趙建軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(diǎn)，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(qiáng)，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(dòng)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)對(duì)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(shí)間，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(duì)人們的生產(chǎn)及生活造成實(shí)質(zhì)性影響?，F(xiàn)如今，隨著經(jīng)濟(jì)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(dāng)引起足夠的重視。由于開采沉陷導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害通常包括河流阻斷、水土流失以及山體滑坡等，對(duì)人們的生產(chǎn)及生活安全有著顯著影響。本文對(duì)煤礦開采沉陷導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分類討論和分析，并在此基礎(chǔ)上提出針對(duì)性的開采沉陷防控措施。

1 煤礦開采沉陷地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理和類型

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

1.1 煤礦開采沉陷地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理

隨著煤層的不斷開采，煤層應(yīng)力重新分布，當(dāng)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(huì)發(fā)生一定的移動(dòng)，而巖層移動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)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(jì)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(dǎo)致巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害類型

煤礦開采沉陷造成的地質(zhì)災(zāi)害主要包括地表裂縫、水土流失、地表水?dāng)嗔饕约吧襟w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(huì)對(duì)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(dǎo)致建筑物承載能力下降、地表裂縫導(dǎo)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(huì)對(duì)地表水的存儲(chǔ)產(chǎn)生較大影響，使得地表難以存儲(chǔ)足夠的水源來維持動(dòng)植物的需要，給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。當(dāng)前地表裂縫對(duì)于生態(tài)環(huán)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在水土流失嚴(yán)重及地表水不足導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低，給人們的日常生活造成了嚴(yán)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(zāi)害頻繁出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)對(duì)開采沉陷量進(jìn)行控制。當(dāng)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(hù)煤柱、離層注漿和充填開采等，主要對(duì)此進(jìn)行比較分析。

2.1 劃分合理的保護(hù)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(dāng)根據(jù)人口的密集程度進(jìn)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(hù)煤柱，也就是根據(jù)人口和建筑的分布對(duì)開采區(qū)域進(jìn)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(jì)成本較低且控制效果較好。應(yīng)當(dāng)注意的是，保護(hù)煤柱劃分時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，避免劃分范圍不合理，劃分范圍過小會(huì)導(dǎo)致開采沉陷難以控制，劃分范圍過大則會(huì)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(dǎo)致巖層發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過程中巖層間會(huì)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(dòng)則將很難對(duì)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(jìn)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(huì)將離層充滿，從而導(dǎo)致巖層的移動(dòng)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(duì)離層位置判斷的準(zhǔn)確性，且由于煤礦內(nèi)部存在陷落柱等地質(zhì)情況，易導(dǎo)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(dǎo)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(zāi)害的出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，即在開采結(jié)束后，使用適當(dāng)?shù)牟牧蠈?duì)采空區(qū)進(jìn)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(duì)環(huán)境造成的污染，這也是充填開采未來的發(fā)展趨勢(shì)，通過充填開采方式來避免煤礦開采造成地表水的嚴(yán)重流失，這對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)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(dòng)帶來的影響，確保地表水的存儲(chǔ)，根據(jù)實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填能夠?qū)㈤_采沉陷量降低60%左右。

當(dāng)前，充填開采已經(jīng)逐漸在煤礦普及，實(shí)際使用效果較好。充填開采的使用能夠適當(dāng)減少保護(hù)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(jì)成本。但是當(dāng)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(huì)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(dāng)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(huì)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(huì)破壞地表環(huán)境，因此可以將矸石作為材料進(jìn)行充填，在可避免環(huán)境遭到破壞的同時(shí)，還能起到充填開采的效果。此外，電廠工作過程中會(huì)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(duì)沉陷區(qū)的治理需要根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行，可通過平地、梯田修建來對(duì)沉陷區(qū)進(jìn)行整治，以實(shí)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(shí)際情況進(jìn)行選取，同時(shí)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(duì)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(dāng)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(duì)于此類問題，當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)出劃定保護(hù)煤柱、離層注漿及充填開采等多種沉陷量控制方式。通過對(duì)相關(guān)措施的作用機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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。