煤矿采空塌陷易发性分析及其防范--以广德县长广煤矿为例.pdf

2020年第9期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-11-24修回日期 2019-11-26 作者简介 王志强 （1988-） ， 男 （汉族） ， 安徽灵璧人， 工程师， 现从事矿山地质环境、 地质灾害研究工作。 煤矿采空塌陷易发性分析及其防范 以广德县长广煤矿为例 王志强* （安徽省地质环境监测总站，安徽 合肥 230001） 摘要 长广煤矿由于多年的开采， 对煤矿区的地质环境造成了不可逆的环境影响， 遗留下大量的煤 矿井筒、 巷道、 采空区、 煤矸石堆场以及废弃的工业广场、 破败的矿职工居住生活区， 矿区内存在地质 灾害安全隐患。着重对该矿区采空塌陷地质灾害进行调查发现潜在的地质灾害风险， 为广德县长广 煤矿区环境恢复治理、 土地复垦等工作提供依据。 关键词 采空区； 塌陷； 煤矿 中图分类号 TU42 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202009-0004-03 1长广煤矿区现状调查 本次现状调查主要针对长广煤矿区开采的各采区 各个环节以及产生的地质环境问题要素进行针对性调 查， 尤其是矿山地质灾害、 矿井现状、 废弃煤 （矸） 堆场 现状、 工业广场现状等。 1.1废煤 （渣） 堆放情况 根据调查情况， 现状还存在8个废弃煤堆场， 现场 零星残留少量废弃建筑垃圾和煤灰、 煤矸石和煤渣， 处 于半复垦状态。五矿还存在一废弃煤堆场， 面积1.49 公顷， 堆存量约2.5104m3。 1.2采空塌陷区分布情况 由于该煤矿开采年代跨度较大， 本次现场调查时 只能发现少量的塌陷迹象和塌陷积水区， 主要分布于 煤田的北侧与东侧一带， 煤层埋深大多在300m以内。 根据走访调查， 塌陷从直观的很难辨别出来， 只能根据 村民的口头叙说， 在煤层浅埋区北边缘的路东村、 东部 边缘的牛头山村， 塌陷数量多， 呈面状分布， 塌陷深度 约0.011.2m左右， 主要分布在六矿、 五矿、 一矿和查 扉矿附近， 主要发生于20世纪8090年代。塌陷坑多 呈串珠状， 零星分布， 塌陷现象不明显， 与两淮煤田的 采空塌陷现状表现相差很大。通过调查当地圈出的影 响面积约17.82km2。 2长广煤矿采空塌陷分析 2.1采空区地表移动影响范围推算 （1） 长广煤矿采空区类型。长广煤矿井田煤系为 二叠纪龙潭煤系， 含煤层三层， 可采层一层， 开采方法 主要为长壁大冒顶采煤法， 顶板管理方法为全冒落法。 （2） 长广煤矿采空区地表移动影响范围。长广煤 田整体为一向斜构造盆地， 煤系地层形成于二叠纪， 所 赋存的二叠系煤层根据埋深和倾角主要分为两类， 一 类为分布在煤田西部的浅埋缓斜煤层， 埋深小于 300m， 煤层倾角小于35； 另一类为分布在煤田东南部 的深埋急倾煤层， 平均埋深大于300m， 煤层倾角55左 右。矿区内均只采一层煤， 采空区上覆岩层为灰岩、 砂 岩和泥岩， 属较坚硬岩层， 第四系松散层分布较薄， 因 无开采资料， 视为矿界内最大化开采， 长广煤矿形成的 采空区面积为39.07km2。由于地下煤层开采后， 上部 岩体出现垮落、 弯曲变形， 进而导致地表出现大面积移 动变形， 其影响范围要远大于采空区范围， 其影响范围 可以根据上覆岩土层移动角进行推算。本次以矿区最 外边界为界推算地表移动影响范围。 