采空区地表沉陷规律的研究

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2021年第06期·35·文章编号：2095－6835（2021）06－0035－03采空区地表沉降变形规律研究王亚林，郑周（江苏省第二地质工程勘察院，江苏徐州221000）摘要：通过理论分析、采空区实测数据以及灰色模型模拟方法的结合，对张双楼煤矿采空区上方的光伏发电项目沉降变形进行分析研究，发现地表移动形变的延续时间与地表整体的不均匀沉降具有相当密切的联系，利用灰色模型理论对未来沉降量模拟预测，预测结果较好，有助于更好地服务指导矿区的开采、采空区域的二次开发、沉陷灾害控制与环境保护等，并为相似条件下的矿区的发展和保护提供一定的参考。

关键词：灰色模型；移动形变；延续时间；沉降中图分类号：TU196文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2021.06.011一光伏发电项目位于位于徐州矿务集团张双楼煤矿采空区上方，地下煤层开采后，地表发生了较为明显的移动变形，主要表现为整体沉降下的局部不均匀连续沉降，未出现塌陷坑、地裂缝、台阶等非连续变形现象[1]。

分析研究该采空区地表变形的特征，以及局部不均匀连续沉降对光伏发电运营的影响程度，有助于更好地指导矿区的开采、采空区的二次开发利用、沉陷灾害控制与环境保护等[2]。

1地表沉降观测点的布置矿区平面如图1所示。

由资料可知，张双楼矿区煤层赋存于二叠系山西组和石炭系太原组，其中可采煤层为4层，分别为7煤、9煤、17煤和21煤，倾角范围15°～33°，基本属于缓倾斜煤层。

在采空和未来采空影响区域内共埋设沉降观测点375个，一期238个全部位于7煤工作面上方，二期137个部分位于7煤、9煤工作面上方。

实际观测点布置如图所示，进行了18个月的沉降观测，共计8期，并在矿区后续开采过程中会对沉降点持续测量。

图1矿区平面示意图监测点均匀分布在采空区影响的光伏发电项目区域内，对于项目区域内的地表的变化情况能较为直观地表现出来。

充填采煤开采沉陷主控因素及其影响规律
1.采空区范围：
采空区是指煤矿开采后留下的空洞空间，采空区范围的大小和形状直接影响着地表沉
陷的程度。

较大的采空区范围会导致更为显著的地表沉陷，因此采空区范围是影响沉陷的
主要因素之一。

2.充填体性质：
充填体的性质对于地表沉陷的影响至关重要。

充填体的强度、厚度、密实度以及变形
特性都会直接影响地表沉陷的情况。

一般来说，较为坚实的充填体可以有效减缓地表沉陷
的速度和程度。

3.开采方式和工艺：
不同的开采方式和工艺会对地表沉陷产生不同的影响。

采煤工艺中的采高采宽比、回
采方式、支护方式等都会对地表沉陷产生较大影响。

4.地质条件：
地质条件是影响地表沉陷的重要因素之一。

地表沉陷的程度与地下岩层的性质、构造
形态、地下水位等都密切相关。

5.采煤深度：
采煤深度是直接影响地表沉陷程度的主要因素之一。

一般来说，采煤深度越大，地表
沉陷的程度就越严重。

二、充填采煤开采沉陷影响规律
5.充填采煤开采对地表建筑和地下管线的影响：
充填采煤开采引起的地表沉陷对周围的建筑、道路、地下管线等都会产生严重的影响。

充填采煤开采沉陷的影响规律对于保护地表建筑和地下管线具有重要意义。

充填采煤开采沉陷主控因素及其影响规律是一个复杂而又重要的问题。

研究这一问题
对于指导煤矿生产、保护地表建筑和地下管线、保证矿山安全和改善生态环境都具有重要
意义。

希望各界能够加大对于这一问题的研究力度，为充填采煤开采沉陷问题的解决提供
更为科学的依据。

采矿区塌陷及沉陷区治理方式探析摘要：地表沉陷是由采矿采空区所引发的，随着大规模的煤炭从地下采出，采空区范围不断扩大和加深，必然会导致严重的地质环境问题的发生。

我国部分地区由采矿区引发的地质环境问题首当其冲，塌陷坑、地裂缝、沉陷区等所造成环境危害和修复难度也最大，通过加强采矿区塌陷及沉陷区治理方式的深入研究与探讨，对采空区地面沉陷区的形成与治理方式进行了初步探讨，为其综合治理提供了一些方法，对实现绿色矿山建设和可持续发展具有十分重要的意义。

