浅谈矿采活动与自然灾害的关系

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1.研究区地表变形现状研究

区从投入生产开始，矿井采空区面积达0.60km2，其中采空区4号煤层埋深约为400—500m，采空区连续面积不大，在该区地表并未发现地面塌陷、地裂缝等剧烈地面变形迹象。目前来看，该区地表变形（地面裂缝、塌陷）程度较轻，导致地质灾害危险性较小。

2.研究区地表变形灾害分析

根据以往开采经验，当煤层开采深度与开采厚度比值<30时，开采一定面积的煤后，会引起岩层变形并传播到地表，在一定时间段内，地表会发生不连续变形。地表变形越剧烈，采空区上方就会形成比较大的裂缝或塌陷坑；当开采深度与开采厚度比值在30—100之间，地层中也未出现较大地质破坏时，煤采出后会引起岩层移动并传播到地表，从而导致地表发生一定程度的连续变形（即地裂缝或塌陷坑）。当上组煤层采出后，将会引起岩层移动，并传播到地表，局部地段地表变形剧烈，采空区上方会形成较大的地表变形（裂缝或塌陷坑）。综合来看，上组煤层采空后地表变形将对地面造成严重影响，地表变形(地面塌陷、地裂缝)地质灾害危险性较大。

3.研究区地表变形定量分析

北一采区，主要开采5#煤，工作面长度180.10m、平均采高2.81m；北二采区，主要开采2#煤，工作面长度150.10m，平均采高1.09m；北三采区主要开采3#和4#煤，工作面长度为260.11m，平均采高4.21m，从研究区总体煤层分布情况来看，2#、3#、4#、5#煤层大部分稳定可采，或全部稳定可采。因2#、3#、4#、5#煤层间距离比较近（2#和3#平均煤层间距为10.35m，3#和4#平均煤层间距为6.17m，4#和5#平均煤层间距为5.57m），研究区矿井又采用联合开采方式，所以，这里把四个煤层合并起来计算其变形特征值。研究区坡度不大，为一缓倾斜的单斜构造，地层走向自北向南，由南北向又渐变为北西向，倾向由正西向又逐渐变为南西向，地层倾角较平缓，一般为3°～15°，平均为7.2°。研究区煤层以两类岩石顶板为主，一种是砂质泥岩顶板，这类属于较稳定顶板，另一类是泥岩顶板，这类属于不稳定顶板，它们的单轴抗压强度为10.81－36.21MPa其它根据经验参数得：下沉系数取q初=0.81，q复=（1+a）q初=0.97；水平移动系数取b初=0.27；移动角取7.2°；水平移动系数取b复=b初=0.26主要影响角正切tgβ=2.78按上述公式及计算参数，沙曲一矿上组煤开采后，不同埋深地表产生的最大变形值列。通过表中的计算结果得知，研究区上组煤开采后，地表最大沉陷值是7316.06mm，地表沉陷严重，又因为该区内地形复杂，沉陷将会对区内耕地、道路造成较大破坏。这里再将表3-2中的计算结果（地表最大移动值、地表最大变形值和地表最大倾斜值）与《规程》中对应的地表变形对地面建筑物破坏等级两者进行对比。研究区上组煤采空后，地表不同部位各类地面变形值都很大，地表变形也很严重，地面上发生塌陷、地裂缝的数量会增多，它的规模也将会加大，这些地面变形对地面建筑物破坏等级也较高。研究区对应区域的三川河附近、河谷东部和西部，因煤层埋藏相对较浅，Imax值、Kmax值、εmax值也都较高，对应的破坏等级均为Ⅳ级，所以开采煤层引发地面变形较大，影响严重；研究区对应区域的中东部地区，包括中部龙花垣、张家山、冯家沟、东家塔、东沟底等村，Imax值和εmax值对应破坏等级也较高，也为Ⅳ级，Kmax值稍低，为Ⅲ级，所以该区开采煤层后引发的地表变形属于中等变形区域，，影响次之；研究区对应区域中的大部分山区和西北部地区，主要包括北焉、港村、双则等村庄，Imax值和εmax值对应破坏等级也较高，仍为Ⅳ级，Kmax值最低，为Ⅱ级，地表变形相对较小，影响也最小；综合分析，研究区内上组煤层采空后会将会发生严重的地面变形，对地面建筑物也将造成严重的影响。结合该区行政区划资料，研究区上组煤层采空后的影响范围较大，通过分析，主要包括区内大部分村庄及南部工矿生产区、国道、高速公路、铁路等主要交通干线。其中受威胁居民预计大于110人，受威胁资产预计大于550万元，而大部分村庄被破坏的房屋将大于4020间，建筑物被损坏后损失预计将大于2050万元。根据有关规程判断，该区地表变形（地面塌陷、地裂缝）程度严重，地质灾害危险性很大。

4.研究区地表变形延续时间分析

当工作面停止开采后，地表随之会有一定的沉降，时间越长，沉降的幅度越小。当地表沉降幅度累计达到10.1mm时，可以认为地表移动开始了；如果连续6个月地表沉降幅度都小于30.1mm，这时我们可以认为地表移动期已经结束。这段从开始到结束的时间称为地表变形的延续时间，通常可以将它分为三个阶段：初始期、活跃期和衰退期。为了得出地表移动的延续时间（T），这里根据下面的公式进行计算：T=2.5H（d）式中：H为工作面平均开采深度（m）研究区上组煤层开采深度为170.01-600.01m，将深度数值带入公式T=2.5H（d），计算得出：T为425.03-1500.03天，即研究区内如果开采上组煤层会引起的地表移动，对应的延续时间为1.16-4.12年。又如：前面提到的北一、北二、北三采区部分区域，开采深度为350.01-500.01m，依据公式计算得延续时间T为875.03-1250.03天（即2.41—3.42年）。另外，研究区上组煤层采出后，采空区地表变形还会受到其他因素影响，如：采空区是否被完全充填、冒落物是否被充分压实，以及是否留设保护煤柱等，这样地表移动变形时间可能会延续得更长。

5.结论

综上所述，经过定性分析，研究区矿井开采上组煤层后，地表大部分区域会发生比较剧烈的变形（产生地面裂缝或地面塌陷）；再经过数学计算定量分析，更精确地得出地表变形的剧烈程度，受威胁的居民人数众多，房屋等建筑物、工矿企业及各类交通干线也损失严重，而且进一步分析地表变形即将持续的时间，最长可达4年多，这意味着这类地质灾害发生治理恢复也将持续很长的时间，所以研究区内地表变形地质灾害危险性较高。

作者：王婷婷闫疆单位：山西煤炭管理干部学院