煤礦礦區(qū)地面塌陷成因及控制措施研究

劉 春 劉 上 李 超

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331)

地面塌陷是指通過地下施工的手段將地下賦存的礦石巖土開采運(yùn)移至地面后，原礦石巖土存在的區(qū)域臨空成為采空區(qū)，導(dǎo)致周圍圍巖應(yīng)力重新分布再平衡過程中出現(xiàn)破壞，上覆巖體涌入采空區(qū)，巖土體應(yīng)力重新分布并調(diào)整到新的平衡過程中,采空區(qū)之上的上覆巖土層發(fā)生位移變形形成凹陷盆地、漏斗狀地洞和臺(tái)階狀斷裂的現(xiàn)象[1]。地面塌陷會(huì)導(dǎo)致房屋墻壁開裂，耕田破壞，產(chǎn)生長期積水區(qū)，對鐵路、公路造成割裂性破壞，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活及交通出行，造成巨大財(cái)產(chǎn)損失和生命安全威脅。地面塌陷形成原因眾多復(fù)雜，并且受圍巖性質(zhì)、地形地勢、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、自然降雨及人類活動(dòng)等多方面因素影響。本文依靠重慶市教委科研資助項(xiàng)目，以山東省新泰市煤礦采空區(qū)地面塌陷為研究對象，深入研究該地區(qū)導(dǎo)致地面塌陷的影響因素，并對重慶地區(qū)采空區(qū)地面塌陷控制措施制定提供借鑒。

1 塌陷區(qū)狀況

根據(jù)《山東省新泰市煤礦采空區(qū)調(diào)查評價(jià)報(bào)告》，全市受災(zāi)情況如表1所示。

從表1中可以得出，該地區(qū)地面塌陷范圍較大，類型主要為地面沉降及塌陷坑，具有典型的塌陷區(qū)特點(diǎn)。地面塌陷給當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚a(chǎn)生活帶來極大影響，并且給當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成不可修復(fù)的破壞，因此對該地區(qū)地面塌陷形成原因進(jìn)行探究分析是具有現(xiàn)實(shí)意義的。本文擬采用事故樹分析方法對該地區(qū)地面塌陷原因進(jìn)行分析，并提出控制措施。

事故樹分析法是將某一個(gè)已發(fā)生的事故作為頂上事件，通過逐層深入剖析，自上而下找出導(dǎo)致不良結(jié)果的所有因素。事故樹分析法是一種通過由果找因的方式，一方面它能夠找出引發(fā)事故的最直接原因，另一方面也能揭露事故發(fā)生的間接原因[2-3]。通過對最小割集和結(jié)構(gòu)重要度[4]求解分析，得到煤礦采空區(qū)地面塌陷原因集合。

表1 新泰市地面塌陷情況統(tǒng)計(jì)表

2 實(shí)例應(yīng)用

（1）建立事故樹模型

通過查閱前人資料和對近幾年事故的分析，在對地面塌陷事故有充分了解后，依照事故樹編制的原則方法，建立地面塌陷事故樹模型，如圖1所示，地面塌陷基本事件如表2所示。

從圖1地面塌陷事故樹模型中可以得出導(dǎo)致地面塌陷事故發(fā)生的主要因素可以分為4類：

①水的破壞A1：X1超量抽取地下水、X2強(qiáng)降雨、X3地表水倒灌；

②采礦破壞A2：X4開采厚度過大、X5開采深度較淺、X6重復(fù)開采、X7爆破震動(dòng)、X8冒頂片幫、X9放頂煤過多、X10煤柱預(yù)留少、X11采空區(qū)未回填；

③地質(zhì)構(gòu)造薄弱A3：X3地表水倒灌、X12上覆巖層軟弱、X13煤層傾角較大、X14毗鄰地下水源；

④地下溶洞頂板破壞A4：X15人為破壞、X16水侵蝕。

圖1 事故樹模型

表2 基本事件表

（2）最小割集計(jì)算

本文中的最小割集表示了導(dǎo)致地面塌陷的基本事件集合，每一個(gè)最小割集都是一種導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的途徑。采用布爾代數(shù)化簡法對事故樹的最小割集進(jìn)行計(jì)算求解,結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計(jì)后如表3所示。

通過分析表3的最小割集可得到如下結(jié)果：

①地面塌陷是多種相互影響的因素在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)共同作用下產(chǎn)生的，并不是僅由單一因素所造成。經(jīng)分析計(jì)算，該事故樹的最小割集數(shù)量為42個(gè)。

