煤矿开采沉陷地质灾害及控制措施

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摘要：煤层开采破坏了原有岩层的平衡，使得煤层上覆岩层发生运动，导致地表发生沉陷。地表沉陷容易引发一系列的地质灾害，危及到人类正常的活动。为此，需要对煤矿开采沉陷进行防治。分析了煤矿开采沉陷地质灾害的机理和类型，重点讨论了一些煤矿开采沉陷控制措施，可以为煤矿开采沉陷地质灾害的防治提供一定的参考。

关键词：煤矿开采；地表沉陷；地质灾害；控制措施

中国的煤炭埋藏比较深，这使得很多煤矿都是井工开采。井工开采会破坏原有地层的稳定性，使得煤层上覆岩层发生移动。当岩层移动波及到地表时，地表会向采空区一侧凹陷，这就是通常所说的开采沉陷。在过去，煤矿开采区地表人烟稀少，开采沉陷引起的灾害未能引起人们足够的重视。现在，很多煤矿附近都有居民区或地表上有建筑物等。为此，不得不重视煤矿开采沉陷引起的煤矿地质灾害[1-2]。开采沉陷引起的地质灾害主要有地表水断流、水土流失严重及山体滑坡等，不利于人类正常的生产活动。本文围绕煤矿开采沉陷地质灾害的形成机理和类型展开分析，重点探讨了煤矿开采沉陷的控制措施。

1煤矿开采沉陷地质灾害形成机理和类型

为了更深刻地认识煤矿开采引起的地质灾害，需要了解开采沉陷地质灾害的形成机理和类型。下面将对这两方面进行详细介绍。

1.1煤矿开采沉陷地质灾害形成机理

在煤层开采后，岩层的原始平衡被打破，需要重新达到平衡。在达到新的平衡的过程中，岩层会发生移动。当岩层移动波及到地表时，地表会发生沉降。沉降的位移值与煤层开采条件有关，且与时间存在一定的关系。值得注意的是，这种地表沉降是不均匀的，在采空区的中心处沉降值比较大，而在边界处比较小，如图1所示。这种不均匀沉陷会导致岩体出现破坏，从而引发地质灾害。

1.2煤矿开采沉陷引起的地质灾害类型

煤矿开采沉陷地质灾害主要有地表水断流、地表出现裂缝、土地退化及山体滑坡等。地表出现裂缝和山体滑坡最为常见，这是由岩层的非均匀变形导致的。一般地，地表出现裂缝后，地表上的一些建筑物、公路及铁路等设施会不可避免地受到影响，轻则会导致这些设施出现局部破坏，例如墙体出现裂缝、公路出现塌陷等；重则会导致设施整体不可逆转性的破坏。随着矿区附近人类活动的日益频繁，这种地质灾害造成的影响也日益严重。很多情况下，地表上出现的裂缝多为贯穿型裂缝导致地表储水能力变弱。这是由于煤层开采造成岩层的隔水层断裂，无法继续保持隔水能力。若地表上没有充足的水源，很容易造成当地生态环境的破坏。现在很多矿区地表缺少水源，土地退化严重，农作物严重减产，对当地居民生活产生了非常不利的影响。

2煤矿开采沉陷控制措施

为了防治煤矿开采沉陷引起的地质灾害，需要大幅度抑制煤矿开采引起的地表沉陷。下面，将重点分析现有的地表沉陷控制措施，主要包括划分合理的保护煤柱、离层注浆及充填开采。

2.1划分合理的保护煤柱

在治理开采沉陷时，需要对一些人类活动密集区域采取保护措施。最为常用的就是划分合理的保护煤柱，即根据岩层运动的规律，在建筑物、公路及桥梁等设施附近划定禁采区域。这种方法不但经济有效，而且操作起来十分简单[2]。值得注意的是，在划定保护煤柱时一些参数需要根据以往的测量数据来确定。若划定的保护煤柱范围过小，则不能有效保护开采区域的建筑物等设施。若划定的保护煤柱范围过大，则煤炭损失量增加，不利于煤炭资源的高效开采。综上所述，这种方法的优点在于只控制局部区域的开采沉陷，有效地控制了保护成本。但从长远来看，只是减小了破坏范围，并没有从本质上控制破坏的产生。

2.2离层注浆

在岩层移动波及到地表的过程中，岩层之间会产生离层，即岩层之间会产生空隙，如图2所示。若能将这些离层填满，岩层移动就不会波及到地表[3]。为此，可采用离层注浆来控制地表开采沉陷。从地表向岩层的离层施工钻孔，并向钻孔中注入水泥浆液。水泥浆液凝固后就可以完全充满离层，从而阻隔岩层移动向上传递，如图3所示。离层注浆操作起来非常简单，而且在施工时不会干扰到煤矿的正常生产，具有广阔的应用前景。但这项措施也存在着一定的局限性，在施工时必须要找准离层的位置。同时，若在注浆时遇到了陷落柱及断层等地质构造，则注浆很难达到预期效果。

2.3充填开采

开采沉陷是煤层开采后形成的空间，它是通过完全垮落法管理的。为了从本质上抑制开采沉陷引发的地质灾害，应采用充填开采，即在煤层开采后采用其他材料填满采空区从而有效地减缓地表下沉[4]。充填开采技术是一项绿色采矿技术，是未来采矿技术的发展方向。利用充填采矿可以实现对煤层的保水开采。这对于生态环境的保护具有重要意义。通过对采空区充填，最大程度抑制岩层的运动，保持了隔水层的完整性。大量实践表明，在应用充填开采后，开采沉陷值降低了60%以上。目前，充填开采已在很多矿区得到了应用，并取得了不错的效果。充填开采的应用减少了保护煤柱的数量和工作面搬家的次数，极大地提高了煤矿经济效益。但充填开采还存在一些缺点有待完善，主要体现在以下两方面：a)充填材料的成本问题。河砂是理想的充填材料，但由于成本太高，已很少采用，现在普遍采用的是高水膨胀材料。b)充填工艺的问题。由于充填采空区会对正常回采速度产生影响，如何高效处理充填和回采的关系十分重要。

3结语

中国对环保重视程度的提高，在一定程度上提升了对煤矿开采沉陷控制的要求。因此，在未来寻找合适的减沉技术依然是开采沉陷控制的热点问题。开采沉陷造成地质灾害的根源在于煤层开采后的地表不均匀沉降。针对这种情况，目前已采用了划定保护煤柱、离层注浆及充填开采等措施来进行沉陷控制。通过分析这几种沉陷控制措施的优缺点，为选择合理的煤矿开采沉陷控制措施提供一定的参考。

参考文献：

［1］马亚民.煤矿开采沉陷地质灾害分析及控制措施研究［J］.中国石油和化工标准与质量，2020，40(12)：143-144.

［2］郭文兵，马志宝，白二虎.我国煤矿“三下一上”采煤技术现状与展望［J］.煤炭科学技术，2020，48(9)：16-26.

［3］吕毅.采动覆岩离层区注浆控制地面沉陷技术研究及应用［J］.煤，2020，29(8)：28-31.

［4］暴毅伟.充填采矿技术在煤炭开采中的应用［J］.能源与节能，2020(5)：169-170.

作者：韩雷 单位：霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司防治水工程技术分公司