煤礦采空區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)研究

李宗華

摘 要：伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的全面發(fā)展，我國(guó)的煤炭開(kāi)采行業(yè)也取得了非常大的發(fā)展。在我國(guó)煤炭開(kāi)采的過(guò)程中，會(huì)面臨非常多的問(wèn)題，其中較為重要的一個(gè)問(wèn)題就是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的煤層穩(wěn)定性問(wèn)題研究。如果在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中沒(méi)有對(duì)開(kāi)采區(qū)的煤層穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真的勘探以及研究，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的煤礦開(kāi)采安全事故，因此文章主要針對(duì)煤礦空采區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析以及闡述，希望通過(guò)文章的闡述能夠?yàn)槲覈?guó)煤礦采空區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)分析貢獻(xiàn)一份力量，同時(shí)也為我國(guó)煤礦行業(yè)的進(jìn)一步提升貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：煤礦；地質(zhì)特點(diǎn)；采空區(qū)；煤層

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0165-02

在我國(guó)煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，針對(duì)煤層穩(wěn)定性的研究目前還是處在一種定性的研究階段，煤層穩(wěn)定性的定量研究雖然在我國(guó)的煤礦開(kāi)采過(guò)程中有一定的研究，但是取得的成果還沒(méi)有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)煤層穩(wěn)定性作出數(shù)量依據(jù)。煤層的穩(wěn)定性問(wèn)題在普通煤層中的研究還沒(méi)有完全得到解決，在煤礦采空區(qū)就更加的困難。煤礦的采空區(qū)在結(jié)構(gòu)上更加的復(fù)雜，因此作出定量的煤層穩(wěn)定性分析也是非常困難的。目前在我國(guó)煤礦開(kāi)采的過(guò)程中由于采空區(qū)造成的一系列問(wèn)題顯得尤為突出，我國(guó)很多的區(qū)域都存在采空區(qū)，同時(shí)大多數(shù)的采空區(qū)沒(méi)有得到及時(shí)的處理，這樣就為我國(guó)煤礦建設(shè)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患，我們需要有針對(duì)性的策略來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，保障建設(shè)工程的安全。

大多數(shù)的煤礦開(kāi)采工作結(jié)束之后，都會(huì)留下大量的地下采空區(qū)。煤礦采空區(qū)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問(wèn)題。首先是采空區(qū)會(huì)出現(xiàn)地面下沉的問(wèn)題，其次是采空區(qū)會(huì)出現(xiàn)地面裂縫以及民用耕地?fù)p壞問(wèn)題，最后是采空區(qū)對(duì)于地面上的建筑工程也是一種非常嚴(yán)重的安全隱患。采空區(qū)同時(shí)對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境也存在一定的破壞能力。目前我國(guó)對(duì)煤礦采空區(qū)的研究主要有兩種方式，首先是通過(guò)對(duì)以前文獻(xiàn)資料的相關(guān)查詢，其次是對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行鉆探研究，但是目前這兩種方式對(duì)于煤礦采空區(qū)的確切位置以及確切形態(tài)都沒(méi)有一個(gè)非常明確和科學(xué)的判斷。目前我國(guó)很多的地質(zhì)學(xué)家都在對(duì)煤礦采空區(qū)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行勘探和研究，并且在一定程度上取得了成果。根據(jù)目前最先進(jìn)的勘探技術(shù)，我國(guó)煤炭采空區(qū)的勘探研究主要有三種方法，首先是采用順變電磁的方法來(lái)進(jìn)行煤礦采空區(qū)的地質(zhì)研究，其次是采用淺層地震的方法來(lái)進(jìn)行煤礦采空區(qū)地質(zhì)研究，最后是采用高密度電法對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行地質(zhì)研究。在實(shí)際的煤礦采空區(qū)地質(zhì)研究勘察過(guò)程中，可以根據(jù)不同的地質(zhì)情況進(jìn)行相應(yīng)的勘探方法應(yīng)用，很多時(shí)候都是三種方法相互合作應(yīng)用來(lái)對(duì)煤礦的采空區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察。同時(shí)在我國(guó)的采空區(qū)勘察的過(guò)程中，還有物探法，CT法以及地質(zhì)雷達(dá)法等多種方法，但是這些方法在主流的采空區(qū)地質(zhì)勘察中使用的并不是非常多，取得的效果也在驗(yàn)證的過(guò)程中。

