阜新市采煤沉陷區(qū)普查及成果應(yīng)用研究

趙越 王軍 劉光澤

摘要：礦業(yè)開發(fā)伴隨著人類文明、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展的全過程，是國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，但礦業(yè)開發(fā)造成了許多問題，其中因采煤而產(chǎn)生的沉陷問題尤其嚴(yán)重。作為昔日煤電之城的阜新，解決采煤區(qū)的沉陷問題，關(guān)乎生態(tài)安全和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，本文通過研究阜新區(qū)域煤田沉陷區(qū)的現(xiàn)狀，以外業(yè)調(diào)研為基礎(chǔ)，根據(jù)搜集的相關(guān)資料，對(duì)采煤沉陷區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)及影響范圍進(jìn)行分析，完成對(duì)阜新煤田未來地表沉陷趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：采煤沉陷區(qū); 沉陷區(qū)普查;沉陷計(jì)算

基金項(xiàng)目：2020年度阜新市社會(huì)科學(xué)研究立項(xiàng)課題（2020Fsllx074）

中圖分類號(hào)：P 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

采煤沉陷區(qū)是指在地下煤炭被采出后，由于開采范圍過大，引起地表移動(dòng)、變形和塌陷，在采空區(qū)上方形成的比地下采空區(qū)大得多的沉陷區(qū)域。采煤沉陷區(qū)危害嚴(yán)重，在煤炭開采地，沉陷區(qū)治理顯得尤為緊迫。阜新市采煤沉陷區(qū)分散廣，具有復(fù)雜性和多樣性，總的特點(diǎn)是面積大、速度快、復(fù)墾率低、土地利用效益低、穩(wěn)沉?xí)r間長(zhǎng)。

1 阜新煤田采空區(qū)分布狀況

阜新煤田開發(fā)于1897年，至今已有100多年的開采歷史。經(jīng)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，阜新國有井工煤礦開采形成的地下采空區(qū)分布在新邱煤礦、高德煤礦、平安煤礦、五龍煤礦、王營(yíng)煤礦、東梁煤礦、艾友煤礦和清河門煤礦的井田范圍內(nèi)，露天礦剝離形成的露天坑位于海州露天礦和新邱露天礦。由于阜新煤田開采時(shí)期久遠(yuǎn)，且屬厚煤層和多煤層重復(fù)開采，很難對(duì)單一分層或單一煤層開采的采空區(qū)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本次得出的采空區(qū)面積為開采煤層的平面投影面積。阜新煤田地下采空區(qū)平面投影面積（以下簡(jiǎn)稱采空區(qū)面積）與露天礦剝離總面積為62.92km2，其中新邱礦采空面積為6.98km2，高德礦采空面積為2.95km2，平安礦采空面積為10.97km2，五龍礦采空面積為4.89km2，王營(yíng)礦采空面積為2.31km2，東梁礦采空面積為7.37km2，艾友礦采空面積為5.44km2，清河門礦采空面積為12.86km2，海州露天礦剝離面積為5.97km2，新邱露天礦剝離面積為3.18km2。解放前與解放后阜新煤田開采形成的采空區(qū)總面積為73.69km2。

2 阜新煤田沉陷區(qū)沉陷規(guī)律與沉陷計(jì)算

2.1 采煤引起煤層覆巖破壞規(guī)律

阜新礦區(qū)已形成的地下采空區(qū)，開采深度變化大;煤層傾角較小，屬緩傾斜煤層開采;采出煤層累計(jì)厚度大，層數(shù)多，屬厚煤層和多煤層開采;頂板管理方法主要為全部垮落法，局部有水砂充填、巷柱式、刀柱式和條帶式采煤法;煤層頂板覆巖屬中硬型覆巖。這些地質(zhì)采礦條件特點(diǎn)致使煤層頂板覆巖表現(xiàn)出典型的垮落帶、斷裂帶、彎曲帶的“三帶”分布。其特征為：

（1）采空區(qū)四周邊界上方的破壞范圍略高，其最高點(diǎn)位于開采邊界以內(nèi)或以外數(shù)米范圍內(nèi);

（2）采空區(qū)中央的巖層破壞高度低于其四周邊界的破壞高度，當(dāng)采空區(qū)面積較大，且采厚大致相同時(shí)，采空區(qū)中央部分的破壞高度基本一致;

（3）采空區(qū)四周邊界垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶的范圍與水平面成一定角度。

通過探測(cè)，確定出阜新礦區(qū)的“三帶”高度為：垮落帶高度為采高的2.2～4.7倍，導(dǎo)水裂縫帶高度為采高的11.9～27.3倍。

由此可知，阜新礦區(qū)開采工作面采深與采厚之比小于30的條件下，即可造成斷裂帶高度達(dá)到地表，導(dǎo)致地表的不連續(xù)變形與破壞，形成地表裂縫。

