煤礦開采沉陷分析及其防治措施研究

許凱

河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心

煤礦開采沉陷分析及其防治措施研究

許凱

河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心

地下采煤引發(fā)的地面沉陷給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞,以某礦區(qū)為例，通過對(duì)采煤沉陷引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境破壞進(jìn)行研究，論述了地面沉陷的形成機(jī)制，并提出防治措施，為礦區(qū)開展地質(zhì)環(huán)境保護(hù)工作提供技術(shù)依據(jù)。

煤礦開采；地面沉陷；形成機(jī)制；防治措施

Coal mining;Ground subsidence;Formation mechanism Prevention and control measures

引言

煤炭資源是我國主要能源之一，而煤炭的開發(fā)和利用在給人類帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，由于開采對(duì)地表的擾動(dòng)，產(chǎn)生了大面積沉陷。地面沉陷產(chǎn)生了許多次生環(huán)境災(zāi)害，也影響了人類的生存環(huán)境。目前，資源既要可持續(xù)利用，還要防治環(huán)境的破壞?；诖?，本研究以某煤礦為例，著眼于煤礦開采沉陷形成過程，針對(duì)其即將或者既成產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題提出防治措施。

1 某礦區(qū)地面沉陷形成分析

1.1 地面沉陷形成過程

煤層開采后，采面上覆巖層產(chǎn)生垮落、斷裂、彎曲，在地表形成一個(gè)比采空區(qū)范圍大得多的沉陷區(qū)稱下沉盆地，下沉盆地的地表移動(dòng)過程可分為:初始期、活躍期和衰退期。地面“移動(dòng)穩(wěn)定”后，實(shí)際上還有少量殘余下沉量，這個(gè)殘余下沉量將持續(xù)相當(dāng)長一段時(shí)間，這就是其沉降的持續(xù)性、長久性。從空間上來說，沉陷盆地的沉陷程度、范圍、巖層移動(dòng)形式與劇烈程度與巖層的物理力學(xué)性質(zhì)、采煤方法以及煤層頂(底)板的管理方法、煤層的埋藏條件等密切相關(guān)。

煤層開采、頂板垮落、覆巖沉降和破壞乃至地表沉陷變形，是一個(gè)開采沉陷的全過程。采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生垮落、斷裂、彎曲，由煤層的直接頂板開始，可將其分為三個(gè)區(qū)，由下而上依次為垮落帶、斷裂帶、彎曲帶，簡稱“三帶”。

垮落帶：在采用全部垮落方法管理頂板時(shí)，采煤工作面放頂后引起煤層直接頂板的破壞。頂板在巖體自重力作用下，發(fā)生彎曲，當(dāng)巖層內(nèi)拉應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度時(shí)，巖層發(fā)生破壞形成碎塊狀，因無支撐而垮落并充填采空區(qū)，形成垮落帶。

斷裂帶：垮落帶以上到彎曲帶之間區(qū)段。該段巖層發(fā)生垂直于層面的裂縫、斷開，有的巖層順層面離開，但它仍保持原有層位，與垮落帶之間無明顯的界限。

彎曲帶：由斷裂帶往上，巖層在自重力作用下產(chǎn)生法向彎曲，巖層仍保持其整體性和層狀結(jié)構(gòu)。

“三帶”的形成主要取決于煤層的賦存條件、采煤方法、頂板管理方法和巖體的物理力學(xué)性質(zhì)等因素。

1.2 跨落斷裂帶的發(fā)育高度計(jì)算

煤層開采后，在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產(chǎn)生斷裂、離層、裂縫，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在彎曲帶，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時(shí)性離層，其巖體結(jié)構(gòu)破壞輕微。雖經(jīng)多年壓實(shí)，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度明顯低于原巖的強(qiáng)度。如果新建建筑物荷載傳遞到這兩帶，在附加荷載作用下會(huì)進(jìn)一步引起下沉和變形，造成建筑物的破壞。根據(jù)該地下方采空區(qū)情況，煤采厚按4.0m計(jì)算，巖性主要為頁巖、砂巖，其硬度為中硬巖，該區(qū)垮落斷裂帶的發(fā)育高度位于開采煤層之上50m。

1.3 最大下沉量和殘余變形量

在超充分采動(dòng)條件下，移動(dòng)盆地內(nèi)出現(xiàn)平底，地表產(chǎn)生均勻下沉。通過對(duì)地下采煤歷史情況充分了解認(rèn)識(shí)，預(yù)測(cè)地表殘余最大下沉量可能達(dá)到300mm，最大水平變形東西方向2.2mm/m，南北方向2.6mm/m，最大傾斜變形東西方向3.2mm/m，南北方向3.7mm/m，建筑物可能產(chǎn)生的破壞等級(jí)為11。

