煤礦開采沉陷地質(zhì)災害分析及控制措施研究

趙建軍

（晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦，山西 大同 037027）

我國煤礦大多具有煤層深度大的特點，因此多數(shù)礦井均采用井工開采的方式。井工開采的缺陷在于開采過程破壞性較強，使得煤層的應(yīng)力重新分布，上覆巖層位置發(fā)生改變。巖層移動過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會對地表產(chǎn)生一定影響，造成開采區(qū)域地表凹陷，這就是所謂的開采沉陷。此前一段時間，由于經(jīng)濟發(fā)達程度較低，煤礦開采區(qū)周圍往往人口和建筑密集程度較低，因此開采沉陷并未對人們的生產(chǎn)及生活造成實質(zhì)性影響?，F(xiàn)如今，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤礦周圍的居民區(qū)和建筑物的數(shù)量都顯著增加，因此開采沉陷造成的地質(zhì)問題就應(yīng)當引起足夠的重視。由于開采沉陷導致的地質(zhì)災害通常包括河流阻斷、水土流失以及山體滑坡等，對人們的生產(chǎn)及生活安全有著顯著影響。本文對煤礦開采沉陷導致的地質(zhì)災害進行分類討論和分析，并在此基礎(chǔ)上提出針對性的開采沉陷防控措施。

1 煤礦開采沉陷地質(zhì)災害形成機理和類型

為了能夠有針對性地對開采沉陷地質(zhì)災害進行防控，首先需要明確不同地質(zhì)災害的成因和影響。主要針對幾種常見的地質(zhì)災害類型進行了詳細介紹。

1.1 煤礦開采沉陷地質(zhì)災害形成機理

隨著煤層的不斷開采，煤層應(yīng)力重新分布，當前的應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力在重新分布的過程中，上覆巖層會發(fā)生一定的移動，而巖層移動產(chǎn)生的應(yīng)力會導致開采區(qū)地表出現(xiàn)沉陷。沉陷量和煤層開采過程的方案設(shè)計存在一定關(guān)系。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，開采區(qū)的地表沉降存在一定的規(guī)律，從開采中心處到邊緣逐漸減小，煤層開采地表沉陷曲面示意圖如圖1所示。沉陷的不均勻性導致巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成地質(zhì)災害的出現(xiàn)。

圖1 煤層開采地表沉陷曲面示意圖

1.2 煤礦開采沉陷引起的地質(zhì)災害類型

煤礦開采沉陷造成的地質(zhì)災害主要包括地表裂縫、水土流失、地表水斷流以及山體滑坡等。其中最為常見的是地表裂縫和山體滑坡，這都是由于巖層的變形造成的。通常情況下，地表裂縫會對建筑物和公共設(shè)施的正常使用產(chǎn)生影響，例如墻體裂縫導致建筑物承載能力下降、地表裂縫導致公路出現(xiàn)破壞等。并且隨著礦區(qū)周圍建筑物的密集程度逐年提升，開采沉陷的危害也在日益加重。

通常情況下，開采沉陷造成的地表裂縫為貫穿型裂縫，巖層裂縫較多會對地表水的存儲產(chǎn)生較大影響，使得地表難以存儲足夠的水源來維持動植物的需要，給生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。當前地表裂縫對于生態(tài)環(huán)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在水土流失嚴重及地表水不足導致農(nóng)作物產(chǎn)量降低，給人們的日常生活造成了嚴重的影響。

2 煤礦開采沉陷控制措施

為了避免開采沉陷造成的地質(zhì)災害頻繁出現(xiàn)，應(yīng)當對開采沉陷量進行控制。當前較為流行的幾種地表沉陷量控制措施主要有劃分合理的保護煤柱、離層注漿和充填開采等，主要對此進行比較分析。

2.1 劃分合理的保護煤柱

為了從源頭上消除開采沉陷給居民生活造成的影響，應(yīng)當根據(jù)人口的密集程度進行開采區(qū)域的劃分。較為常見的劃分方式為劃分合理的保護煤柱，也就是根據(jù)人口和建筑的分布對開采區(qū)域進行限制，將部分區(qū)域設(shè)置為禁采區(qū)。該方法不僅經(jīng)濟成本較低且控制效果較好。應(yīng)當注意的是，保護煤柱劃分時應(yīng)當根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行嚴格計算，避免劃分范圍不合理，劃分范圍過小會導致開采沉陷難以控制，劃分范圍過大則會使煤礦的效益受到影響，造成煤層開采不充分、不完全。

