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矿区开采沉陷原因及防治[摘要]针对煤矿开采对矿区环境、地表破坏的影响,以减轻危害程度为目标,根据深陷原因,提出了防治和控制开采沉陷的技术措施[关键词]开采沉陷;原因;沉陷控制1 背景煤炭的开发为经济快速持续发展提供了基本保证,然而煤炭的大规模开采对矿山及其周围环境造成了严重的破坏日益突出,开采沉陷造成的矿区环境灾害主要有土地塌陷或积水,农田减产或绝产、道路塌陷、房屋变形破坏等,在矿山开发过程中形成的地表沉陷、植被破坏、土地荒漠化、水源枯竭等一系列问题,不仅破坏了矿区的生态环境,甚至对当地居民生存环境构成了威胁。
采空区沉陷致使滑坡、崩塌、地裂、沉陷等地质灾害频繁发生,时刻影响矿井的正常生产和矿区人民的正常生活秩序。
随着煤炭形式的好转,各集团公司都加大了环境的防治和治理,对煤炭事业来说,功在当代,利在千秋,如何准确分析和确定影响煤矿区开采沉陷发生和发展的重要因素是今后有效开展煤矿区开采沉陷防治工作所必须解决的课题,具有重要意义。
2 主要影响因素在煤矿区,影响开采沉陷的因素有很多,来自于不同方面。
一般认为有:地质因素、水文因素、环境因素、采矿因素、时间因素等2.1 地质因素2.1.1 煤层的厚度、埋深及倾角的影响(1)煤层厚度:开采煤层的厚度影响着地表下沉量的大小。
显然,如果其他条件相同时,煤层越厚,则地表下沉量越大,这是因为需要充填的采空区体积较大。
(2)开采深度的影响:随着开采深度的增加,地表各项变形值减小。
这是由于开采深度的增加,地表移动盆地范围增大,地表移动盆地变得平缓,因此,地表各项变形值是与采深成反比关系的。
(3)煤层倾角的影响:煤层倾角的大小对地表移动特征有明显的影响。
对于倾斜煤层,地表沉陷盆地移向采空区较深的一端。
在水平及缓倾斜煤层(0～35°)开采条件下,地表下沉盆地为对称的碗形和盘形。
在煤层倾角大于35。
以上,地表下沉盆地为四周非不对称的碗形和盘形。
当煤层倾角大于54°后,下沉盆地剖面形状又转化为比较对称的碗形或兜形。
煤矿开采沉陷防治和控制技术一.沉陷的防治技术途径沉陷破坏的防治技术途径可以从两方面考虑；（1）对开采沉陷的控制，即通过合理选择采矿方法和工艺、合理布置开采工作面、采取井下充填法、覆岩离层带空间充填等措施，来减少地表下沉，控制地表下沉速度和范围，达到保护地表和地面建、构筑物与耕地的目的。
（2）开采沉陷破坏的恢复和整治，运用土地复垦技术和建筑物抗采动变形技术，对开采沉陷破坏的土地进行整治和利用。
1.1.1全部充填开采在煤炭采出后顶板尚未冒落之前，用固体材料对采空区进行密实充填，使顶板岩层仅产生少量下沉，以减少地表的下沉和变形，达到保护地面建、构筑物或农田的目的。
其中水沙充填是充填采煤法中减少地表下沉效果作好的方法，其次是风力充填和矸石自溜充填。
但充填采矿法需要专门的充填设备和设施，还需要有充足的充填材料。
矿井初期投资大，吨煤成本相应的增加。
1.1.2条带开采根据煤层和上覆岩层组合条件，按一定的采留比，在被开采的煤层中采出一条，保留一条。
由于条带开采仅是部分地采出地下煤炭资源，保留了一部分煤炭以煤柱形支撑上覆岩层。
从而减少覆岩移动，控制地表的移动和变形，实现对地面建、构筑物的保护。
但该方法采出率低、巷道掘进多，工作面效率低。
1.1.3覆岩离层带充填根据采空区上方覆岩移动形成三带的岩移特性，在煤炭采出后一定时间间隔内，用钻孔往离层带空间高压注浆，充填，加固离层带空间，将采动的砌体梁结构加固为稳定性较好的连续梁结构，使离层带的下沉空间不再向地表传递，以减少或减缓地表下沉，保护地面建、构筑物或农田。
但该技术难度大，再近一步研究。
1.1.4限厚开采根据矿区地形、水文地质条件和建、构筑物抗变形能力，以不产生地表积水和满足建筑物所要求的保护等级为依据，确定可开采的煤层厚度，开采是仅回采这一厚度的煤，其余各煤层均不开采，以实现减少下沉保护地面建、构筑物及土地的目的。
但该技术采出率低，仅在薄煤层中应用有一定的使用价值。
