張兆宏，楊昌武，楊?yuàn)^飛，王英偉

(神東煤炭集團(tuán)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

煤礦開采后，地下存在大面積采空區(qū)。礦山地質(zhì)災(zāi)害是眾多領(lǐng)域研究學(xué)者關(guān)注的重要問(wèn)題，我國(guó)的礦山區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁。相比于其他礦產(chǎn)資源[1]，煤礦中煤層的地質(zhì)條件更容易形成采空塌陷情況。采空塌陷指礦層開采后，破壞了煤層原有的自然應(yīng)力平衡狀態(tài)，受環(huán)境因素等各種因素影響[2]，重新分配應(yīng)力，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。應(yīng)力重新分布的過(guò)程中，礦區(qū)地表和巖層形成連續(xù)變形、連續(xù)移動(dòng)以及不可避免的破壞行為，容易造成煤礦采空塌陷情況。我國(guó)煤礦礦區(qū)面積較廣[3]，長(zhǎng)江中下游、華北平原等地區(qū)是煤礦礦區(qū)的主要開發(fā)地區(qū)。我國(guó)每年都有由于采煤造成的煤礦采空區(qū)塌陷情況，煤礦采空區(qū)塌陷將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。煤礦采空區(qū)具有極高的塌陷危險(xiǎn)性[4]，對(duì)生態(tài)環(huán)境同樣存在影響。煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是礦井安全領(lǐng)域研究的重要話題，煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)可以維持環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5]。煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)對(duì)于國(guó)家地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要的治理意義[6]，可以保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，保障人類與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

目前眾多研究學(xué)者針對(duì)煤礦采空區(qū)的塌陷問(wèn)題進(jìn)行研究，有學(xué)者提出將偏序集應(yīng)用于煤礦采空區(qū)塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，有效評(píng)價(jià)煤礦采空區(qū)塌陷危險(xiǎn)[7]；還有學(xué)者提出通過(guò)數(shù)值模擬方法模擬地下復(fù)雜采空區(qū)地表塌陷過(guò)程，明確了造成地表塌陷的運(yùn)動(dòng)機(jī)理[8]?；谝陨蠈W(xué)者的研究基礎(chǔ)，構(gòu)建煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型，通過(guò)所構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型降低煤礦采空塌陷造成的危害，維持煤礦經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，提升煤礦生產(chǎn)安全性。

1 研究區(qū)域概況

選取某省煤礦礦區(qū)作為研究區(qū)域，研究區(qū)域總?cè)丝跒?54 864人，研究區(qū)域中包含的煤炭資源極為豐富，年產(chǎn)原煤為400萬(wàn)t左右。研究區(qū)域以山地為主要地形，含煤地層主要為早侏羅世煤系。劃定煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性范圍為井田西部外擴(kuò)展300 m，待預(yù)測(cè)的煤礦采空塌陷區(qū)域共53.6 km2。研究區(qū)域煤礦開采沉陷特征見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)域煤礦開采沉陷特征Tab.1 Coal mining subsidence characteristics in the study area

由表1可知，該煤礦采用長(zhǎng)臂綜采開采方法，全部垮落法控制頂板。煤礦開采后，容易出現(xiàn)采空塌陷情況，造成嚴(yán)重危險(xiǎn)。選取該煤礦作為煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的研究區(qū)域，具有極高的典型性。

2 煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型

2.1 煤礦開采沉陷傳遞原理

煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)，礦區(qū)的上覆巖層可以劃分為多層，將接近采空區(qū)頂板的上覆巖層設(shè)置為首層。首層巖層受到煤礦開采影響時(shí)，移走第2層至地表的巖層[9]，在首層巖層中加載相同大小的荷載，此時(shí)可以模擬首層巖層受煤礦采空形成的移動(dòng)變形情況，首層巖層的性質(zhì)參數(shù)決定首層巖層上表面形成的下沉空間形狀。還原下一層巖層，將相同大小的荷載施加于下一層巖層中，由于首層巖層受煤礦采空影響存在下沉[10]，因此下一層巖層同樣存在下沉空間。

將煤礦采空區(qū)域的上覆地層劃分為上部巖層以及下部巖層，由于煤礦開采對(duì)研究區(qū)域造成的影響可通過(guò)煤礦采空區(qū)域上覆地層的下部巖層上表面移動(dòng)變形情況體現(xiàn)[11]，下部巖層的不均勻下沉決定了上部巖層的移動(dòng)變形情況。研究區(qū)域受煤礦開采造成的塌陷通過(guò)地表移動(dòng)變形體現(xiàn)，地表移動(dòng)變形由上部巖層上表面的移動(dòng)變形影響。