关键词：采矿区；塌陷；沉陷区；治理方式引言在实际开展采矿沉陷区治理工作的过程中，相关人员应该有效结合采矿沉陷区所属类型和当地实际情况，选择适宜的综合治理模式，不但要有效地修复自然生态系统，还要为整个矿区可持续发展提供有效保障。

1采矿区塌陷及沉陷区的形成及危害沉陷区形成原因主要有两点：第一，大面积长时间的采矿开采，地下逐渐形成了采空区，采矿区内岩层稳定性变差，易导致岩层断裂、弯曲，地表水平及垂直移动等现象；第二，因开采矿区的水文地质条件影响比较复杂，受采空扰动的影响，巷道顶板塌落，形成采矿区。

由于沉陷区的形成改变了水文地质条件，地表水系受到破坏，周围水系受到严重影响，特别是对于平原矿区，地下水位较浅且降水集中，随着采矿区形成，地表会形成沉陷水域，进一步使沉陷区内可利用土地面积减少，自然景观被破坏，动植物栖息环境受影响，生物多样性锐减，因此对于沉陷区治理迫在眉睫。

2采矿区形成过程采矿区是指在采矿作业过程中，将地下煤炭或煤岩石等开采完成后留下的空洞或空腔。

在采矿工程开采过程需要将地下煤炭资源开采运走，一般会在掘进过程中，采用类似道路上过山隧道方法，逐步打通地下煤炭所在位置到采矿井口间的隧道，一般会将开采过程中遇到的矿石、煤炭等运送到地面，以便形成合理的运送和开采作业面，随着煤炭和其他矿石的不断运出，地下形成了采矿区。

由于开采工艺和使用技术不同，采矿区略有差别，一般会以采矿井口为中心，向煤炭资源存储点形成采煤巷道，采煤巷道类似过山隧道的形状。

采空区塌陷规律资料第一章绪论研究背景随着国民经济的快速发展，对矿产资源需求口益增加，伴随着矿石的开采人们获得了巨大的经济效益，然而采空区安全问题口益突出。

部分矿山采用空场采矿法开采，矿体开采后，形成了大面积采空区，随着采空区规模的扩大，采空区地压不断增加，局部出现应力集中现象，采空区局部冒落，矿柱变形并破坏，最终有可能导致采空区塌陷，严重威胁到矿山的安全生产。

近几十年来，采空区冒顶塌陷事故不断，造成了重大人员伤亡和经济损失，部分采空区现状己成为矿山安全生产的重大隐患，采空区塌陷己成为矿山生产的重要地质灾害之一「1-3] 以大冶桃花山矿采空区塌陷事故为例，该矿山采用空场采矿法，经过多年开采，己形成多水平大面积采空区。

由于回采结束后采空区缺乏有效支护手段，1998年至2003年矿山共发生过六次采空区塌陷事故，上下采空区连通且塌陷至地表，形成了一个长约70- 80 米，宽约30-}-50米，50米深，面积约3000平方米的近似圆形塌陷坑，给矿山生产带来了巨大经济损失[[4-6]采空区塌陷是一个复杂的力学时空过程，矿山岩体复杂，影响因素极多，解决这类问题需要进行全面系统的研究。

研究采空区塌陷规律，可以找出矿山采空区塌陷的主要影响因素，判断塌陷区的发展趋势以及现有采空区的稳定性，为采空区塌陷预警、采矿工程设计、采空区治理工作、采空区安全评价等提供理论依据。

准确的采空区塌陷规律研究对矿山安全和生产具有重大作用，准确的研究结果可保证最大限度的回收国家矿产资源，避免资源的浪费，为矿山带来巨大经济效益，同时可指导矿山生产的安全进行，预防塌陷事故的发生和降低塌陷事故带来的危害。