基于ArcGIS的煤矿开采沉陷预测与可视化分析石秀伟;李晶;赵换新;王凤娇;张瑞娅【摘要】以山东平原矿区某新开发矿区为研究对象,应用基于概率积分法的MSPS 软件对其首采区的开采沉陷情况进行了模拟开采预测；利用ArcGIS强大的空间分析和图形显示功能对预测结果进行了可视化分析和三维立体显示；将预测结果与实际沉陷情况进行了对比,结果表明:预测结果真实地反映了开采沉陷对周围环境的影响范围及影响程度,可为该新开发矿区的采煤塌陷的提前治理及压煤村庄的搬迁选址提供真实、科学的依据.%The mining subsidence at first mining district of a coal mine at Shandong plain mining area was forecast by the Mining Subsidence Forecasting System software based on the probability integral method. The prediction results were analyzed by the 3D model of ArcGIS,which reflected the situation of mining subsidence in the form of Three-dimensional graphics. Compared with the actual situation,the accuracy of the forecast result is verified. It reduces the losses caused by mining subsidence and provides an intuitive and effective basis for controlling mining subsidence.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2012(000)009【总页数】5页(P103-106,166)【关键词】开采沉陷;ArcGIS;概率积分法;可视化分析【作者】石秀伟;李晶;赵换新;王凤娇;张瑞娅【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院【正文语种】中文开采沉陷是一个在时间和空间上都非常复杂的过程。
煤矿开采地表沉陷预测与生态影响评价摘要：贵州作为煤炭资源较为丰富地区之一，地下埋藏的煤层开采以后，上覆的岩层将由于失去支撑而产生移动，且由上而下依次形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，由下至上波及到地表，开采过程中地下水的疏干将加剧这一过程，矿区的岩层移动甚至地表的塌陷是井工法采煤特有的环境破坏问题。
因此对矿山地表沉陷的进行预测，生态环境进行评价，使矿山企业减少了对土地及生态环境的破坏，同时对生态文明建设也具有重要意义。
关键字：煤矿；生态环境；地表沉陷0、矿井概况马幺坡煤矿位于贵州平坝县乐平乡，距平县城28km。
井田可采煤层4层(M8、M9、M12、M14煤层)，平均总厚度5.54m，煤层倾角4º~10º，煤层结构简单，属于稳定煤层。
采用斜井开拓方式。
通过采用LOS卫星多光谱影像，利用REGION MANAGER处理软件编制评价区1/50000生态图件，并进行数据统计。
该矿属于贵阳安顺石灰岩山原常绿栎林常绿落叶混交林及石灰岩植被小区。
土壤为石灰土和黄壤。
该区水土流失类型以水力侵蚀为主，水土流失侵蚀方式为面蚀，属中度流失区。
项目区平均土壤侵蚀模数为1557t/(km2.a)，允许土壤侵蚀模数500t/(km2.a)，土壤侵蚀以轻度侵蚀为主。
1、地表沉陷预测模式与参数确定覆岩沉陷的状况，受覆岩性质、煤层赋存条件、开采深度、采煤方法及地表地形地貌的直接影响。
采用概率积分法进行预测，利用中国矿业大学开发的《矿区沉陷预测预报系统hpMSPS软件》进行计算。
(1)地表移动变形预测模式采用概率积分法作为预测地表移动与变形的模式，其变形与移动的最大值分别由下式计算[5]。
最大地表下沉值Wmax=q﹒m﹒cosα(mm)最大地表倾斜值imax= Wmax /r(mm/m)最大地表曲率值Kmax=±1.52Wmax /r2 (10-3/m)最大水平移动值Umax=b﹒Wmax (mm)最大水平变形值εmax=±1.52 b﹒Wmax /r (mm/m)式中：m—煤层法线采厚，m；q—下沉系数；α—煤层倾角；b—水平移动系数；H—开采煤层距地表垂深(采深)，m；r—主要影响半径，r=H/tgβ ，m；tgβ—主要影响角正切；(2)地表移动参数的确定马幺坡煤矿煤层倾角5º~9º。