2.2 煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性影響因素

煤礦采空區(qū)塌陷受到眾多因素影響，煤礦采空塌陷主要受到采礦條件和地質(zhì)條件影響，呈現(xiàn)典型的時(shí)空特征以及強(qiáng)度特征。水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、煤礦區(qū)域的覆巖力學(xué)性質(zhì)等條件均屬于礦井采空塌陷的地質(zhì)條件[12]；采區(qū)特征、煤層特征、開采技術(shù)條件等均屬于煤礦采空塌陷的采礦條件。眾多因素中的其中一種即可能造成煤礦采空區(qū)塌陷。煤礦采空區(qū)塌陷可能由于單因素作用，同時(shí)可能由于多因素作用[13]。預(yù)測(cè)煤礦采空塌陷危險(xiǎn)性時(shí)，應(yīng)合理選取對(duì)煤礦采空塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)存在影響的因素。

煤礦采空塌陷屬于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，煤礦采空塌陷主要包括起始階段、活躍階段以及衰退階段，起始階段和活躍階段是造成煤礦采空塌陷危險(xiǎn)性的重要階段。伴隨采空塌陷區(qū)域范圍的擴(kuò)大[14]，煤礦采空塌陷盆地伴隨塌陷區(qū)域范圍的增大而逐漸擴(kuò)大。煤礦采空塌陷盆地水平擴(kuò)展過(guò)程中，采空塌陷危險(xiǎn)性主要體現(xiàn)至盆地?cái)U(kuò)展將造成彎曲變形以及地表傾斜情況，容易造成煤礦采空塌陷區(qū)域存在不均勻沉降或傾斜情況[15]。隨著時(shí)間不斷變化，造成嚴(yán)重后果。在此基礎(chǔ)上，利用最大沉陷量隨時(shí)間變化的曲線，求出了最大沉降點(diǎn)的沉降速率曲線，結(jié)果如圖1所示。

圖1 最大沉陷量隨時(shí)間變化的曲線示意Fig.1 Curve diagram of maximum settlement varying with time

根據(jù)圖1可知，煤礦采空塌陷區(qū)地面運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)刻是從初始期開始逐漸上升，在4月中旬達(dá)到峰值。通常來(lái)說(shuō)，煤層厚度比是反映巖體和地面運(yùn)動(dòng)變形的一個(gè)重要參數(shù)。一般情況下，深度比與位移成正相關(guān)，深度比愈低，位移愈大，地面變形愈顯著；在淺煤層中，隨著開采厚度的增大，深層比減小，地面運(yùn)動(dòng)持續(xù)的時(shí)間縮短，使地面運(yùn)動(dòng)更加劇烈，發(fā)生明顯的變形，出現(xiàn)大裂縫、塌陷等。在此基礎(chǔ)上，選取以下參數(shù)作為構(gòu)建煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型中，影響煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果的參數(shù)。

(1)下沉系數(shù)。煤礦采空塌陷區(qū)的采動(dòng)條件充分時(shí)，影響煤礦采空塌陷的下沉系數(shù)表達(dá)式：

h=w/mcosβ

(1)

式中，m為開采高度；β為煤層傾角；mcosβ為平均開采厚度；w為地表的最大下沉值。

(2)水平移動(dòng)系數(shù)。水平移動(dòng)系數(shù)是影響煤礦采空塌陷危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)，煤礦采空塌陷區(qū)完成采動(dòng)后，形成移動(dòng)盆地。煤礦的采空塌陷區(qū)水平移動(dòng)系數(shù)表達(dá)式：

b=umax/βrmax

(2)

式中，umax為地表水平移動(dòng)最大值；rmax為地表下沉最大值。

2.3 煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型

選取T-S模糊方法建立煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型，通過(guò)模糊子集隸屬函數(shù)的修正實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型的更新。煤礦采空塌陷區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

(3)

圖2 煤礦采空塌陷區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Site map of goaf collapse area of coal mine

