煤矿开采引起土地沉陷灾害的研究
煤炭开采产生的地表沉陷问题越来越严重。据调查，目前我国每采出1万吨煤炭的地表沉陷就多达4亩，按照我国煤炭年产量13亿吨计算，每年就有50多万亩土地遭到破坏。地表沉陷带来的破坏已经涉及到了工业、农业、交通运输、环境保护、生态平衡等各方面，是急待解决的社会问题和环境问题。兖州矿业（集团）有限责任公司针对煤矿开采引起地面土地沉陷的灾害与有关单位共同开展了研究，取得了一些有实用价值的研究成果。
1 开采与环境研究
1）影响地面变形与沉降的地质因素分析
山东煤田地质局在梁宝寺井田勘探成果的基础上，结合兖州煤矿设计研究院对开拓方案的初步意见，分析了影响地面变形与沉降的主要地质因素，初步评价了主要地质因素与地面变形及沉降速度、范围的关系，为将来煤矿设计、建设和生产阶段的环境保护提供了依据。
影响地面变形与沉降的地质因素有四个：①自然地质因素，包括煤层厚度、煤层埋藏深度、煤层倾角、松散层厚度、埋藏条件的可靠性。②构造因素，包括断层、褶皱因素。③岩石物理力学性质，包括岩石强度、力学性质因素、空隙。④水文地质因素，包括松散层水文条件、矿井排水、地面排水。此外，开采方式以及顶板管理、重复采动等其它因素对地面变形及沉降均有影响。
研究发现：地面变形及沉降的程度、范围与煤层的厚度成正比；煤层埋深与地面变形范围成正比，与地面变形及沉降的深度成反比；煤层倾角越大，岩层移动沿垂直采空区上方下落变形，另外还沿着煤层方向上的岩层面发生剪切移动和岩石下滑，使地面变形与沉降呈现出不对称的形态；当松散层的厚度大于75Wm·tgα的时候（Wm为地表最大下沉值、α为煤层倾角），基岩移动产生的水平移动不能够到达地表。该区第三系底界普遍发育有一层比较厚的粘土岩，其隔水性能好，使松散层形成“二元结构”。随着矿井和地面排水量的增大，松散层中的孔隙水也大量排出，孔隙被严重压实，容易在井筒上形成“蓬—柱状结构”，使井筒发生变形或者破坏。
由于采矿因素是造成地面变形与沉降的主要原因之一，因此在勘探阶段尤其是精查阶段后期，最好要结合矿井设计方案进行地面变形与沉降的预测评价，从而为煤矿建设和生产阶段更好地开展环境保护工作提供可靠的资料。
2）某矿山开采环境地质问题
某矿的各种环境地质问题比较突出。最近，中国矿业大学对水体污染、矿山环境地质灾害、地下水环境异常等开展了专题研究。
该流域的煤炭资源储量丰富，东部已经形成了兖州、济宁、枣滕等矿区，西部的巨野矿区正在开发建设，是华东地区重要的煤炭生产基地。煤炭开采是该流域环境地质问题中的重要影响因素，例如兖州矿区原有
7对生产矿井，塌陷土地面积已经超过4000。煤矿开采以后的土地塌陷不仅改变了矿区的地形地貌，
同时也改变了地表水与地下水的相互作用（补给和排泄）方式，加速了地下水的污染，因此对其进行复垦与生态重建工作是十分重要的。矿区煤矸石的堆放及煤炭运输过程中的粉尘污染极大地恶化了南四湖流域的空气质量。煤层伴生有害元素的迁移也对矿区的土壤和地表、地下水造成了一定程度的污染。但是，煤炭的开采对于减缓南四湖的退化有着积极的意义。南四湖的形成及演化受到西部黄河和东部河流泥沙淤积的重要影响。山洪和径流给湖东的丘陵带来了大量的泥沙，湖西平原的排洪河道引黄退水亦带来大量的泥沙。由于泥沙的大量淤积，使得南四湖的湖容逐渐减少。南四湖湖区的煤炭储量达到92亿t。煤炭开采引起湖区大面积的地面沉降，从而减缓了南四湖的淤积进程。据兖州矿区的资料，平均开采煤炭综合塌陷率
为0.251/万t，塌陷区呈盆地状，最大下沉量6~8m。若煤炭采出量为储量1/3、平均下沉量按照2m
，即南四湖的湖容可增加这么多。
来估算，则塌陷体积为15.39×
此项研究提出：严格对流域内各种矿山的管理，实施综合环保计划，加强煤矸石的资源化利用和塌陷地的土地复垦与生态重建工作，改善矿区的环境。
3）老采空区地基稳定性有限元模拟研究