在煤礦采空區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)勘探研究過(guò)程中，能否取得滿意的勘探結(jié)果，主要取決于煤礦地質(zhì)的實(shí)際條件。煤礦的地質(zhì)條件在勘探的過(guò)程中主要分為兩種，首先是表層的煤礦地質(zhì)條件，其次是深部煤礦地質(zhì)條件。在勘探的過(guò)程中，不同的地質(zhì)條件對(duì)于勘探的結(jié)果也有非常大的影響，同時(shí)不同地段的勘探區(qū)域，對(duì)于地質(zhì)勘探的結(jié)果也有非常大的影響。因此我們?cè)诿禾坎煽諈^(qū)地質(zhì)特點(diǎn)勘察的過(guò)程中要認(rèn)真的分析現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)的具體地質(zhì)條件來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的勘探，這樣的勘察結(jié)果較為準(zhǔn)確。

對(duì)于煤礦采空區(qū)來(lái)講，表面地質(zhì)條件主要包含了兩個(gè)問(wèn)題，首先是采空區(qū)的地形條件，其次是采空區(qū)的地表分化條件等。這些表面地質(zhì)條件對(duì)于采空區(qū)的地質(zhì)勘察來(lái)講非常的重要，在勘察的過(guò)程中不同的地質(zhì)條件對(duì)于地質(zhì)勘察的動(dòng)力學(xué)會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，更為嚴(yán)重的是會(huì)影響地質(zhì)的剖面精度。在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，煤炭?jī)?chǔ)量的不斷降低會(huì)導(dǎo)致煤礦采空區(qū)的出現(xiàn)，煤礦采空區(qū)的出現(xiàn)在很大程度上能夠影響周邊地質(zhì)的平衡性，讓原有的地質(zhì)平衡受到破壞，針對(duì)這樣的破壞問(wèn)題，我們根據(jù)采空區(qū)的巖石變形以及破壞程度可以分為三種情況。首先是采空區(qū)導(dǎo)致的原地質(zhì)塑性擠出變形破壞，其次是采空區(qū)導(dǎo)致的原地質(zhì)膨脹內(nèi)鼓變形破壞，最后是采空區(qū)導(dǎo)致的重力塌陷變形破壞，這三種破壞形式都非常嚴(yán)重，其中重力塌陷破壞最為嚴(yán)重。采空區(qū)的地質(zhì)為了有效的平衡應(yīng)力，會(huì)逐漸的轉(zhuǎn)移地質(zhì)巖體，通過(guò)地質(zhì)巖體的移動(dòng)來(lái)改善該地區(qū)的地質(zhì)平衡問(wèn)題。因此通過(guò)相互之間的巖石移動(dòng)，采空區(qū)會(huì)出現(xiàn)局部空腔或者是局部填充的情況，這是煤礦采空區(qū)的一個(gè)主要的地質(zhì)特點(diǎn)。