T-S模糊方法的輸入部分與輸出部分分別為模糊以及確定[16]，通過(guò)模糊推理將輸入的線性組合輸出。

用x=[x1，x2，…，xk]為煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的下沉系數(shù)與水平移動(dòng)系數(shù)輸入量，依據(jù)T-S模糊方法的模糊規(guī)則獲取煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)輸入變量xi的隸屬度表達(dá)式：

(4)

模糊計(jì)算各個(gè)隸屬度，選取模糊算子作為模糊計(jì)算中的連乘算子，獲取煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型的輸出結(jié)果表達(dá)式：

(5)

式中，mi為隸屬度模糊計(jì)算結(jié)果。通過(guò)式(5)獲取煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果。

3 煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型的效果及可行性，設(shè)計(jì)煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)。由于煤礦開采是一項(xiàng)涉及到許多信息的復(fù)雜系統(tǒng)工程，其數(shù)據(jù)來(lái)源包括日常生產(chǎn)和銷售的煤炭數(shù)量、設(shè)備和耗材安全調(diào)度數(shù)據(jù)、煤炭運(yùn)輸數(shù)據(jù)等，長(zhǎng)期開采導(dǎo)致煤礦存在一定危險(xiǎn)性。煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Relevant parameters of the risk prediction of the subsidence area in the coal mine goaf

選取15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為預(yù)測(cè)對(duì)象，采用所構(gòu)建模型預(yù)測(cè)15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煤礦采空區(qū)的塌陷結(jié)果如圖3所示。

圖3 15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)塌陷預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.3 Collapse prediction results of No.15 monitoring point

由圖3預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，采用所構(gòu)建的煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型，可以有效預(yù)測(cè)煤礦采空區(qū)塌陷情況，依據(jù)塌陷預(yù)測(cè)結(jié)果明確煤礦采空區(qū)由于塌陷造成的危險(xiǎn)。所構(gòu)建模型預(yù)測(cè)煤礦采空區(qū)塌陷結(jié)果與研究區(qū)域采空區(qū)的實(shí)際塌陷結(jié)果相符，驗(yàn)證所構(gòu)建模型具有極高的預(yù)測(cè)煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)有效性。

將研究區(qū)域采空塌陷區(qū)的邊長(zhǎng)劃分為16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響半徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。依據(jù)表3的監(jiān)測(cè)點(diǎn)影響半徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果，煤礦礦區(qū)管理人員能夠明確塌陷的具體范圍，便于管理人員依據(jù)塌陷范圍制定危險(xiǎn)性預(yù)防措施。

隨機(jī)選取5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為預(yù)測(cè)對(duì)象，采用所構(gòu)建預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)研究區(qū)域5號(hào)、10號(hào)、15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同日期的塌陷情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，所構(gòu)建模型可以預(yù)測(cè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的塌陷情況，依據(jù)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的塌陷預(yù)測(cè)結(jié)果確定煤礦采空塌陷區(qū)的危險(xiǎn)性。所構(gòu)建模型輸出煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果為中等，管理人員應(yīng)及時(shí)采取治理措施，避免危險(xiǎn)進(jìn)一步蔓延。該模型在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的效果。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)影響半徑Tab.3 Radius of influence of monitoring points

表4 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)塌陷預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.4 Collapse prediction results of different monitoring points

4 煤礦采空區(qū)塌陷防治措施

煤礦采空區(qū)塌陷問(wèn)題是煤礦需要面對(duì)的重要問(wèn)題。及時(shí)治理煤礦的采空區(qū)塌陷情況，可以避免積水、漏風(fēng)和自燃等危險(xiǎn)情況發(fā)生，避免煤礦礦區(qū)山體滑坡和土地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，保護(hù)煤礦礦區(qū)環(huán)境，改善煤礦礦區(qū)的水土流失情況，避免煤礦采空區(qū)域受到工業(yè)三廢污染影響，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的良好保護(hù)。研究區(qū)域煤礦以丘陵地貌為主，煤層埋藏位置較深，煤層開采后，造成的采空塌陷主要為在不同方向存在明顯裂縫，伴隨裂縫不斷蔓延，將對(duì)周圍造成嚴(yán)重危害。針對(duì)煤礦采空區(qū)塌陷造成的危險(xiǎn)，提出防治措施如下。

