù)據(jù)進行及時的校正，從而保證計算結果的準確性。此外，要注重開展對觀測點距離及偏移和觀測線的角偏移量的計算。

其中，要注重明確各觀測點之間位移和變形計算的主要對象，即在于各個觀測點的垂直和水平方向上的位移，由觀測點構成的觀測線的傾斜角的變化量，以及其在水平方向上的伸縮量等等。此外要注重明確不同數(shù)據(jù)的計算方法，例如測點的下沉距離計算公式為：某一時刻對應測出的位置-初始位置，所得出的就是豎直方向上的投影，這種計算當時同樣適用于計算水平方向上的投影。此外，還要注重對不同方向上的位移量進行計算，同時要進行位移矢量角度的測量，以此來明確位移矢量的變化，在分析相關數(shù)據(jù)的基礎上明確觀測線變形的情況。

5.研究結論

上述主要分析了煤礦開采引起地表變形的動態(tài)測量的方法，以及在測量的過程中所運用到的基本理論，在開展測量的過程中通過對地表變形情況的模擬來得出相應的結果，下面就測量研究所得出的相關結論進行分析：

首先，通過實驗明確了在煤礦開采的過程中導致地表變形的主要因素，即地質(zhì)情況、開采方式和地表的覆蓋情況，在開展實驗的過程中要注重實驗的全面性，力求實現(xiàn)對地表變形情況的全覆蓋，在此基礎上得出科學的結論。此外，在解決煤礦開采引發(fā)地表變形的問題的過程中要注重積極運用測量結果來提高問題解決的效率和質(zhì)量，以相關分析結論為指導進行煤礦開采技術的改進和優(yōu)化，從而有效降低開采過程中發(fā)生安全事故的可能性，從而保證煤礦開采的安全性，避免對地質(zhì)環(huán)境造成嚴重破壞。