2.2 離層注漿

應(yīng)力重新分布導致巖層發(fā)生移動，移動過程中巖層間會出現(xiàn)一定的空隙，也就是所謂的離層，地表沉陷與離層的關(guān)系示意圖如圖2 所示。從圖2 中不難發(fā)現(xiàn)，如果避免了離層的出現(xiàn)，巖層的移動則將很難對地表產(chǎn)生影響。因此離層注漿也是控制地表沉陷的有效方式之一。

圖2 地表沉陷與離層的關(guān)系示意圖

離層注漿的操作流程：在巖層間的離層指定區(qū)域進行鉆孔，鉆孔完畢后向孔中注入水泥漿液，水泥漿液凝固后會將離層充滿，從而導致巖層的移動無法傳遞至地表，離層注漿技術(shù)示意圖如圖3 所示。離層注漿技術(shù)操作難度較低且不影響煤礦開采的正常施工，因此使用范圍較為廣泛。但該方式的主要缺陷在于，注漿效果依賴于對離層位置判斷的準確性，且由于煤礦內(nèi)部存在陷落柱等地質(zhì)情況，易導致部分區(qū)域的注漿效果受到影響。

圖3 離層注漿技術(shù)示意圖

2.3 充填開采

開采沉陷是由于開采過程導致的開采區(qū)與煤層間出現(xiàn)一定的采空區(qū)，因此為了從源頭處避免沉陷量過大，抑制地質(zhì)災害的出現(xiàn)，應(yīng)當對采空區(qū)進行充填，即在開采結(jié)束后，使用適當?shù)牟牧蠈Σ煽諈^(qū)進行充填，從而降低地表的下沉量。

選擇合適的充填材料可以降低充填開采技術(shù)對環(huán)境造成的污染，這也是充填開采未來的發(fā)展趨勢，通過充填開采方式來避免煤礦開采造成地表水的嚴重流失，這對于生態(tài)環(huán)境的保護有著顯著作用。此外，通過充填開采的方式也能夠降低巖層移動帶來的影響，確保地表水的存儲，根據(jù)實際研究發(fā)現(xiàn)，通過對采空區(qū)進行充填能夠?qū)㈤_采沉陷量降低60%左右。

當前，充填開采已經(jīng)逐漸在煤礦普及，實際使用效果較好。充填開采的使用能夠適當減少保護煤柱的使用以及工作面的遷移次數(shù)，提高了煤礦的生產(chǎn)效率，降低了煤礦的經(jīng)濟成本。但是當前充填開采仍然存在一定的不足之處，主要包括：充填材料成本較高，河沙充填效果較好但是成本較高，因此通常采用高水膨脹材料；充填和開采的協(xié)調(diào)性不夠，充填采空區(qū)會和正常的煤礦開采過程產(chǎn)生一定沖突，影響煤礦的開采速度。因此，如何處理好二者間的關(guān)系成為了當下亟待解決的問題。

2.4 開采沉陷的整治

粉煤灰、煤矸石填充。煤礦開采過程中，頂板、底板等區(qū)域會產(chǎn)生大量的矸石，傳統(tǒng)開采通常是將其直接堆放在地表，不僅占地較多且會破壞地表環(huán)境，因此可以將矸石作為材料進行充填，在可避免環(huán)境遭到破壞的同時，還能起到充填開采的效果。此外，電廠工作過程中會產(chǎn)生大量粉煤灰，將粉煤灰作為填充材料能夠起到廢物利用的效果。

平地、梯田開墾。對沉陷區(qū)的治理需要根據(jù)實際特點進行，可通過平地、梯田修建來對沉陷區(qū)進行整治，以實現(xiàn)該區(qū)域的二次利用。梯田修建的相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)沉陷區(qū)的實際情況進行選取，同時需要該地區(qū)有良好的農(nóng)田灌溉條件。

3 結(jié)語

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的逐漸深入，我國對煤礦開采沉陷量的控制也逐漸重視。所以如何降低開采沉陷量仍然是當前的熱門研究方向之一。開采沉陷量過大的主要原因在于開采過程中應(yīng)力的重新分布，對于此類問題，當前已經(jīng)研發(fā)出劃定保護煤柱、離層注漿及充填開采等多種沉陷量控制方式。通過對相關(guān)措施的作用機理和優(yōu)缺點進行逐一分析，為煤礦開采過程中的沉陷量控制方式的選用提供了借鑒。