2.2采空塌陷稳定性现状 长广煤矿采空区主要形成于20世纪7080年代， 在采空区形成一定规模后， 随着时间的推移， 已出现采 空塌陷、 地面沉陷和地裂缝等地质灾害。现状条件下， 工作区采空塌陷已发生。由于采空塌陷发生时期距今 较为久远， 并且矿区及时对采空塌陷地段进行了回填， 目前， 除个别塌陷坑外， 矿区整体较平整， 看不出明显 4 2020年第9期西部探矿工程 的塌陷痕迹。因此， 本次评估采用概率积分法对各矿 区已发生的地表沉降进行了估算。 3长广煤矿采空塌陷易发性分析及防范区划 3.1矿易发性评价 3.1.1评价指标 本次对矿区内原塌陷区进行分析。原矿区现已停 产近十年时间， 其处于无地下采动状态， 通过分析其沉 陷变形特征， 认为矿区内塌陷区已处于稳定趋于停止 变形状态。但通过对其地面观测， 地面保留了所有采 空塌陷地表变形的共同特征， 其主要表现形式为地表 存在积水坑、 农田中出现塌陷、 道路和路基的不均匀沉 陷等。本次对塌陷区的稳定性评价结合前人经验及本 地区实际情况， 主要从以下几个方面进行分析和论证 （1） 采空塌陷直接控制意义在于采空区的确定与 划分， 通过对矿区资料的分析， 认为本地区的采空区形 成与其采矿方法有着密切相关的关系， 本矿区采矿方 法为走向长壁大冒顶法和走向长壁炮采采煤法； 根据 采煤规范中关于采煤深厚比的叙述， 本区采煤区分为 浅层、 中深层与深层。据相关统计数据认为， 当采煤深 厚比大于100时， 一般情况下不会引起地表塌陷变形， 地表的沉降量微弱。按照采空区按照形成时间一直到 停采时间， 矿区采空区均处于稳沉状态。 （2） 地表变形特征。塌陷区的稳定性主要依据以 下特征反映 采空区以上地表的方向性移动特征、 地表 移动稳定性状态和地表变形尺度大小。除了直接沉陷 变形外， 松散沉陷体在自重及附加荷载的条件下也可 能会进一步有密实、 固结变形现象。 （3） 地质因素。上覆岩层强度和厚度对地表变形 以及破坏程度同样起着重要的影响。矿区煤矿富存于 二叠系的龙潭组地层中， 上部地层岩性为致密状灰岩 和砂岩， 强度较高。煤层埋藏较浅处因其上覆地层厚 度相对薄而伴随有较大的地表变形， 煤层埋藏较深处 则由于上覆地层的强度、 厚度支护作用不会有明显的 变化。 3.1.2评价因子的选取 建立评价模型的关键之处是评价因子的选取及其 选取的准确性。矿区内受采矿作业、 地质作业及地面 载荷三方面的因素综合作用， 综合影响着采空塌陷地 质灾害的发生及等级， 通过对采空塌陷区地质灾害各 个影响因素的分析， 本地区建立评价模型选取第四系 厚度、 顶板岩性、 停采时间、 断裂、 煤层倾角、 采煤深度、 深厚比、 采煤层数、 道路等评价因子建立评价体系。 3.2评价模型 在采空塌陷易发性评价中， 主观判断法和客观分 析法为现今行业内运用较多的作为确定评价指标权重 的两种方法。主观判断法又根据实际应用情况分为专 家评分法、 模糊数学法、 层次分析法三种方法； 客观分 析法有 熵值法、 信息量法、 证据权法三种方法。主观 判断法在评价模型中的主要作用是对评价因子的量化 以及对权重进行赋值， 该方法在使用中简单方便。客 观分析法主要是对评价因子的客观信息进行统计， 利 用规律评价因子的权重， 该方法客观， 但忽略了专业知 识和经验的重要性， 评价结果有可能会存在一定的偏 差。因此， 综合考虑客观事实信息和专业知识经验的 叠加考虑在赋权法中的应用越来越多的。 （1） 因素信息量值计算方法。信息量法是根据信 息论进而演变出来的一门学科。在易发性评价中， 信 息量的含义表示某种因素对易发度的贡献值， 信息量 值越大表示这种因素影响下地质灾害发生的可能性越 大。 （2） 次分析信息量法组合赋值评价模型如图1所 示。 图1次分析信息量法组合赋值评价模型流程图 3.3塌陷易发性分析与防范区划 利用MAPGIS栅格计算功能， 根据计算结果可知， 综合信息量值在-0.1867350.368234。从评价结果来 看， 工作区没有采空塌陷中、 高易发防范区， 其中， 低易 发 防 范 区 面 积 49.36km2，不 易 发 防 范 区 面 积 132.24km2， 占工作区的72.86。其中， 低易发重点防 范区面积17.68km2， 占工作区9.7， ； 低易发一般防范 区面积31.68km2， 占工作区17.44 （见图2） 。 5 2020年第9期西部探矿工程 4煤矿采空塌陷易损性评价和风险评价 利用MAPGIS软件把工作区进行栅格化， 每个栅 格大小为 5m5m， 工作区共7260000个单元格。对不 同承灾体重分类后进行赋值后计算单元格总价值， 计 算工作区各单元格内承灾体总价值再划分易损性评价 等级。 通过1.2m精度的遥感影像， 确定了工作区内承灾 体的类型和分布情况， 根据计算结果确定了图3中深色 区域为高易损区， 面积约9.82km2， 占工作区总面积的 5.41； 普通公路为中易损区， 面积约0.31km2， 占工作 区 的 0.17 ； 农 田 和 林 地 为 低 易 损 区 ， 面 积 约 171.47km2， 占工作区的94.42。其易损性分区见图3。 5采空塌陷地质灾害防治措施与建议 根据前述中对采空塌陷的风险评价结果， 该采空 塌陷风险主要为低风险水平， 可适当采取保护与防范 措施， 如建筑物加固与修复、 土地复垦等。 5.1技术措施 （1） 采空塌陷坑回填 通过场地平整、 回填压实等 措施， 对长广煤矿区内遗留的废弃矿坑、 塌陷坑进行治 理， 消除安全隐患。废弃矿坑回填设计需考虑地下水 对施工条件的影响。 （2） 矿井封堵工程 矿区内仍有部分废弃矿井未进 行封堵， 存在较大的安全隐患， 需对井口进行封堵。建 议从井口以下20m起， 设置两道2m厚的混凝土拦截 墙。两道墙之间用煤矸石回填。在封闭井口1.5m外 设置铁栅栏及警示标志， 防止车俩或其他重型机械碾 压。 （3） 监测工程 布设科学合理的监测网， 选择具有 代表性的监测剖面及监测点， 采用科学可行的监测方 法， 对监测区地面变形进行监测。针对矿区内危险性 较大的区域， 尤其是附近有居民点的、 对人民生命财产 有威胁的塌陷坑进行稳定性监测。 5.2管理措施 一般情况下造成重大经济损失甚至造成人员伤亡 的地面塌陷类型主要为突发性地面塌陷， 采空塌陷恶 化带来的边坡失稳会不同程度地引发其周边房屋的倒 塌， 进而影响到了人们生产生活。因此在编制采空塌 陷防灾预案时， 因第一时间进行灾害处理并且编制人 员救援方针。 同时因加强对采空区周边群众的风险教育， 形成 群众性的防灾减灾观念。指导群众识别与认识采空塌 陷灾害特征， 提高群众的危机意识， 使其能正视与认真 对待采空塌陷。 参考文献 [1]李强.采矿塌陷区的综合治理[J].环境保护， 1991 （5） 22-24. [2]刘昊.浅论采煤塌陷区的综合治理[J].自然科学， 2004 （3） 11-12. 6