煤矿采空塌陷区危险性预测模型构建及其防治措施

张兆宏，杨昌武，杨奋飞，王英伟

(神东煤炭集团，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

煤矿开采后，地下存在大面积采空区。矿山地质灾害是众多领域研究学者关注的重要问题，我国的矿山区域地质灾害发生较为频繁。相比于其他矿产资源[1]，煤矿中煤层的地质条件更容易形成采空塌陷情况。采空塌陷指矿层开采后，破坏了煤层原有的自然应力平衡状态，受环境因素等各种因素影响[2]，重新分配应力，达到新的平衡状态。应力重新分布的过程中，矿区地表和岩层形成连续变形、连续移动以及不可避免的破坏行为，容易造成煤矿采空塌陷情况。我国煤矿矿区面积较广[3]，长江中下游、华北平原等地区是煤矿矿区的主要开发地区。我国每年都有由于采煤造成的煤矿采空区塌陷情况，煤矿采空区塌陷将造成严重的经济损失。煤矿采空区具有极高的塌陷危险性[4]，对生态环境同样存在影响。煤矿采空塌陷区危险性预测是矿井安全领域研究的重要话题，煤矿采空塌陷区危险性预测可以维持环境以及经济的可持续发展[5]。煤矿采空塌陷区危险性预测对于国家地质灾害防治具有重要的治理意义[6]，可以保护人民的生命财产安全，保障人类与生态环境的协调发展。

目前众多研究学者针对煤矿采空区的塌陷问题进行研究，有学者提出将偏序集应用于煤矿采空区塌陷危险性评价中，有效评价煤矿采空区塌陷危险[7]；还有学者提出通过数值模拟方法模拟地下复杂采空区地表塌陷过程，明确了造成地表塌陷的运动机理[8]。基于以上学者的研究基础，构建煤矿采空塌陷区危险性预测模型，通过所构建的预测模型降低煤矿采空塌陷造成的危害，维持煤矿经济与环境的可持续发展，提升煤矿生产安全性。

1 研究区域概况

选取某省煤矿矿区作为研究区域，研究区域总人口为254 864人，研究区域中包含的煤炭资源极为丰富，年产原煤为400万t左右。研究区域以山地为主要地形，含煤地层主要为早侏罗世煤系。划定煤矿采空塌陷区危险性范围为井田西部外扩展300 m，待预测的煤矿采空塌陷区域共53.6 km2。研究区域煤矿开采沉陷特征见表1。

表1 研究区域煤矿开采沉陷特征Tab.1 Coal mining subsidence characteristics in the study area

由表1可知，该煤矿采用长臂综采开采方法，全部垮落法控制顶板。煤矿开采后，容易出现采空塌陷情况，造成严重危险。选取该煤矿作为煤矿采空塌陷区危险性预测的研究区域，具有极高的典型性。

2 煤矿采空塌陷区危险性预测模型

2.1 煤矿开采沉陷传递原理

煤矿采空塌陷区危险性预测时，矿区的上覆岩层可以划分为多层，将接近采空区顶板的上覆岩层设置为首层。首层岩层受到煤矿开采影响时，移走第2层至地表的岩层[9]，在首层岩层中加载相同大小的荷载，此时可以模拟首层岩层受煤矿采空形成的移动变形情况，首层岩层的性质参数决定首层岩层上表面形成的下沉空间形状。还原下一层岩层，将相同大小的荷载施加于下一层岩层中，由于首层岩层受煤矿采空影响存在下沉[10]，因此下一层岩层同样存在下沉空间。

将煤矿采空区域的上覆地层划分为上部岩层以及下部岩层，由于煤矿开采对研究区域造成的影响可通过煤矿采空区域上覆地层的下部岩层上表面移动变形情况体现[11]，下部岩层的不均匀下沉决定了上部岩层的移动变形情况。研究区域受煤矿开采造成的塌陷通过地表移动变形体现，地表移动变形由上部岩层上表面的移动变形影响。

2.2 煤矿采空塌陷区危险性影响因素

煤矿采空区塌陷受到众多因素影响，煤矿采空塌陷主要受到采矿条件和地质条件影响，呈现典型的时空特征以及强度特征。水文地质条件、地质构造、煤矿区域的覆岩力学性质等条件均属于矿井采空塌陷的地质条件[12]；采区特征、煤层特征、开采技术条件等均属于煤矿采空塌陷的采矿条件。众多因素中的其中一种即可能造成煤矿采空区塌陷。煤矿采空区塌陷可能由于单因素作用，同时可能由于多因素作用[13]。预测煤矿采空塌陷危险性时，应合理选取对煤矿采空塌陷危险性预测存在影响的因素。