因此，在地下采矿形成大规模采空区时，掌握采空区塌陷规律，对矿山安全生产的顺利进行具有重要意义[7]。

2国内外研究现状采空区塌陷规律的研究，是矿山重要课题之一。

采空区塌陷问题研究的重点是采空区顶底板的管理、采空区围岩的控制、采空区上覆岩层移动规律和采空区地压活动所导致灾害的控制及地表沉陷的控制。

ＩＳＳＮ１６７ｌ一２９００ＣＮ４３—１３４７／ＴＤ采矿技术第８卷第４期ＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖ０１．８，Ｎｏ．４２００８年７月Ｊｕｌ．２００８采空区地表沉陷及移动规律的数值模拟金爱兵，明世祥，孙金海（北京科技大学土木与环境工程学院，北京１０００８３）摘要：在室内物理力学试验、ＥＨ一４综合探测采空区的基础上，利用ＭＩＤＡＳ／Ｇ髑建立三维数值模型，通过动态模拟某河床下民采开采过程，研究了沉降区覆岩移动规律，得到了与实际监测结果相吻合的结论，并在此基础上对沉降区范围和变化规律进行了预测，为采空区治理方案的确定提供了依据关键词：ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ；采空区；地表沉陷；地表移动；数值模拟某铁矿北区与中区之间的人工渠槽下所留保安矿柱遭到民窑采矿的严重破坏，留下了约４６．７万ｍ３的采空区，与该人工渠槽沉陷区对应的１。

民采空区冒落裂隙带已发展到地表。

为防止雨季河床水沿裂缝流入井下，与采空区贯通造成重大事故，２００５年６月对河床表面进行了应急加固处理。

加固后的河床在雨季过后（２００５年ｌＯ月）再次发生沉陷，河床、河堤、沿河公路均出现了不同程度的沉陷和沉陷裂缝破坏，沉陷裂缝宽度达３～５ｌｌＵｎ。

沉陷情况见图１～图２。

图１河堤沉降裂缝图２河床混凝土防冲刷层沉降裂缝通过对２００５年８月２５日与２００４年７月２４日沉降观测记录的比较，河堤沉陷深度最大达一０．７９５ｍ。

河床内沉陷面积达１２５６８ｍ２，已形成以０。

观测点东北３０Ｉｎ处为中心，河床内外沉陷面积达３３１７５ｍ２的近似环形的锅底状沉降盆地。

２００５年１０月马河渠槽再次发生的剧烈沉陷，可以明显看出本次沉陷发生在原沉陷范围内，这说明该人工渠槽沉陷并没有得到根治，还需要进一步查明河床下民采空区的岩移规律及影响因素。

本文正是在此基础上，结合变形监测成果，采用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ数值模拟软件，对民采空区地表沉陷、覆岩移动及渗流规律进行数值模拟研究ｎ－２１，并对沉降区塌陷范围及时空变化规律进行预测，为采空区治理方案的确定提供依据。

公路2007年10 月第10期HIG HW A Y O ct. 2007 N o . 10 文章编号: 0451- 0712( 2007) 10- 0101- 05 中图分类号: U 416. 1: T U 475. 4 文献标识码: A路基下煤矿采空区地表塌陷特征及其形成机理王兵1, 2, 杨为民3,王辉4,李占强4( 1. 北京理工大学管理学院北京市100081; 2. 河北冀威公路工程咨询有限公司石家庄市050011;3. 安徽理工大学资环系淮南市232001;4. 河北大地土木工程有限公司石家庄市050011)摘要:基于现场调研和室内测试,详细研究了青兰高速公路邯郸～涉县段沿线北八特采空区地表塌陷特征,分析了地表塌陷形成的影响因素,探讨了该区地表塌陷形成的宏观和微观机理。

