李卓

[摘要]煤礦地表塌陷形態(tài)多樣、破壞程度可大可小，與開采深度、開采活動(dòng)、礦體傾角、工作面開采區(qū)域、工作面數(shù)等因素有關(guān)。我國(guó)常用的煤礦地面沉陷預(yù)測(cè)方法包括經(jīng)驗(yàn)法、負(fù)指數(shù)法、概率積分法等。概率積分法理論、方法基本成熟，國(guó)內(nèi)正積極構(gòu)建基于GIS技術(shù)構(gòu)建的沉陷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，已取得一定進(jìn)展，但進(jìn)行推廣應(yīng)用尚有一段時(shí)日。

[關(guān)鍵詞]煤礦 地表塌陷 規(guī)律 預(yù)測(cè)

[中圖分類號(hào)]TD82 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-9-138-1

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源利用大國(guó)，煤炭開采量居世界第一位，煤炭產(chǎn)生能源約占我國(guó)總能源消耗75%～80%，煤炭還是煤炭化工重要原料，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)[1]。但與此同時(shí)，煤炭開采與利用也帶來(lái)一系列社會(huì)、環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)煤炭多埋藏于地下，煤礦開采主要依賴于地下開采，約占90%。地下開采可能致地表土地大面積塌陷、損毀，破壞耕地、林地以及地面建筑，存在安全隱患。近年來(lái)，煤礦地表塌陷事故屢見不鮮，累計(jì)塌陷面積已達(dá)100km2，塌陷所造成的損失大、影響深遠(yuǎn)、恢復(fù)困難，引發(fā)的社會(huì)的廣泛討論。深入研究煤礦地表塌陷，并進(jìn)行預(yù)測(cè)，是降低煤礦塌陷危害的可行方法，本次研究就此進(jìn)行探討。

1煤礦地表塌陷規(guī)律

1.1煤礦地表塌陷主要表現(xiàn)

煤礦引起的地表塌陷具體表現(xiàn)不盡相同，按照形態(tài)、破壞程度大體可分為兩類：（1）淺部開采，急傾煤層或厚煤層形成的漏斗狀陷坑、臺(tái)階狀斷裂，此類塌陷往往發(fā)生較突然，破壞性較大，但多僅限于局部，范圍??；（2）深部開采，急傾煤層和開采深度大、傾角較小的煤層發(fā)生大范圍平緩下沉，發(fā)生較緩，但也可造成較大的損失，損毀地面構(gòu)筑物。按照塌陷體積與深度占開采面比重高低可分為充分開采塌陷與非充分開采塌陷，前者占比在70%以上，只有當(dāng)采煤區(qū)長(zhǎng)、寬尺寸達(dá)到過(guò)超過(guò)開采深度1.4倍才可能發(fā)生，后者占比在70%以下，可發(fā)生于任何類型開采區(qū)[2]。通常來(lái)說(shuō)，除開采區(qū)外，地下還留存各種未開采或無(wú)開采價(jià)值的煤柱，這些煤柱對(duì)地面具有一定的支撐作用，使地面塌陷空間并不完全與礦道相同，形成凹凸不平的復(fù)雜形狀。

1.2煤礦地表塌陷基本規(guī)律

1.2.1地下開采范圍大小

地下開采范圍大小對(duì)地表下沉起到了較為明顯的控制作用：（1）采動(dòng)程度與下沉系數(shù)呈正相關(guān)，采深增加則地表移動(dòng)達(dá)到充分采動(dòng)所需的開采范圍增加，開采區(qū)域面積與地表塌陷的范圍、最大下沉值呈正相關(guān)；（2）地表塌陷率、地表水平移動(dòng)隨著采動(dòng)程度增大而增大，且逐漸趨于穩(wěn)定。

1.2.2地表影響范圍與開采深度有關(guān)

一般來(lái)說(shuō)淺部開采地表受影響范圍相對(duì)較小，下沉移動(dòng)邊界收斂較大，隨著深度的增加，地表不連續(xù)移動(dòng)、變形減少，開采深度可控制地表破壞程度。

1.2.3下沉速度隨著開采深度增加而趨緩

淺部開采可能存在突然塌陷，而深部開采地面下沉速度較緩，不存在急劇下沉情況，啟動(dòng)下沉至最大下沉速度所需時(shí)間也較長(zhǎng)。開采深度影響下沉活躍度，開采較深的礦面，下沉速度加速時(shí)間短、活躍期時(shí)間短甚至無(wú)活躍期。