煤矿采空塌陷属于动态变化过程，煤矿采空塌陷主要包括起始阶段、活跃阶段以及衰退阶段，起始阶段和活跃阶段是造成煤矿采空塌陷危险性的重要阶段。伴随采空塌陷区域范围的扩大[14]，煤矿采空塌陷盆地伴随塌陷区域范围的增大而逐渐扩大。煤矿采空塌陷盆地水平扩展过程中，采空塌陷危险性主要体现至盆地扩展将造成弯曲变形以及地表倾斜情况，容易造成煤矿采空塌陷区域存在不均匀沉降或倾斜情况[15]。随着时间不断变化，造成严重后果。在此基础上，利用最大沉陷量随时间变化的曲线，求出了最大沉降点的沉降速率曲线，结果如图1所示。

图1 最大沉陷量随时间变化的曲线示意Fig.1 Curve diagram of maximum settlement varying with time

根据图1可知，煤矿采空塌陷区地面运动的起始时刻是从初始期开始逐渐上升，在4月中旬达到峰值。通常来说，煤层厚度比是反映岩体和地面运动变形的一个重要参数。一般情况下，深度比与位移成正相关，深度比愈低，位移愈大，地面变形愈显著；在浅煤层中，随着开采厚度的增大，深层比减小，地面运动持续的时间缩短，使地面运动更加剧烈，发生明显的变形，出现大裂缝、塌陷等。在此基础上，选取以下参数作为构建煤矿采空塌陷区危险性预测模型中，影响煤矿采空塌陷区危险性预测结果的参数。

(1)下沉系数。煤矿采空塌陷区的采动条件充分时，影响煤矿采空塌陷的下沉系数表达式：

h=w/mcosβ

(1)

式中，m为开采高度；β为煤层倾角；mcosβ为平均开采厚度；w为地表的最大下沉值。

(2)水平移动系数。水平移动系数是影响煤矿采空塌陷危险性的重要指标，煤矿采空塌陷区完成采动后，形成移动盆地。煤矿的采空塌陷区水平移动系数表达式：

b=umax/βrmax

(2)

式中，umax为地表水平移动最大值；rmax为地表下沉最大值。

2.3 煤矿采空塌陷区危险性预测模型

选取T-S模糊方法建立煤矿采空塌陷区危险性预测模型，通过模糊子集隶属函数的修正实现预测模型的更新。煤矿采空塌陷区域现场如图2所示。

(3)

图2 煤矿采空塌陷区域现场Fig.2 Site map of goaf collapse area of coal mine

T-S模糊方法的输入部分与输出部分分别为模糊以及确定[16]，通过模糊推理将输入的线性组合输出。

用x=[x1，x2，…，xk]为煤矿采空塌陷区危险性预测的下沉系数与水平移动系数输入量，依据T-S模糊方法的模糊规则获取煤矿采空塌陷区危险性预测输入变量xi的隶属度表达式：

(4)

模糊计算各个隶属度，选取模糊算子作为模糊计算中的连乘算子，获取煤矿采空塌陷区危险性预测模型的输出结果表达式：

(5)

式中，mi为隶属度模糊计算结果。通过式(5)获取煤矿采空塌陷区危险性预测结果。

3 煤矿采空塌陷区危险性预测结果

为了验证煤矿采空塌陷区危险性预测模型的效果及可行性，设计煤矿采空塌陷区危险性预测实验。由于煤矿开采是一项涉及到许多信息的复杂系统工程，其数据来源包括日常生产和销售的煤炭数量、设备和耗材安全调度数据、煤炭运输数据等，长期开采导致煤矿存在一定危险性。煤矿采空塌陷区危险性预测相关参数见表2。

表2 煤矿采空塌陷区危险性预测相关参数Tab.2 Relevant parameters of the risk prediction of the subsidence area in the coal mine goaf

选取15号监测点作为预测对象，采用所构建模型预测15号监测点的煤矿采空区的塌陷结果如图3所示。

图3 15号监测点塌陷预测结果Fig.3 Collapse prediction results of No.15 monitoring point

由图3预测结果可以看出，采用所构建的煤矿采空塌陷区危险性预测模型，可以有效预测煤矿采空区塌陷情况，依据塌陷预测结果明确煤矿采空区由于塌陷造成的危险。所构建模型预测煤矿采空区塌陷结果与研究区域采空区的实际塌陷结果相符，验证所构建模型具有极高的预测煤矿采空塌陷区危险性预测有效性。

将研究区域采空塌陷区的边长划分为16个监测点，各监测点的影响半径统计结果见表3。依据表3的监测点影响半径统计结果，煤矿矿区管理人员能够明确塌陷的具体范围，便于管理人员依据塌陷范围制定危险性预防措施。