这项研究可为拟建高速公路采空区治理方案的选择,以及路基路面、桥梁设计提供科学依据。

关键词:采空区;地表塌陷;形成机理目前,采空区问题研究主要集中于4个方面,即 1 北八特采空区地表塌陷特征地下采空区的探测技术、稳定性评价技术、治理技术北八特采空区分布有四矿八特井和大量的村办及质量监控技术[ 1～3],而对于引起地表塌陷的机理小窑。

这些小窑遍布全区,据调查,北八特采空区内研究不足,仅李永树等[ 4]根据开采沉陷地区地表点共有27个小窑,其回采率为30%～35% ,采矿深度的实测移动轨迹,探讨了由于岩梁下沉和弯曲引起为40. 0～200. 0 m,开采煤层及采矿深度受地质构地表水平移动的机理,以及岩层间的剪应力对水平造控制,煤层埋深沿西、东向逐渐变浅。

该区小窑多移动所起的作用。

唐小明[ 5]、贺可强[ 6]、王景明[ 7]等在1985年～1991年投产,到1998年～2000年基本根据黄土地区潜蚀地貌的调查,研究了黄土地区潜停产,仅局部(如井8宏兴煤矿和井21)仍有采矿活蚀地貌的形成与岩性、构造节理、气候、地下水等因动,地表塌陷仍在发展中。

1、对老空区处理的方法主要有：充填老采空区、注浆加固冒落带和裂缝带岩体、释放法、水诱导法等2、地表塌陷的规律：1、在长壁开采的条件下，当厚度比达到一定后，老采空区的活化表现为连续渐变，沉陷的规律如下：（1）建筑物位于采空区的中央时，沉陷量最大，但下沉较均匀，变形值小。

当建筑物位于采空区边界上方时，下沉量较采空区中央小，但变形值大，对建筑物不利，特别是建筑物的一部分位于采空区上方，另一部分位于矿柱上方，此时建筑物的变形最大，对建筑物最不利。

（2）建筑物荷载越大，引起的采空区活化量最大，对建筑物的危害最大（3）老采空区采厚越大，采深越浅，建筑物荷载作用下，老采空区活化量最大（4）多矿层开采条件下，建筑物位于采空区中央时，不受边界效应的影响，但建筑物位于采空区边界上方时，受边界效应影响较大。

2、柱式开采条件下，采空区顶板未完全塌陷，存在空洞，空洞塌陷的结果，可能形成非连续变形，在地表形成塌陷坑、塌陷槽、台阶状移动盆地等。

这种塌陷是突然的、非连续的，对地表建筑物的危害非常大。

一般的看法是，当深厚比大于30时，地表出现连续性的移动盆地，当深厚比小于30时，地表出现非连续性的移动盆地。

且深厚比越小，地表非连续性越强。

3、长壁开采、全部跨落法管理顶板时，开采结束一定时间后，上覆岩层达到新的平衡，地表趋于稳定，在外来荷载的作用下，从而使岩层及地表再次产生沉陷，称这种沉陷为老采空区“活化”。

4、地表沉陷区工程复垦技术分哪几种？（1）充填复垦技术（2）平整和修建梯田复垦技术（3）疏排法复垦技术（4）挖深垫浅复垦技术（5）建筑复垦技术5、井工开采对环境的影响主要包括三方面：（1）开采沉陷对生态环境的影响（2）矿山废弃物对生态环境的影响（3）开采沉陷对水的影响6、地下资源的开发与开采带来了哪些生态环境和生态问题？（1）使地面标高降低，耕地淹没、盐渍化、沙漠化，在山区引起坡体滑移。

（2）地表沉陷使位于沉陷区的建筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、堤坝、输电线路等人工建筑物损坏、塌陷，影响人民的生命财产安全和交通运输安全。

名称弹性模量/MPa 泊松比粘聚力/MPa 内摩擦角/（°）重度/（kN ·m -3）单轴抗拉强度/MPa 砂岩125000.26 1.28036.525.40 1.090砂页岩41600.210.92032.024.300.780泥岩13000.230.86028.024.800.650煤12500.340.30030.513.500.510松散层6000.350.01515.018.000.002表1岩层力学参数表不宜使用。