2.2 由采煤產(chǎn)生地表沉陷規(guī)律

通過對(duì)各種開采條件下大量地表移動(dòng)與變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與研究，總結(jié)出阜新礦區(qū)采煤地表沉陷基本規(guī)律如下：

（1）下沉曲線分布：地表移動(dòng)穩(wěn)定后，盆地走向主斷面的下沉曲線大致位于采空區(qū)正上方，基本以最大下沉點(diǎn)為中心對(duì)稱分布。下沉曲線拐點(diǎn)一般向采空區(qū)偏移，拐點(diǎn)處下沉值約為地表最大下沉值的1/2。在非充分采動(dòng)情況下，地表最大下沉點(diǎn)只有一個(gè)，且未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大值。在充分采動(dòng)情況下，下沉曲線出現(xiàn)平底，平底部分的下沉值達(dá)到了該地質(zhì)采礦條件下的最大下沉值。在傾斜主斷面上，下沉曲線呈非對(duì)稱性分布，最大下沉點(diǎn)位置偏向下山一側(cè)。

（2）傾斜曲線分布：地表移動(dòng)穩(wěn)定后，下沉盆地的傾斜值在走向主斷面上以最大下沉點(diǎn)為中心，兩側(cè)近似對(duì)稱分布。左半盆地向右側(cè)傾斜，右半盆地向左側(cè)傾斜。在下沉曲線的拐點(diǎn)處，傾斜值最大。位于盆地中心點(diǎn)和盆地邊緣處傾斜值為零。在煤層傾斜埋藏條件下，在傾斜主斷面上，傾斜曲線與走向主斷面上的分布規(guī)律有所不同，即呈非對(duì)稱性。上山最大傾斜值大于下山最大傾斜值。

（3）曲率曲線分布：在充分采動(dòng)條件下，地表穩(wěn)定后，走向主斷面曲率曲線在移動(dòng)半盆地各有一個(gè)正曲率區(qū)和一個(gè)負(fù)曲率區(qū)。正曲率區(qū)位于采空區(qū)兩側(cè)的煤柱上方，負(fù)曲率區(qū)位于采空區(qū)上方。曲率零點(diǎn)分別位于盆地邊緣、下沉曲線的拐點(diǎn)處和最大下沉點(diǎn)處。最大正曲率值位于盆地邊緣至下沉曲線拐點(diǎn)之間，最大負(fù)曲率值位于拐點(diǎn)至最大下沉點(diǎn)之間。在非充分采動(dòng)條件下，曲率分布曲線有兩個(gè)正曲率區(qū)和一個(gè)負(fù)曲率區(qū)，最大負(fù)曲率值位于最大下沉點(diǎn)處，曲率零點(diǎn)位于盆地邊緣和拐點(diǎn)處。當(dāng)煤層傾斜埋藏時(shí)，在傾斜主斷面上，曲率曲線呈非對(duì)稱分布。在充分采動(dòng)條件下，上山半盆地最大正曲率值和最大負(fù)曲率值大于下山半盆地最大正、負(fù)曲率值。在非充分采動(dòng)條件下，位于采空區(qū)上方的最大負(fù)曲率值大于兩側(cè)煤柱上方的最大正曲率值。

（4）水平移動(dòng)曲線分布：地表移動(dòng)穩(wěn)定后，在走向主斷面上與傾斜曲線分布形態(tài)基本相似。各點(diǎn)移動(dòng)指向盆地中心，曲線形態(tài)對(duì)于最大下沉點(diǎn)對(duì)稱。兩個(gè)最大值位于拐點(diǎn)處，零點(diǎn)位于盆地邊緣和最大下沉點(diǎn)處。在充分采動(dòng)條件下，盆地中央的主斷面上形成水平移動(dòng)零區(qū)。而在非充分采動(dòng)條件下，盆地中央主斷面上只有一個(gè)零點(diǎn)。在傾斜主斷面上，水平移動(dòng)曲線呈非對(duì)稱性，下山的最大水平移動(dòng)值大于上山的最大水平移動(dòng)值。

