1.本发明涉及地质灾害及地质环境问题防治技术领域，具体涉及一种煤矿采空区沉降量测算方法。
背景技术：
2.早在1995年，我国的煤炭产量已超过12亿吨，居世界第一，2020年度全国原煤产量达38.4亿吨。煤炭资源开发利用大多属于地下开采方式，基于煤炭资源的地下开采，势必会形成一定范围的地下煤矿采空区。据行业专家推测，当煤炭产量达到2亿吨时，每年会产生80～100km2的煤矿采空区。各地煤矿资源的地下开采留下了大量的采空区，这些采空区分布范围面积广，区域地质条件不一，而且位于地面以下的埋深及采空空间差异性也较大。而随着时间的推移，这些煤矿采空区会引发地面沉降、地表塌陷、地裂缝等地质灾害及矿山地质环境问题，也对地表建（构）筑物、铁路、公路、河道及地下管道造成了严重的危害。随着我国经济的快速发展，煤炭工业也发展迅速，煤炭采矿空区所引发的环境地质问题更是日趋严重。从长远来看，随着采空区面积的不断扩大，严重制约国土空间规划及城市与乡村建设的发展。因而从根本上解决和治理煤矿采空区问题已经是当前现实和形势的迫切需要。
3.其中，采空区沉降量测算是煤矿采空区稳定分析和评价的重要内容，也是确定采空区危害程度的一种定量方法，其可靠性、准确性和可操作性直接关系到采空区稳定性评价的精度和治理质量效果。目前，采空区沉降量计算一般是采用flac数值模拟计算方法，即根据采空区塌陷冒落带的力学特征，利用物探、钻探获得的岩体参数，将岩体假定为理想的线弹性介质，计算煤矿等固体资源采空后所产生的沉降量。然而实际情况是，由于地下地质条件复杂，采空塌陷情况又受开采历史、开采方式、支护型式、地下水情况等诸多因素影响，且采空区上覆岩体岩土参数也不易准确获得；因此，理论计算和实际发生的沉降量往往存在较大的出入；另外，这种理论计算沉降量计算的是预计总沉降量，对于即将进行工程建设的煤矿采空区来说，显然没办法区分已经发生沉降量和将要发生的沉降量各是多少。在煤矿采空区稳定性调查与评价中，也常常采用地表沉降观测的方法监测采空区上覆岩土层的沉降，但这种方法只能监测到实施监测措施后煤矿采空区的沉降量，对已经发生的沉降量却没有办法获取，如此，则对指导工程设计与建设的指导性不够准确。
4.因此，急需一种能够计算和评价采空区已经发生和即将发生沉降量的技术方法。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种煤矿采空区沉降量测算方法，以解决当煤矿采空区前沉降量测算不准确、且无法区分已经发生沉降量和将要发生的沉降量的技术问题。
6.煤矿采空区在采矿完成后不同时期的沉降量是不同的，发展趋势也不尽相同，即使在沉陷稳定后，由于地下尚存在未充填密实的空间，在某些特定条件（如建设工程附加荷载）和诱发因素下，地面仍然会产生沉降变形和塌陷。在准确获得了采空区已发生沉降值后，就可以准确预测未来还会发生沉降量的范围，预测未来沉降对地面工程建设所带来危
害的程度。
7.为此，本发明研究充分利用煤矿资源勘查、核查及动态检测的地质钻探资料，对比煤炭开采后采空区的地质钻探资料，以接近地表的某一层或若干层标志地层作为参照物；选取一定数量具有钻探资料的代表性点位，在点位处施工地质勘探孔，通过测算采矿前后采空区标志层的层顶、层底绝对高程的差值，从而获取采空区已发生的沉降量值，并进一步预测将来还会发生的沉降量。