开采沉陷的动态过程及基于关键层理论的沉陷模型“三下”采煤最主要的技术难题是开采沉陷的防治技术。
目前,以概率积分法为代表的开采沉陷预计方法可以预计地表充分采动或非充分采动后的各种静态指标,如下沉量、倾斜和曲率等,但不能预计地表移动的整个过程。
开采沉陷对地表建（构）物的损害程度不仅取决于各种指标的最终结果（静态值）,也取决于各种指标的变化过程（动态值）。
因此,研究开采沉陷的动态过程对于沉陷灾害的预防和控制具有重要的理论意义和工程应用价值。
本文以长壁工作面采煤引起的岩层移动和地表沉陷为主要研究对象,采用现场观测、数值模拟、理论分析、数学建模、实测验证等手段,对开采沉陷的动态过程进行了深入的研究和有益的探讨,取得了如下一些进展:1)提出了一种长壁式工作面开采煤层形成的地表下沉盆地及其走向、倾向主断面下沉曲线的拟合函数模型。
模型中参数a、b控制沉陷盆地的范围,参数wm ax、d控制沉陷盆地的深浅及走向、倾向主断面下沉曲线的形状。
实测资料验证,该函数能很好地拟合沉陷盆地主断面下沉曲线,与负指数函数、双曲正切函数模型相比,具有表达形式简单、参数容易取得、拟合程度高等优点。
2)针对较大深厚比（开采深度与开采厚度之比大于25）条件下开采煤层形成矩形采空区的过程,提出了上覆岩层移动形成地表下沉盆地的形态和大小主要决定于离地表最近一层关键岩层的弯曲变形,并且地表下沉量远远小于关键岩层的厚度,关键层的变形符合弹性薄板弯曲变形的学术观点。
3)用弹性薄板理论的半逆解法分别建立了缓倾斜煤层开采和倾斜煤层开采地表下沉盆地的力学模型,推导出了倾斜煤层开采时地表最大下沉点在倾斜方向的坐标公式和形态参数d的计算公式。
4)提出了可描述地表点下沉过程的时间函数模型不仅能较好地拟合w-t曲线,而且由模型求出的v-t和a-t曲线也要符合地表点下沉的客观过程。
从曲线形态、速度和加速度三个方面计算分析了knothe 模型、Gompertz模型、logistic模型、Weibull模型,得出这些模型不能用于描述开采沉陷的动态过程。
煤矿绿色开采复习题1.循环经济的“3R原则”是指减量化原则、再利用原则和资源化原则。
2.地表移动和破坏的主要形式有以下几种地表移动盆地、裂隙与台阶和塌陷坑。
3.我国目前应用最多的两种开采沉陷预计方法是概率积分法和数值模拟法。
4.常用的下沉控制技术包括条带开采、房柱式开采、充填开采和部分充填开采。
5.煤矿开采中遇到的水体类型可分为地表水和地下水。
6.安全煤岩柱可分为防水安全煤岩柱、防砂安全煤岩柱和防塌煤岩柱。
7.典型的疏降水技术措施包括钻孔疏降、巷道疏降和回采疏降。
8.煤矿采前瓦斯抽采技术主要包括地面钻井抽采煤层瓦斯和井下钻孔预抽煤层瓦斯。
9.根据科学采矿要求，煤矿开采的完全成本应包括资源成本、生产成本、安全成本、环境成本和发展成本。
10.影响开采沉陷的地质采矿条件主要包括煤层埋藏条件、覆岩与地层条件和开采技术条件。
11.采动岩层破断规律是绿色开采的主要理论基础，具体包括采动岩层裂隙演化规律、采动岩体应力场分布规律、开采对岩层与地表移动的影响规律和水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律。
12.影响开采沉陷的地质采矿条件主要包括煤层埋藏条件、覆岩与地层条件和开采技术条件。
13.现有开采沉陷预计方法主要包括典型曲线法、剖面函数法、概率积分法和数值模拟法。
14.连续、平缓和渐变的地表下沉和水平移动式铁路下安全采煤的条件。
15.减少开采影响的井下技术措施可分为下沉控制技术和变形控制技术两大类。
16.充填开采方法主要有：水砂充填、膏体充填、矸石充填和高水材料充填等。
17.减少开采沉陷影响的柔性地面措施主要有：设置缓冲沟、设置变形缝和设置滑动层等。
18.根据动力方式分类，矸石直接充填可分为：人工充填、自溜充填、风力充填和机械化充填等四类。
19.煤矿部分充填开采分为：采空区条带充填技术、冒落区注浆充填技术和离层区注浆充填技术等。
名词解释1、充填开采：利用外来的材料如矸石、砂子、碎石、粉煤灰等物料充填采空区，达到控制岩层移动及地表沉陷的目的。