随机选取5号、10号、15号监测点作为预测对象，采用所构建预测模型预测研究区域5号、10号、15号监测点不同日期的塌陷情况，统计结果见表4。由表4可以看出，所构建模型可以预测不同监测点的塌陷情况，依据不同监测点的塌陷预测结果确定煤矿采空塌陷区的危险性。所构建模型输出煤矿采空塌陷区危险性预测结果为中等，管理人员应及时采取治理措施，避免危险进一步蔓延。该模型在实际应用中具有较好的效果。

表3 监测点影响半径Tab.3 Radius of influence of monitoring points

表4 不同监测点塌陷预测结果Tab.4 Collapse prediction results of different monitoring points

4 煤矿采空区塌陷防治措施

煤矿采空区塌陷问题是煤矿需要面对的重要问题。及时治理煤矿的采空区塌陷情况，可以避免积水、漏风和自燃等危险情况发生，避免煤矿矿区山体滑坡和土地裂缝等地质灾害，保护煤矿矿区环境，改善煤矿矿区的水土流失情况，避免煤矿采空区域受到工业三废污染影响，实现环境的良好保护。研究区域煤矿以丘陵地貌为主，煤层埋藏位置较深，煤层开采后，造成的采空塌陷主要为在不同方向存在明显裂缝，伴随裂缝不断蔓延，将对周围造成严重危害。针对煤矿采空区塌陷造成的危险，提出防治措施如下。

(1)采用合理的采煤方式。煤矿周围存在待保护对象时，应在矿井开采前在井筒下部预留煤柱，通过预留煤柱保障所保护对象不受开采影响。预留煤柱方法是应用于煤矿开采中的保护周边建筑不受开采影响的可靠方法[17]。地面下盆地边缘位于开采边界上方，极容易受到煤矿采空塌陷影响。回采工作面设置于建筑物下时，工作面长度应足够大，保障充分采动地表。煤矿开采时的回采速度应足够快，开采过程中不可出现停止开采状态，煤矿开采时，应保障未存在残柱保留情况。地表的永久性不均匀沉降以及不均匀变形依据地表移动规律可知，均集中在由于煤矿开采造成的地表下沉盆地边缘。煤矿下存在永久性开采边界时，地表将存在严重变形区域。为了避免由于煤矿开采对建筑物造成影响，全柱开采推广极为必要。全柱开采可以有效避免煤矿建筑物受到煤矿开采影响。煤矿煤层开采范围内，应该在固定范围内限制大面积全面开采，避免形成过大范围的永久性开采边界，并且避免建筑物受煤矿开采影响。煤矿开采时，应实施分层开采以及长工作面开采的煤矿开采方式[18]，降低由于煤矿采空造成的塌陷危险。多煤层同时开采时，不同煤层开采的工作面存在一定距离，抵消同时开采形成的压缩变形以及地面拉伸情况，降低由于煤矿开采造成的地面变形情况。

(2)合理避让。煤矿开采后，应将采空塌陷可能造成危险区域的居民迁移至丘陵地段，通过合理的避让降低煤矿采空塌陷造成的危害。由于煤矿采空塌陷造成的危险性主要体现在塌陷过程中，已经塌陷的煤矿[19]，经过一段时间稳定后，可以恢复正常生活以及生产秩序。煤矿开采后，可将煤矿开采后存在塌陷风险的危险区域人群转移至已成功治理矿区，通过高效的治理技术实现经济最大化。

(3)加强边坡监测。煤矿开采生产过程中，应重点监测矿井边坡，重视边坡与岩石断层、节理等不同产状之间的关系。发现边坡存在危险情况时，需及时采取边坡治理的工程措施，避免由于边坡滑坡出现煤矿安全问题。煤矿可以通过边坡监测系统监测边坡变化情况，时刻掌握边坡动态。煤矿开采生产过程中，应尽量避免地表受到扰动情况。加强植物种植，通过植物种植改善煤矿矿区土地条件，通过土地种植[20]，改善煤矿采空区的水土流失情况，改善生态环境，提升煤矿矿区的安全性。通过煤矿采空塌陷防治措施实现煤矿采空区域的综合治理，通过工程治理与生态治理结合的方式，有针对性地避免由于煤矿采空塌陷区造成的危险。改善研究区域的生态环境，避免研究区域土地沙化以及水土流失情况，提升煤矿所在区域的居民生产以及生活质量。

5 结语

选取某煤矿采空塌陷区作为研究对象，通过构建的危险性预测模型预测煤矿采空塌陷区的危险性。通过危险性预测结果验证所构建模型具有较高的煤矿采空塌陷区危险性预测有效性，可以满足煤矿采空塌陷区危险性预测需求，为煤矿采空塌陷区域危险性范围预测提供依据。研究区域的采空塌陷在时空特征中的地表变形呈现连续以及渐变特征，地表变形特征主要以细小裂缝为主。为了避免煤矿采空塌陷造成的经济损失，提出了防治煤矿采空塌陷的措施。