1.2.4與煤層傾斜度有關(guān)

地表塌陷值隨著煤層傾角度增大而減少，地表最大下沉點(diǎn)隨著開采深度的增加，可能發(fā)生位移，并不與采空區(qū)重合，可能偏向上山方向，地表下沉面積發(fā)生較大改變。開采下山方向上的影響范圍一般大于上山方向。煤層傾角增大，下山方向上的水平移動(dòng)減少，上山方向反之。煤層傾角還影響移動(dòng)邊界角值。

1.2.5多個(gè)煤層重復(fù)開采

地表塌陷還與重復(fù)開采有關(guān)，最大下沉值較單一煤層增長(zhǎng)更多，地表移動(dòng)范圍更大。

2煤礦地表塌陷預(yù)測(cè)

2.1常用方法

我國(guó)常用的煤礦地面沉陷預(yù)測(cè)方法包括：①經(jīng)驗(yàn)法，以塌陷實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，提出地表水平變形、傾斜變形等不同變形經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但因需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)具有滯后性；②負(fù)指數(shù)法，即將采空區(qū)上巖體為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)量其拉伸、扭曲、水平變形情況，計(jì)算礦區(qū)變形情況，進(jìn)而預(yù)測(cè)塌陷；③概率積分法，以點(diǎn)的移動(dòng)變形為規(guī)律，建立函數(shù)，預(yù)測(cè)礦區(qū)開采對(duì)土地影響。本文以第三種方法作為主要探討內(nèi)容。

2.2概率積分法預(yù)測(cè)煤礦地表塌陷

2.2.1概率積分法基本原理

概率積分法預(yù)測(cè)煤礦地表塌陷理論與方法已基本成熟，其余基于隨機(jī)介質(zhì)理論發(fā)展而來(lái)，任意形狀工作面地表變型移動(dòng)參數(shù)計(jì)算公式為：

W（x，y）=

其中W0為最大下沉值，b為水平移動(dòng)系數(shù)，r為最大影響半徑，H為開采深度，q為下沉系數(shù)，m為開采活動(dòng)，α為礦體傾角，D為工作面開采區(qū)域，n為工作面數(shù)。

2.2.2主要參數(shù)計(jì)算方法

下沉系數(shù)q：對(duì)于水平或傾斜礦體，下沉系數(shù)q表示為地表最大下沉值與礦體法線采厚m在豎直方向投影長(zhǎng)度的比值。主要影響半徑r與影響角正切tgβ：r主要為傾斜值與下沉量值比值，影響角正切tgβ反映地表移動(dòng)變形范圍特征，通常為開采深度H與主要影響半徑r之間的比值。拐點(diǎn)偏移距S：最大下沉值1/2處通常被稱為拐點(diǎn)，一般位于采空區(qū)側(cè)翼區(qū)，采空偏界與拐點(diǎn)之間的距離被稱為S，其余巖體力學(xué)參數(shù)、礦體地質(zhì)賦存條件、采礦技術(shù)等因素有關(guān)；水平移動(dòng)參數(shù)b，為水平移動(dòng)最大值與下沉最大值得比值。

2.3開采沉陷管理信息系統(tǒng)

我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)達(dá)，國(guó)內(nèi)已有基于GIS技術(shù)、隨機(jī)介質(zhì)理論構(gòu)建的沉陷數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。蔡少華、王金莊、姜仕義、劉增良等對(duì)該系統(tǒng)的研發(fā)均做出了巨大貢獻(xiàn)，初步搭建完成系統(tǒng)總體框架、功能模塊、語(yǔ)言開發(fā)[2]。需注意的是，因煤礦開采條件復(fù)雜，運(yùn)用的開采技術(shù)也不盡相同，地面塌陷影響因素較多，現(xiàn)有的信息系統(tǒng)仍不夠全面，目前尚無(wú)一個(gè)可全面高效實(shí)現(xiàn)開采塌陷管理軟件，研究成果仍未能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，數(shù)據(jù)的觀測(cè)、收集仍需耗費(fèi)大量的人力，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化礦區(qū)管理需要。

參考文獻(xiàn)

[1]趙海軍，馬鳳山，丁德民，等.急傾斜礦體開采巖體移動(dòng)規(guī)律與變形機(jī)理[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，40（5）：1423-1429.

[2]孟中華.MAPGIS 在金屬礦山地表巖層移動(dòng)監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31（2）：18-21.