采空区地面塌陷地质环境影响预测与综合评价

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【摘要】煤炭资源是我国重要的能源保障，在国民经济中扮演着重要的角色，不仅是重要的能源还是重要的工业原料。然而长期以来，矿山经营者片面追求经济效益，环境保护意识淡薄，大量的矿山无序过度开采，煤矿区环境地质问题日趋严重，解决煤炭资源开发与地质环境保护之间的矛盾迫在眉睫。因此对煤矿开采形成的采空区进行地质环境影响预测和评价分区，为矿区的日常生活生产提供科学的矿山地质环境保护与治理，具有重要的理论价值和实际意义。本文利用概率积分法和 GIS 相结合的方法，对中国北部矿区开采后的采空区沉陷和影响范围进行了预测，预测矿山开采后区内最大沉陷和地表变，并提出防治办法。

【关键词】采空塌陷；Gls；概率积分法；GIS

中图分类号：F407.1

1研究背景

煤矿采空区塌陷地质灾害，不仅会导致土地资源和地貌景观破坏、建筑物受损、交通道路变形、地下水位污染下降、遗漏，还会诱发次生地质灾害如崩塌、滑坡、泥石流等，甚至会诱发地震，给矿区及周边居民的正常生产、生活带来了许多不便，严重影响着当地的人身和生命财产安全，也对矿区的地质环境造成了严重破坏。 故本文以采空区地面塌陷地质环境影响预测与综合评价为主要研究内容，对矿区地表变形和沉降进行预测分析

2.1 采空塌陷定义与形成机制

采空塌陷是一个复杂的地质力学和地质体形变的过程，是指地下煤层采出后，上部覆岩、覆土失去支撑，矿体上部覆岩的力学平衡被打破，覆岩岩石力学性质随之发生变化，在重力和应力作用下重新调整，随之发生弯曲变形、断裂、位移，导致地面塌陷下沉，并形成地表低洼的沉陷地。

2.2采空区的形成及地表塌陷规律

矿山开采形成的采空区打破了地壳内岩土体原有的应力平衡，为了达到新的应力平

衡，于是在采空区周围的岩土体中会产生应力重新分布，在这个过程中采空区周边的岩

土体在某些区域会形成应力集中，而在另一些区域会形成应力松弛。根据采空区周边岩

土体性质不同，会产生不同的地压，随着矿山的开采，采空区将发生多次应力重分配，

一旦应力集中超过了岩土体的极限应力强度，就会发生变形破坏[1]，甚至发生岩爆现象，使得地表发生一系列的变形和破坏，最后在地表形成下沉盆地，使得矿区的地质环境受到了严重的影响和破坏，甚至引发地质灾害。

随着开采活动的进行，当采空区面积发展到一定的规模，岩土体的移动和变形就会

影响到地表，这一在地表产生移动和破坏的过程叫地表移动。当采矿活动结束之后，地

表变形和移动也会慢慢趋于稳定，这样就会在采空区的上方的地表形成一个塌陷区域，

即为最终移动盆地。

矿区开采地表沉陷变形的特点主要表现在以下几个方面：

（1）地表下沉是逐步形成的，要经历较长的时间；

（2）开采下沉造成地形坡度变化只发生在采空区边界上方，只是局部区域；

（3）开采产生的地表裂缝，特别是一些较大的裂缝，主要发生在开采边界处，破

坏了原始地貌的完整性，造成与周围自然景观的不协调，对生态景观有一定的负面影响。

（4）位于沉陷区边缘，特别是地表下沉引起的倾斜和原始地形本身倾斜方向一致

时，该区域内较高大的树木会产生明显歪斜[2]。

2.3采空区地面塌陷影响预测

本文根据矿区实际情况拟采用概率积分法和 GIS 相结合的方法，对矿区地面塌陷进行预测分析。本次预测只进行稳态预测，并将重点对首采区的地表变形进行分析，对全井田仅进行地表下沉估算。通过分析预测可以看出煤矿开采后，矿区含煤层范围内几乎都有沉降，其中沉降最大的地方发生在矿区的中部；就各个盘区而言，煤矿开采形成的采空区在各个盘区的中心位置沉陷最大，往四周方向发展沉陷逐渐变小最后趋于稳定。就影响和破坏的厉害程度而言，沉陷最大的地方破坏最严重。总之矿山开采对矿区的地质环境影响还是相当的严重。

3 采空区地面塌陷引发地质环境问题预测

3.1主要含水层结构破坏预测

采空区地面塌陷形成的导水裂隙带，能使开采煤层围岩含水层结构破坏。地下的煤炭资源开采出来之后，会形成一个空洞，使得原有的应力平衡被打破，为了达到新的应力平衡周围的岩土体就会发生位移，变形乃至破坏.

3.2 地面塌陷对地形地貌影响预测

采空区地面塌陷形成的地表沉陷影响可以通过深厚比（H/m）作为粗略估计。深厚

比越大，地表移动变形越小，移动和变形就越平缓；深厚比越小，地表移动和变形就越

剧烈，在深厚比很小的情况下，地表有可能出现大裂缝、台阶状断裂。甚至出现塌陷坑。

3.3地表沉降对水土流失的影响预测

矿山开采后水土流失的表现形式主要为滑坡，滑坡使得井田内部分区域的水

土流失加剧，另外由于地表沉陷加大了地表坡度，使得径流量增大，床刷也随着增大，

从而引发水土流失和加重土壤侵蚀强度。

区域地下水位预测

3 矿山地质环境治理与防治对策研究

根据采空区影响下矿山地质环境评价结果，结合矿区的实际情况，建议采用政策制度措施和工程措施相结合的方法，对矿区未来开采出现的矿山地质环境问题进行治理和防治。

政策制度措施：加强矿山地质环境保护工作的组织与领导；加强矿山地质环境保护的制度建设；加强对职工矿山地质环境保护知识的宣传、教育，努力提高职工的环保意识；确保矿山地质环境保护与地质灾害治理经费的投入。

工程措施：在矿产资源的开发和利用过程中，应该始终贯彻“预防为主，防治结合”的方针，根据矿区的特点因地制宜，最大限度地减少或避免矿产开发引起的矿山地质环境问题，建设绿色矿业的原则。

4 展望

众所周知，我国煤炭资源丰富，在中国国民经济建设中起着重要的基础性作用，但由于体制管理和历史等方面的原因 煤炭资源的开发利用在为国家社会经济发展做出巨大贡献的同时也破坏了矿区土地资源 诱发了地质灾害污染了矿区环境。严重的矿山环境地质问题不但影响着中国煤炭资源的持久开发利用和与环境保护的协调发展 而且严重危及地区社会的和谐与稳定。因此，从区域范围内开展大尺度、多层次、全方位的煤炭资源开发与环境保护一体化的研究有着重要的理论意义，相关的研究领域内在未来很长一段时间依然是值得人们关注的前沿领域。

【参考文献】

[1] 刘立民.基于 GIS 的开采损害评价系统与方法研究 [D]，博士论文，2000；

[2] 郭达志，盛业华等.地理信息系统基础与应用[M]，北京：媒炭工业出版社：1997