（2）静力触探检验结果受检验位置、检验操作人员的影响较大，影响对浆喷桩和粉喷桩质量的判定。

（3）静力触探用于浆喷桩和粉喷桩的检验有待于从检测原理、检测工艺、检测方法上予以改进，就目前的技术水平，静力触探检验结果还不能作为评价浆喷桩和粉喷桩质量的依据，建议对其检测数据只能作为参考。

参考文献：［1］高大钊.岩土工程的回顾与前瞻［M ］.人民交通出版社，2001：239-243.［2］龚晓南.复合地基［M ］.杭州：浙江大学出版社，1992：1-20.［3］龚晓南.复合地基理论及工程应用［M ］.北京：中国建筑工业出版社，2002：1-16.［4］何开胜.水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决方法［J ］.岩土力学，2002，23（6）：778-781.［5］何军，周同和，赵彤.国内外深层喷射搅拌法的发展与应用［J ］.郑州工业大学学报，1999，20（1）：110-112.［6］张建新，杜海金，吴东云.用水泥土桩复合地基载荷试验确定承载力标准［J ］.岩石力学与工程学报，2002，21（12）：1903-1906.［7］陈甦，彭建忠，沈剑林等.水泥粉喷桩钻芯检测工程实例［J ］.岩石力学与工程学报，2002，21（12）：1891-1893.收稿日期：2008-09-22邢台煤矿采空区地表沉陷规律研究王丽娟，女，助教，硕士。

摘要通过对邢台矿区铁路下开采引发的地表沉陷进行分析，以有限元法对地表沉陷过程进行了数值模拟，研究了地表变形特征，为进行采空区地表沉陷处理提供了理论依据。

充填采煤开采沉陷主控因素及其影响规律充填采煤是一种常见的采煤方式，它的特点是在煤矿开采过程中，利用煤矸石或其它工业废渣等物质对已经开采的采空区进行填充，以减少地表沉陷和保护地下水资源。

充填采煤在实际施工中仍然会引起一定程度的地表沉陷，主要是由以下因素和规律所引起。

挖掘方法对地表沉陷有重要影响。

充填采煤中常用的挖掘方法有顺槽法、逆槽法和突槽法等。

顺槽法沿采空区外沿向内逐渐取煤，逆槽法沿着采空区外沿取煤直到坍塌，突槽法则是在采空区顶板开启一定宽度的采区，并从采空区边缘向内逐步扩展。

这些挖掘方法的选择会直接影响采煤断面和地表沉陷的大小。

一般而言，采用突槽法的充填采煤方式地表沉陷最大，采用顺槽法的地表沉陷最小。

充填方式也会影响地表沉陷。

充填方式主要有集中填充和分散填充两种。

集中填充是将非应力开采区域全部填充到一定标高，而分散填充则是将非应力开采区域分成若干块进行填充。

集中填充的沉陷主要集中在非应力开采区域上方，而分散填充的沉陷较为均匀，且整体沉陷量较小。

充填物的填充方式和性质也会对地表沉陷产生影响。

充填物可以是煤矸石、尾矿、工业废渣等物质，这些物质的填充方式有顺序填充和循环填充两种。

顺序填充是将充填物从顶部逐步倾斜填充到采空区上方，而循环填充则是将充填物从底部注入，并逐渐填充到顶部。

煤矸石和尾矿等填充物的物理性质也会影响地表沉陷，具体表现为填充物的压缩性、强度等。

充填采煤的深度和施工顺序也会对地表沉陷产生影响。

一般而言，充填采煤的深度越大，地表沉陷量也会越大。

而充填采煤的施工顺序是指非应力开采区域的填充先后次序，一般应从下到上进行填充，以减小地表沉陷。

充填采煤开采沉陷主控因素包括挖掘方法、充填方式、充填物的填充方式和性质、充填采煤深度以及施工顺序等。

这些因素通过相互作用对地表沉陷产生影响，进而影响矿区周围的土地利用和环境保护。

在充填采煤工程中，需要合理选择挖掘方法和充填方式，控制充填物的填充方式和性质，以及合理规划充填采煤的深度和施工顺序，以减小地表沉陷的程度，保护地下水资源和生态环境的可持续发展。