具体技术方案如下：设计一种煤矿采空区沉降量测算方法，包括如下步骤：（1）收集煤矿采空区的区域地质资料，明确场地地层结构、煤层深度及煤矿采空区范围，选定煤层上方距离地表最近且有明显地质特征（如地层的颜色、岩性、结构特征、包含物等具有区别上、下地层的明显特点）的地层作为标志层；如果地表条件没有受人为建设活动发生变化时，也可以将地表作为一个标志层的层顶；（2）选取采空区范围内有历史钻探资料的钻孔位置（煤矿普查与勘查、资源储量核查均要施工一定数量的勘探钻孔，钻孔施工都在开采时间之前，即没有塌陷之前）作为代表性点位，根据矿区矿产勘查、资源核查时期的地质钻探资料，统计代表性点位采矿前地质标志层的层顶（地表）、层底的绝对高程；（3）在代表性点位位置重新施工地质勘探钻孔，利用钻探查明目前采空区代表性定位地质标志层目前的层顶（地表）、层底的绝对高程；（4）计算煤矿开采前与目前代表性点位地质标志层的层顶（地表）、层底绝对高程的差值，其差值为代表性点位目前已经发生的沉降值；（5）根据采空区代表性点位地层结构、采煤厚度及岩体特征，利用公式计算出采空区总沉降量：上式中：为地表最大下沉值（单位：mm）；m为煤层厚度（单位：m）；q为下沉系数（可根据上覆地层岩性利用《采空区公路设计与施工技术细则》jtg/t d31-03-2011附录中表d.0.1-1确定）；为矿层倾角；（6）采空区总沉降量减去已经发生的沉降值，即是采空区未来还会发生的沉降变形值。
8.与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：1.本发明理论科学合理，方法简捷、明了，技术方法简单适用，可操作性强，结果准确可靠：在充分利用已有探矿、采矿的地质钻探资料的基础上，通过地质钻探手段，获得不同时期标志层的层底、层顶绝对高程，计算出多个点位已发生的沉降变形量，进而可以测算出未来将会产生的沉降变形量；如此，可以有效解决理论计算采空区沉降量中已发生沉降量和即将发生沉降量的准确划分问题。
9.2.本发明方法可以取得的采矿后不同阶段发生的沉降变形量，进而为煤矿采空区治理和在采空区上方进行城乡规划、工程设计、建设施工提供直接依据，具有较好实用性和推广应用价值。
附图说明
10.图1为本发明实施例中煤矿地质勘查剖面示意图。
11.图2为本发明实施例中煤矿采空区沉降计算示意图。
12.图3为本发明实施例中采煤前地层结构与钻孔示意图。
13.图4为本发明实施例中采煤后地层结构与钻孔示意图。
14.以上图中，zk1、zk2、zk3为煤矿普查与勘查、资源储量核查时（采矿塌陷前）施工的钻孔编号，hd1、hd2、hd3是对应钻孔的地面标高，hs1、hs2、hs3是对应钻孔揭露的地质标志层的顶板标高，hx1、hx2、hx3是对应钻孔揭露的地质标志层的底板标高；ck1、ck2、ck3为采煤塌陷后在原钻孔旁边重新施工的地质勘探孔编号，hd1’
、hd2’
、hd3’
是对应重新施工钻孔的地面标高，hs1’
、hs2’
、hs3’
是对应新钻孔揭露的地质标志层的顶板标高，hx1’
、hx2’
、hx3’
是对应新钻孔揭露的地质标志层的底板标高。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
16.在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备所涉及的测量或施工方法，如无特别说明，均为常规方法。
17.实施例：煤矿采空区沉降量测算方法，参见图1至图4，以河南省宝丰县苗李煤矿采空区沉降量测算为例。
18.1.首先收集该区域矿产地质资料、煤矿勘查及采矿、煤矿资源核查、资源储量动态检测等资料。了解到场地地层结构自上而下为砂质粘土、泥岩、中粒砂岩、泥岩、砂岩、泥岩、煤层、砂岩等地层，前期已施工多个勘查孔，孔深均到煤层底板以下,煤层厚度4.56～6.60m,煤层倾角约10
°
，开采方式为长壁式开采。根据地层结构确定距离地表最近的浅黄色、中粒砂岩地层作为地质标志层，这层岩层颜色为浅黄色、岩性为中粒砂岩、成分主要为石英、长石及暗色矿物，俗称砂锅窑砂岩，具有显著的地质特征，易辨识和区分。
19.2.选取采空区范围内有历史钻探记录、具有代表性的钻孔3个：zk1、zk2、zk3，钻孔对应地面标高分别为200.90、210.60、204.30。zk1处地质标志层层顶绝对标高hs1=190.00m、层底绝对标高hx1=179.50m，煤层厚度5.30m；zk2点位处地质标志层层顶绝对标高hs2=185.05m、层底绝对标高hx2=175.60，煤层厚度6.06m；zk3点位处地质标志层层顶绝对标高hs3=183.70、层底绝对标高hx3=173.20m，煤层厚度5.76m。