2 煤礦開采沉陷影響

2.1 對(duì)土地資源的破壞

該礦區(qū)多年的近地面采煤活動(dòng)引發(fā)地面沉陷面積達(dá)9.18km2，礦區(qū)附近廣大地區(qū)大面積耕地遭到破壞，農(nóng)田荒蕪，無法耕種。特別是常年積水的低洼沉陷區(qū)內(nèi)，耕地可耕性的降低常常是永久性的。如果不采取適當(dāng)?shù)恼未胧覀儗⒂肋h(yuǎn)失去這些土地。

2.2 對(duì)水資源的破壞

煤礦地下開采，破壞了地下巖石的產(chǎn)狀和含水層及隔水層的連續(xù)性，再加上開采過程中大量疏排地下水，采礦后覆巖發(fā)生冒落和塌陷，使地下水的流向和流量發(fā)生改變，地下水位大幅度下降，導(dǎo)致礦區(qū)水資源嚴(yán)重缺乏，水土流失。另外由于地下水徑流條件改變，致使該區(qū)地下水礦化度升高。

2.3 對(duì)地表建筑的破壞

采煤活動(dòng)引起地表下沉、傾斜、水平變形等，對(duì)居民住宅、學(xué)校、管道設(shè)施、農(nóng)田水利設(shè)施等受損。

3 采煤沉陷的防治措施

針對(duì)礦區(qū)具體情況，研究適合發(fā)展的采煤方法和工藝,合理布置開采工作面等措施來控制地表下沉量、下沉速度和范圍，達(dá)到減災(zāi)目的。主要防治技術(shù)有：

(1)充填開采技術(shù)：減少地表下沉效果最好的途徑，有水沙充填、風(fēng)力充填、矸石自溜充填及離層注漿等方式。

(2)覆巖離層帶充填：根據(jù)采空區(qū)上方覆巖移動(dòng)形成三帶的巖移特點(diǎn)，在煤炭采出后一定間隔內(nèi)，用鉆孔往離層帶空間高壓注漿，充填，加固離層帶空間，將采動(dòng)的砌體梁結(jié)構(gòu)加固為穩(wěn)定性較好的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，使離層帶的下沉空間不再向地表傳遞，以減少或減緩地表下沉。

(3)限厚開采：根據(jù)礦區(qū)地形、水文地質(zhì)條件和建筑物抗變形能力，以不產(chǎn)生地表積水和滿足建筑物所要求的保護(hù)等級(jí)為依據(jù)，確定可開采的煤層厚度，該技術(shù)采出率低，僅在薄煤層中應(yīng)用有一定的使用價(jià)值。

(4)沉陷區(qū)的恢復(fù)和整治：礦區(qū)沉陷區(qū)的范圍很大，部分沉陷積水嚴(yán)重。綜合治理的主要方法為運(yùn)用土地復(fù)墾技術(shù)，對(duì)破壞的土地進(jìn)行整治和利用，其中有煤矸石粉煤灰造田復(fù)地、取土復(fù)墾、剝離復(fù)墾及綜合利用沉陷地、生態(tài)養(yǎng)殖型治理沉陷地等方法。

4 結(jié)語

地下煤炭開采造成的地面沉陷對(duì)土地資源、水資源、地表建筑等帶來巨大破壞，直接關(guān)乎當(dāng)?shù)鼐用竦纳钌a(chǎn)。鑒于采煤沉陷問題具有長期性、普遍性、嚴(yán)重性的特點(diǎn)，礦山要合理選擇采礦方法和工藝、合理布置開采工作面，加大煤礦沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的資金投入，正確處理環(huán)境保護(hù)與煤炭開采的關(guān)系，將由開采沉陷造成的各方面消極影響減小到最低程度，真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益共贏。

[1]余學(xué)義,張恩強(qiáng).開采損害學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.2004

[2]尹國勛,鄧寅生,李棟臣.煤礦環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害與防治[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.1997

[3]工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2007

Ground subsidence caused by the Underground coal mining, caused serious damage to ecological environment take a mining area as an example, according to the research of geological environmental damage caused by ground subsidence, discuss the formation mechanism of ground subsidence, and put forward control measures, provides the basis for mine geological environment protection work.

許凱，本科，工程師，從事地質(zhì)工作方法研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.023