②最小割集中元素?cái)?shù)量越少，其對頂上事件發(fā)生的影響越大，在地面塌陷事故樹中3個(gè)元素組成的地面塌陷最小割集的數(shù)量有6個(gè)，4個(gè)元素組成的地面塌陷最小割集的數(shù)量有6個(gè)，5個(gè)元素組成的地面塌陷最小割集的數(shù)量有15個(gè)，6個(gè)元素組成的地面塌陷最小割集的數(shù)量有6個(gè)，7個(gè)元素組成的地面塌陷最小割集的數(shù)量有9個(gè)，經(jīng)計(jì)算得出，其中影響度最大的3元素、4元素及5元素的最小割集的數(shù)量有27個(gè)，占總數(shù)的64.3%，說明該地區(qū)地面塌陷的可能性較大，需要長期監(jiān)測控制。

（3）結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度排序能夠直觀地反應(yīng)基本事件對頂上事件的影響大小，通過分析排序，得到事故發(fā)生的主要因素，本文采用如下公式計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度。

式中：

IΦ(i)—第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；

Kj—第j個(gè)最小割集；

nj—第i個(gè)基本事件所在的第Kj最小割集中的基本事件個(gè)數(shù)總和；

K—最小割集的數(shù)量；

Xi—第i個(gè)基本事件。

根據(jù)上述公式得到基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排列順序?yàn)椋?/p>

通過對基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序分析，得到以下結(jié)果：

①基本事件結(jié)構(gòu)重要度越大，表示該基本事件發(fā)生時(shí)對頂事件產(chǎn)生的影響越大。分析結(jié)果為“超量抽取地下水”這一基本事件是重要度最大的基本事件，說明超量抽取地下水是導(dǎo)致地面塌陷的主要因素，通過增加多種供水渠道，減少地下水抽取是預(yù)防地面塌陷的有效手段。

②從整體重要度排序結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)產(chǎn)生的破壞影響超過地質(zhì)構(gòu)造本身的影響，這就說明超量抽取地下水、采礦活動(dòng)、地下空間開挖等人類活動(dòng)是導(dǎo)致地面塌陷的直接原因，地質(zhì)構(gòu)造薄弱是導(dǎo)致地面塌陷的根本原因。

3 地面塌陷事故防控策略

通過對地面塌陷事故的分析結(jié)果中可以看出，地面塌陷事故的發(fā)生是由眾多因素共同作用的結(jié)果，單一因素并不能導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此在制定事故預(yù)防措施時(shí)應(yīng)從各個(gè)因素角度出發(fā)，綜合考量制定事故防控策略。

（1）抽取地下水時(shí)應(yīng)考慮地下水位對上覆巖層穩(wěn)定性的影響，不能無限制抽取地下水導(dǎo)致地下出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。

（2）在開發(fā)地下溶洞旅游資源時(shí)，應(yīng)注意溶洞頂板的加固工作，同時(shí)做好地面排水設(shè)施的管理，防止強(qiáng)降雨時(shí)地表水倒灌。

（3）在開采地質(zhì)構(gòu)造薄弱的煤層時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃采煤工藝，采煤厚度要適中，采煤深度不宜過淺，避免重復(fù)開采。

（4）采煤過程中應(yīng)預(yù)留足夠的煤柱作為支撐，同時(shí)采空區(qū)必須做回填處理，可采用矸石回填，或者采取注漿加固等手段。

（5）對于塌陷地區(qū)應(yīng)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，長期監(jiān)測地表變形位移量，加強(qiáng)隱患點(diǎn)巡查，做到提前發(fā)現(xiàn)、提前通知、提前治理。

4 結(jié)語

本文以地面塌陷事故為研究對象，結(jié)合具體塌陷區(qū)實(shí)際情況，構(gòu)建事故樹模型，對地面塌陷事故原因進(jìn)行了探究，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）運(yùn)用事故樹對地面塌陷原因進(jìn)行深入分析識(shí)別，識(shí)別出導(dǎo)致地面事故發(fā)生的主要因素，并歸納為水的破壞、采礦破壞、地質(zhì)構(gòu)造薄弱及地下溶洞頂板破壞5種。

（2）通過對事故樹最小割集和結(jié)構(gòu)重要度分析，可以發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)產(chǎn)生的破壞影響超過地質(zhì)構(gòu)造本身的影響，說明超量抽取地下水、采礦活動(dòng)等人類活動(dòng)是導(dǎo)致地面塌陷的直接原因，地質(zhì)構(gòu)造薄弱是導(dǎo)致地面塌陷的根本原因。

（3）本文通過事故樹由果找因的方法，得到較為全面的地面塌陷的原因，通過地面塌陷事故進(jìn)行事故樹分析，得到的分析結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，證明該方法在地面塌陷事故防治領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。