淺談礦采活動與自然災害的關系

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1.研究區地表變形現狀研究

區從投入生產開始，礦井采空區面積達0.60km2，其中采空區4號煤層埋深約為400—500m，采空區連續面積不大，在該區地表并未發現地面塌陷、地裂縫等劇烈地面變形跡象。目前來看，該區地表變形（地面裂縫、塌陷）程度較輕，導致地質災害危險性較小。

2.研究區地表變形災害分析

根據以往開采經驗，當煤層開采深度與開采厚度比值<30時，開采一定面積的煤后，會引起巖層變形并傳播到地表，在一定時間段內，地表會發生不連續變形。地表變形越劇烈，采空區上方就會形成比較大的裂縫或塌陷坑；當開采深度與開采厚度比值在30—100之間，地層中也未出現較大地質破壞時，煤采出后會引起巖層移動并傳播到地表，從而導致地表發生一定程度的連續變形（即地裂縫或塌陷坑）。當上組煤層采出后，將會引起巖層移動，并傳播到地表，局部地段地表變形劇烈，采空區上方會形成較大的地表變形（裂縫或塌陷坑）。綜合來看，上組煤層采空后地表變形將對地面造成嚴重影響，地表變形(地面塌陷、地裂縫)地質災害危險性較大。

3.研究區地表變形定量分析

北一采區，主要開采5#煤，工作面長度180.10m、平均采高2.81m；北二采區，主要開采2#煤，工作面長度150.10m，平均采高1.09m；北三采區主要開采3#和4#煤，工作面長度為260.11m，平均采高4.21m，從研究區總體煤層分布情況來看，2#、3#、4#、5#煤層大部分穩定可采，或全部穩定可采。因2#、3#、4#、5#煤層間距離比較近（2#和3#平均煤層間距為10.35m，3#和4#平均煤層間距為6.17m，4#和5#平均煤層間距為5.57m），研究區礦井又采用聯合開采方式，所以，這里把四個煤層合并起來計算其變形特征值。研究區坡度不大，為一緩傾斜的單斜構造，地層走向自北向南，由南北向又漸變為北西向，傾向由正西向又逐漸變為南西向，地層傾角較平緩，一般為3°～15°，平均為7.2°。研究區煤層以兩類巖石頂板為主，一種是砂質泥巖頂板，這類屬于較穩定頂板，另一類是泥巖頂板，這類屬于不穩定頂板，它們的單軸抗壓強度為10.81－36.21MPa其它根據經驗參數得：下沉系數取q初=0.81，q復=（1+a）q初=0.97；水平移動系數取b初=0.27；移動角取7.2°；水平移動系數取b復=b初=0.26主要影響角正切tgβ=2.78按上述公式及計算參數，沙曲一礦上組煤開采后，不同埋深地表產生的最大變形值列。通過表中的計算結果得知，研究區上組煤開采后，地表最大沉陷值是7316.06mm，地表沉陷嚴重，又因為該區內地形復雜，沉陷將會對區內耕地、道路造成較大破壞。這里再將表3-2中的計算結果（地表最大移動值、地表最大變形值和地表最大傾斜值）與《規程》中對應的地表變形對地面建筑物破壞等級兩者進行對比。研究區上組煤采空后，地表不同部位各類地面變形值都很大，地表變形也很嚴重，地面上發生塌陷、地裂縫的數量會增多，它的規模也將會加大，這些地面變形對地面建筑物破壞等級也較高。研究區對應區域的三川河附近、河谷東部和西部，因煤層埋藏相對較淺，Imax值、Kmax值、εmax值也都較高，對應的破壞等級均為Ⅳ級，所以開采煤層引發地面變形較大，影響嚴重；研究區對應區域的中東部地區，包括中部龍花垣、張家山、馮家溝、東家塔、東溝底等村，Imax值和εmax值對應破壞等級也較高，也為Ⅳ級，Kmax值稍低，為Ⅲ級，所以該區開采煤層后引發的地表變形屬于中等變形區域，，影響次之；研究區對應區域中的大部分山區和西北部地區，主要包括北焉、港村、雙則等村莊，Imax值和εmax值對應破壞等級也較高，仍為Ⅳ級，Kmax值最低，為Ⅱ級，地表變形相對較小，影響也最小；綜合分析，研究區內上組煤層采空后會將會發生嚴重的地面變形，對地面建筑物也將造成嚴重的影響。結合該區行政區劃資料，研究區上組煤層采空后的影響范圍較大，通過分析，主要包括區內大部分村莊及南部工礦生產區、國道、高速公路、鐵路等主要交通干線。其中受威脅居民預計大于110人，受威脅資產預計大于550萬元，而大部分村莊被破壞的房屋將大于4020間，建筑物被損壞后損失預計將大于2050萬元。根據有關規程判斷，該區地表變形（地面塌陷、地裂縫）程度嚴重，地質災害危險性很大。

4.研究區地表變形延續時間分析

當工作面停止開采后，地表隨之會有一定的沉降，時間越長，沉降的幅度越小。當地表沉降幅度累計達到10.1mm時，可以認為地表移動開始了；如果連續6個月地表沉降幅度都小于30.1mm，這時我們可以認為地表移動期已經結束。這段從開始到結束的時間稱為地表變形的延續時間，通常可以將它分為三個階段：初始期、活躍期和衰退期。為了得出地表移動的延續時間（T），這里根據下面的公式進行計算：T=2.5H（d）式中：H為工作面平均開采深度（m）研究區上組煤層開采深度為170.01-600.01m，將深度數值帶入公式T=2.5H（d），計算得出：T為425.03-1500.03天，即研究區內如果開采上組煤層會引起的地表移動，對應的延續時間為1.16-4.12年。又如：前面提到的北一、北二、北三采區部分區域，開采深度為350.01-500.01m，依據公式計算得延續時間T為875.03-1250.03天（即2.41—3.42年）。另外，研究區上組煤層采出后，采空區地表變形還會受到其他因素影響，如：采空區是否被完全充填、冒落物是否被充分壓實，以及是否留設保護煤柱等，這樣地表移動變形時間可能會延續得更長。

5.結論

綜上所述，經過定性分析，研究區礦井開采上組煤層后，地表大部分區域會發生比較劇烈的變形（產生地面裂縫或地面塌陷）；再經過數學計算定量分析，更精確地得出地表變形的劇烈程度，受威脅的居民人數眾多，房屋等建筑物、工礦企業及各類交通干線也損失嚴重，而且進一步分析地表變形即將持續的時間，最長可達4年多，這意味著這類地質災害發生治理恢復也將持續很長的時間，所以研究區內地表變形地質災害危險性較高。

作者：王婷婷閆疆單位：山西煤炭管理干部學院