在煤礦采空區(qū)中，回采空間的存在會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)周邊存在一定的應(yīng)力集中情況，而且根據(jù)實(shí)際的勘察能夠發(fā)現(xiàn)，這種應(yīng)力集中能夠有效的將應(yīng)力傳遞至底板的深處。在煤礦采空區(qū)巖層變化的主要形式有三種，首先是煤礦采空區(qū)上方的巖石塌落。在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中由于煤層的開(kāi)采，導(dǎo)致煤礦采空區(qū)的上層巖石在外重力的影響下，出現(xiàn)一定的變化，一旦外在重力超出了巖石的受力強(qiáng)度極限，就會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)巖石的塌陷和破裂問(wèn)題的出現(xiàn)。其次是煤礦采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)裂縫和間隙。這種情況由于巖石的結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到根本性的破壞，也沒(méi)有遭受連續(xù)性的破壞，因此煤礦采空區(qū)上覆的巖層不會(huì)出現(xiàn)塌陷和脫落的情況，但是會(huì)出現(xiàn)裂縫以及間隙，這種地質(zhì)特點(diǎn)也是有一定的安全隱患的，我們?cè)趯?shí)際的勘探過(guò)程中，也要給予重視。最后是煤礦采空區(qū)上覆巖石出現(xiàn)的彎曲情況。這種情況的出現(xiàn)主要是因?yàn)槊旱V開(kāi)采的過(guò)程中開(kāi)采直徑或者是開(kāi)采范圍較小，但是開(kāi)采的深度較大造成的。這種情況的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致煤礦采空區(qū)出現(xiàn)一定程度上的移動(dòng)，但是這種移動(dòng)不會(huì)對(duì)地表造成嚴(yán)重的影響。但是需要注意的是當(dāng)煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，出現(xiàn)開(kāi)采區(qū)域較大同時(shí)開(kāi)采深度較深的情況，就會(huì)導(dǎo)致煤礦采空區(qū)的移動(dòng)危及地表，造成較為嚴(yán)重的安全問(wèn)題。這樣的情況會(huì)造成地表下沉，地表下沉過(guò)程中影響的范圍在地質(zhì)學(xué)中稱為下沉盆地，在煤礦開(kāi)采區(qū)成為塌陷區(qū)。一旦出現(xiàn)煤礦開(kāi)采區(qū)間足夠大的情況，即使再堅(jiān)硬的巖石都有可能受到應(yīng)力的影響出現(xiàn)裂縫或者脫落問(wèn)題。當(dāng)煤礦開(kāi)采完畢，形成的采空區(qū)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的地質(zhì)問(wèn)題，同采空區(qū)較為臨近的地質(zhì)就會(huì)受到嚴(yán)重的地質(zhì)平衡破壞，這一區(qū)域的巖石會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)和脫落問(wèn)題，在巖石移動(dòng)或者脫落的過(guò)程中，巖石之間的應(yīng)力會(huì)相互轉(zhuǎn)移，造成大面積的巖石塌陷問(wèn)題出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)了大面積的巖石塌陷問(wèn)題，采空區(qū)的一部分空間會(huì)被塌陷的巖石填充，這樣就會(huì)造成更為嚴(yán)重的地質(zhì)平衡破壞問(wèn)題，只有采空區(qū)的塌陷區(qū)間被填滿之后，地質(zhì)平衡才能夠有效的回升，逐漸的回復(fù)地質(zhì)平衡。在這一過(guò)程中，由于采空區(qū)的上層巖石移動(dòng)變形，會(huì)改變個(gè)別地質(zhì)的性質(zhì)，我們根據(jù)實(shí)際情況可以分為三個(gè)區(qū)帶。首先是采空區(qū)的地質(zhì)冒落帶，這一區(qū)間主要是指采取空上部的巖石由于重力的影響導(dǎo)致的破碎，堆積以及冒落而形成的一個(gè)地質(zhì)區(qū)段，這一區(qū)段的范圍主要是根據(jù)采空區(qū)使用的采礦方法以及巖石的膨脹特性決定；其次是采空區(qū)的地質(zhì)裂隙帶，這一區(qū)段主要是指在采空區(qū)冒落帶上方同采空區(qū)連接的一個(gè)區(qū)段，這一區(qū)段的地質(zhì)巖石雖然受到了一定程度的破壞，但是沒(méi)有受到連續(xù)性的破壞，因此這一區(qū)段相較于冒落段相對(duì)穩(wěn)定。這一區(qū)段由于受到了較大的外加應(yīng)力，因此會(huì)出現(xiàn)一定程度的變形，彎曲變形的存在也會(huì)造成地質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，能夠在很大程度上影響地質(zhì)巖石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。最后是采空區(qū)的彎曲帶。這一區(qū)段主要是指裂隙巖石到表面之間的間段。伴隨著煤礦采空區(qū)的采礦空間不斷加大，采空區(qū)的上層覆蓋巖石會(huì)受到一定程度上的破壞和強(qiáng)度減弱，同時(shí)在這一區(qū)段，巖石裂縫會(huì)逐漸的消失，造成大面積的巖石變形和移動(dòng)，但是這一區(qū)間的巖石還是一種原始的巖石結(jié)構(gòu)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)上并沒(méi)有受到太大的破壞，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)一系列平穩(wěn)的移動(dòng)和變形。

由于采空區(qū)的存在，會(huì)產(chǎn)生二次應(yīng)力場(chǎng)而導(dǎo)致了采空區(qū)上覆巖層塌陷，使得地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，當(dāng)煤層為傾斜煤層時(shí)，地表呈現(xiàn)嚴(yán)重的非連續(xù)性破壞產(chǎn)生松脫地壓，往往出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑，當(dāng)開(kāi)采傾斜和急傾斜礦層時(shí)，存在以下幾種移動(dòng)形式：（1）垮落巖石下滑礦層采出后，為采空區(qū)上覆巖塊所充填。如果礦層傾角較大，上部垮落的巖石下滑充填下部采空區(qū)?？迓鋷r石下滑后，其上部巖石失去支撐而垮落，造成垮落和裂隙向上發(fā)展。（2）巖石沿層理方向滑移，在巖層傾斜的情況下，由于自重方向不與巖層層面垂直，在自重作用下，巖體除發(fā)生垂直于層理面方向的彎曲外，還產(chǎn)生沿層理面方向的順層滑移。（3）底板巖石隆起，當(dāng)?shù)乇韼r石軟弱且傾角較大時(shí)，在礦體采出后，周圍巖體應(yīng)力平衡條件發(fā)生了變化，采空區(qū)多以殘留雜物和空洞構(gòu)成，地下水作用十分強(qiáng)烈，使其力學(xué)性能降低。采空區(qū)引起的嚴(yán)重問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)家高度重視，治理工作正在全面展開(kāi)。

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