地下开采导致上覆岩体冒落、断裂和弯曲，使岩体的承载能力降低，造成老采空区上方建筑地基的承载力下降；在建筑物荷载的作用下，处于相对平衡状态的冒落带、断裂带岩体可能重新“活化”，使地基的沉陷量增大。为此，兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿开展了老采空区地基稳定性的有限元模拟研究，利用建立的二维有限元数值分析模型研究建筑物的位置、大小及老采空区的采深、采厚对建筑物地基沉陷的影响。
为研究建筑物重量对地基沉陷规律的影响，他们利用8台平面模型MO1～MO8，分别模拟了建筑物载荷为10t/m、15t/m、30t/m和60t/m 情况下，建筑物位于采空区中央、与采空区边界上方引起的地基移动和变形。此外，为了研究不同采厚对地基沉陷规律的影响，他们还设计了采厚为2m、5m和7m三组模型，其中的冒落带和断裂带发育高度按经验公式确定。
此项研究的结论是：
①一般说来，地下采空区的存在对建筑物地基沉陷规律有一定的影响，同时也存在对其产生影响的临界深厚比，超过这个深厚比之后，地下采空区存在与否对建筑物地基沉陷规律无影响。
②随着建筑物重量的增加、采深变浅、采厚增大，建筑物地基的沉陷量也增大，采空区边界效应减弱，移动变形曲线趋于对称。
③建筑物位于老采空区中央上方时，各移动变形曲线均具有对称性；位于采空区边界上方时，失去对称性，不均匀沉降量增加。
④多煤层开采条件下，建筑物位于采空区上方时，不受边界效应的影响；但建筑物位于采空区边界上方时，受边界影响较大；上下两煤层采区边界错开，建筑物地基沉陷不均匀性增大，对保护建筑物不利。
2 开采地表移动的研究
1）某矿前期开采的地表移动观测研究
近几年来，兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿通过对前期开采地表移动的观测研究，得出了该矿独立工作面非充分开采时的初步地表移动参数。
某煤矿位于济东煤田的中部，是该煤田首先开发的一对特大型矿井。井田范围内地势平坦，有自然村庄56个，京杭大运河等5条河流流经整个井田，邹城至济宁的公路穿过井田北部，还有6条高压输电线路穿过井田中部，所以开展地表移动观测研究是十分必要的。此项研究的目的是获得矿井具体地质采矿条件下倾斜长壁垮落式综采或者综放时的地表移动和变形规律，确定本矿区地表移动与变形的主要参数，为矿井“三下”采煤、留设保安煤柱、综合治理塌陷区及为整个煤田开展地表移动观测工作提供依据和参考。济二矿前
期按照时间顺序开采1306、1302、4302三个工作面，其特点是开采宽度小、深度大、
周边均未开采，属于长条式非充分采动。在3个工作面布置了3个观测站，共设置6条观测线、300多个测点，独立水准测量59次、全面观测13次，获得测点高呈及坐标原始数据近万个。
从工作面地表移动观测站观测资料的最后整理与分析中可以看出，济二矿在前期开采条件下，进行单面开采时影响到地表的岩层移动角为71°左右、边界角为60°左右，主要影响角正切值为1.4～1.8，拐点偏移距为0.07H（H为采深），影响传播角为90°-0.5α（α为煤层倾角），下沉系数大约为0.5～0.6。
此项研究也指出：前期开采所求得的地表移动参数仅仅适用于类似开采条件下的计算，济宁二号煤矿各种采矿条件下适用的计算参数还有待于矿井大面积回采以后的继续观测研究分析确定。
2）厚松散层条件下条带工作面开采的地表移动与变形规律
某矿业（集团）公司杨村煤矿为研究条带综采放顶煤开采及在150~300m特厚松散层（松散层厚占采深60%~80%）情况下地表移动与变形规律，在TD302（条带）工作面上方建立了地表岩移观测站，取得了类似地质采矿条件下地表移动与变形规律，其观测结果与经验对类似地质采矿条件下保护煤柱留设、岩移参数预计及\三下\压煤开采都具有重要参考价值。
由于TD302工作面在垂直于工作面推进方向为极不充分采动，故不再设沿工作面推进方向的观测站。在工作面上方地表泗河东堤外公路边（距切眼170m）设置一条和工作面推进方向近于垂直的南北走向线（东