20.3.在代表性点位处重新施工地质勘探孔ck1、ck2、ck3，查明煤矿开采后ck1点位处地质标志层层顶绝对标高hs1’
=187.55m、层底绝对标高hx1’
=177.09m；ck2点位处地质标志层层顶绝对标高hs2’
=182.24m、层底绝对标高hx2’
=171.76m；ck3点位处地质标志层层顶绝对标高hs3’
=181.49m、层底绝对标高hx3’
=170.95m。
21.4.利用煤矿开采前（勘查、储量核查等）的钻探资料统计地质标志层顶板、底板的绝对高程减去采矿后地质标志层层底、层顶绝对高程，差值就是该处已经发生的沉降变形量。例如点位zk1（ck1）处：地质标志层差值
△
hs1=hs1‑ꢀ
hs1’
=190.00-187.55=2.45m，采空区zk1点位处已经发生的沉降变形量就是2.45m。利用两次钻孔揭露的地质标志层层底标高对计算的沉降变形量进行修正：地质标志层层底标高差值hx1‑ꢀ
hx1’
=179.50-177.09=2.41m。取2.45m与2.41m两者的均值2.43m，即zk1（ck1）处已经发生的沉降量为2.43m。同样方法，可以得出zk2（ck2）、zk3（ck3）点位处已经发生的沉降量分别为3.83m、2.23m。
22.根据资料，zk1（ck1）、zk2（ck2）、zk3（ck3）点位原埋藏的煤层厚度m分别为5.30m、6.06m、5.46m，煤层倾角α均为10
°
，煤层上部岩层位中硬岩，下沉系数q均取值0.70。根据公式计算出采空区zk1（ck1）、zk2（ck2）、zk3（ck3）点位处的总沉降量分别为：3.65m、4.18m、3.76m。
23.采空区zk1（ck1）、zk2（ck2）、zk3（ck3）点位未来还会发生沉降量可以通过下式计算：未来还会发生沉降量=总沉降量-已发生沉降量。根据计算可得采空区zk1（ck1）、zk2（ck2）、zk3（ck3）点位处未来还会发生沉降量分别为：0.52m、0.35m、1.53m。
24.以此方法，可以得出很多个点位的已发生沉降量、未来还会发生沉降量，并可基于此绘制等值线图。
25.经调查地表地形地貌如没有经过大的人为改变情况下，地表也可以作为一个地质标志层的顶标高。对比不同时期采空区的地形图的绝对标高，也可以简捷、快速得出采空区不同部位的已经发生沉降量值，只是存在一定范围内的误差而已。而且，在采矿前后一般会经历几年、甚至十几年的时间，由于人为因素地表地形地貌多半会发生一定变化，利用这种方式能获得一个大致数值。
26.5.根据采空区代表性点位处的地层结构、采煤厚度、覆盖层厚度及岩体特征计算总沉降量，总沉降量减去已经发生的沉降值，即是未来还会发生的沉降变形值。
27.如此，根据多个代表性点位获得的不同阶段的沉降变形量（已经发生的沉降变形量、将会发生的沉降变形量）则可以绘制出采空区的沉降变形等值线图，为煤矿采空区综合治理及采空区上方建设工程的规划、设计、施工提供地质依据。
28.本发明方法在保证了煤矿资源的正常开发利用的情况下，为防治引发地面沉降、地表塌陷、地裂缝等地质灾害和地质环境问题提供技术服务，应用效果良好，适于各类煤矿采空区综合治理的推广应用。
29.在保证矿产资源开发利用的情况下，为其引发的地面沉降等地质灾害和环境问题进行定量评价，为地质环境保护提供技术指导，应用效果良好。
30.上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关方法、步骤进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。