(1)采用合理的采煤方式。煤礦周圍存在待保護(hù)對(duì)象時(shí)，應(yīng)在礦井開采前在井筒下部預(yù)留煤柱，通過(guò)預(yù)留煤柱保障所保護(hù)對(duì)象不受開采影響。預(yù)留煤柱方法是應(yīng)用于煤礦開采中的保護(hù)周邊建筑不受開采影響的可靠方法[17]。地面下盆地邊緣位于開采邊界上方，極容易受到煤礦采空塌陷影響?；夭晒ぷ髅嬖O(shè)置于建筑物下時(shí)，工作面長(zhǎng)度應(yīng)足夠大，保障充分采動(dòng)地表。煤礦開采時(shí)的回采速度應(yīng)足夠快，開采過(guò)程中不可出現(xiàn)停止開采狀態(tài)，煤礦開采時(shí)，應(yīng)保障未存在殘柱保留情況。地表的永久性不均勻沉降以及不均勻變形依據(jù)地表移動(dòng)規(guī)律可知，均集中在由于煤礦開采造成的地表下沉盆地邊緣。煤礦下存在永久性開采邊界時(shí)，地表將存在嚴(yán)重變形區(qū)域。為了避免由于煤礦開采對(duì)建筑物造成影響，全柱開采推廣極為必要。全柱開采可以有效避免煤礦建筑物受到煤礦開采影響。煤礦煤層開采范圍內(nèi)，應(yīng)該在固定范圍內(nèi)限制大面積全面開采，避免形成過(guò)大范圍的永久性開采邊界，并且避免建筑物受煤礦開采影響。煤礦開采時(shí)，應(yīng)實(shí)施分層開采以及長(zhǎng)工作面開采的煤礦開采方式[18]，降低由于煤礦采空造成的塌陷危險(xiǎn)。多煤層同時(shí)開采時(shí)，不同煤層開采的工作面存在一定距離，抵消同時(shí)開采形成的壓縮變形以及地面拉伸情況，降低由于煤礦開采造成的地面變形情況。

(2)合理避讓。煤礦開采后，應(yīng)將采空塌陷可能造成危險(xiǎn)區(qū)域的居民遷移至丘陵地段，通過(guò)合理的避讓降低煤礦采空塌陷造成的危害。由于煤礦采空塌陷造成的危險(xiǎn)性主要體現(xiàn)在塌陷過(guò)程中，已經(jīng)塌陷的煤礦[19]，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定后，可以恢復(fù)正常生活以及生產(chǎn)秩序。煤礦開采后，可將煤礦開采后存在塌陷風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)區(qū)域人群轉(zhuǎn)移至已成功治理礦區(qū)，通過(guò)高效的治理技術(shù)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最大化。

(3)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)。煤礦開采生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)礦井邊坡，重視邊坡與巖石斷層、節(jié)理等不同產(chǎn)狀之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)邊坡存在危險(xiǎn)情況時(shí)，需及時(shí)采取邊坡治理的工程措施，避免由于邊坡滑坡出現(xiàn)煤礦安全問(wèn)題。煤礦可以通過(guò)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)邊坡變化情況，時(shí)刻掌握邊坡動(dòng)態(tài)。煤礦開采生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免地表受到擾動(dòng)情況。加強(qiáng)植物種植，通過(guò)植物種植改善煤礦礦區(qū)土地條件，通過(guò)土地種植[20]，改善煤礦采空區(qū)的水土流失情況，改善生態(tài)環(huán)境，提升煤礦礦區(qū)的安全性。通過(guò)煤礦采空塌陷防治措施實(shí)現(xiàn)煤礦采空區(qū)域的綜合治理，通過(guò)工程治理與生態(tài)治理結(jié)合的方式，有針對(duì)性地避免由于煤礦采空塌陷區(qū)造成的危險(xiǎn)。改善研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，避免研究區(qū)域土地沙化以及水土流失情況，提升煤礦所在區(qū)域的居民生產(chǎn)以及生活質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

選取某煤礦采空塌陷區(qū)作為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)煤礦采空塌陷區(qū)的危險(xiǎn)性。通過(guò)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證所構(gòu)建模型具有較高的煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)有效性，可以滿足煤礦采空塌陷區(qū)危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)需求，為煤礦采空塌陷區(qū)域危險(xiǎn)性范圍預(yù)測(cè)提供依據(jù)。研究區(qū)域的采空塌陷在時(shí)空特征中的地表變形呈現(xiàn)連續(xù)以及漸變特征，地表變形特征主要以細(xì)小裂縫為主。為了避免煤礦采空塌陷造成的經(jīng)濟(jì)損失，提出了防治煤礦采空塌陷的措施。