（5）水平變形曲線分布：在走向主斷面上充分采動(dòng)條件下，其與曲率曲線分布特征相似。在采場(chǎng)兩側(cè)的煤柱上方和采空區(qū)上方各有兩個(gè)拉伸區(qū)和兩個(gè)壓縮區(qū)。最大拉伸變形值位于拐點(diǎn)與邊緣點(diǎn)之間，最大壓縮變形值位于拐點(diǎn)與最大下沉點(diǎn)之間，水平變形零點(diǎn)分別位于邊緣點(diǎn)、拐點(diǎn)和最大下沉點(diǎn)處。在非充分采動(dòng)條件下，水平變形有兩個(gè)拉伸變形區(qū)和一個(gè)壓縮變形區(qū)。其中拉伸變形區(qū)位于煤柱上方，壓縮變形區(qū)位于采空區(qū)上方。最大壓縮變形值位于最大下沉點(diǎn)處，且其值大于拉伸變形值，水平變形零點(diǎn)位于邊緣點(diǎn)及拐點(diǎn)處。在傾斜主斷面上，水平變形分布呈非對(duì)稱性，不再與曲率曲線相似。充分采動(dòng)時(shí)，上山半盆地最大拉伸變形值小于最大壓縮變形值，下山半盆地最大拉伸變形值大于最大壓縮變形值。非充分采動(dòng)條件下，位于采空區(qū)上方的最大壓縮變形值大于上、下山半盆地最大拉伸變形值。

上述5種地表移動(dòng)與變形分布曲線形態(tài)符合概率積分型分布。

以上為地表產(chǎn)生連續(xù)變形情況下的沉陷規(guī)律，但在淺部開采、煤層埋藏深厚比小于30、斷層活化影響等情況下，地表移動(dòng)與變形分布形態(tài)不再是連續(xù)性的曲線，而是間斷的、跳躍性的，地面顯現(xiàn)為塌陷漏斗、地表裂縫和地表臺(tái)階。地表非連續(xù)變形對(duì)地面建（構(gòu)）筑物及其它設(shè)施的破壞程度更加嚴(yán)重。

2.3 采煤引起地表移動(dòng)與變形計(jì)算

采用基于概率積分法的任意形狀、多工作面地表沉陷計(jì)算與繪圖軟件對(duì)阜新煤田地表沉陷進(jìn)行計(jì)算，獲得各礦井采空區(qū)上方地表最大下沉、最大水平移動(dòng)、最大水平變形結(jié)果如表1所示。

3 阜新煤田未來地表沉陷趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3.1已穩(wěn)定沉陷區(qū)位置確定

已穩(wěn)定沉陷區(qū)是指形成這些沉陷區(qū)的礦井、采區(qū)，已不再進(jìn)行采煤活動(dòng)。這些礦井已無煤可采，報(bào)廢停產(chǎn)。阜新礦區(qū)從1952年以來到八十年代末，已報(bào)廢了新邱煤礦、太平煤礦、孫家灣煤礦、高德煤礦、平安煤礦和東梁煤礦的大部分礦井和艾友礦一、二、三井，清河門礦的二、三、四井，見1949～1999阜新礦區(qū)報(bào)廢礦井統(tǒng)計(jì)表。除平安礦沉陷區(qū)仍受五龍礦開采影響“活化”外，如果沒有“地方小井”進(jìn)入這些報(bào)廢礦井內(nèi)回采殘留煤柱，其它已報(bào)廢礦井地表應(yīng)該處于沉陷穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)該指出，已報(bào)廢礦井的淺部老窯區(qū)是不能確定為穩(wěn)定沉陷區(qū)。

3.2 在重復(fù)采動(dòng)影響作用下仍在活動(dòng)的沉陷區(qū)

阜新礦區(qū)的平安煤礦、恒大煤礦、弘霖煤礦、高海煤礦和安順煤礦等礦的立井，現(xiàn)正向深部擴(kuò)展，進(jìn)入-650～-800水平開采，采區(qū)邊界相距井田可采深部邊界還有200米。深部開采可使地表沉陷區(qū)受重復(fù)采動(dòng)影響而“活化”，處于該開采范圍內(nèi)的地表沉陷區(qū)仍在繼續(xù)下沉，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 1948年前及1948年后短壁開采的位置

短壁開采是形成地表突然塌陷的不穩(wěn)定因素，弄清它們的存在地點(diǎn)很必要。此次調(diào)查，從資料記載中得知，阜新地區(qū)在1898年至1914年間于新邱地區(qū)以斜井和立井方式開采淺露頭煤達(dá)20萬噸，相當(dāng)于在地下殘留著近7.4萬平方米的老窯采空區(qū)。1927年到1932年間在孫家灣地區(qū)由張學(xué)良開礦，采出煤炭21萬噸，相當(dāng)于在地下形成7.7萬平方米的開采空間。到日偽時(shí)期，有42個(gè)生產(chǎn)礦井分布在新邱、城南、高德、孫家灣、平安、東梁、清河門等地區(qū)，累計(jì)出煤量達(dá)2538萬噸。相當(dāng)于在上述地區(qū)形成940萬平方米的采空區(qū)，即9.4平方公里的采空區(qū)。這些采空區(qū)，在經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，有些已在地面形成沉陷區(qū)，有的以老窯區(qū)的形式殘留地下，成為阜新礦區(qū)煤層淺部露頭附近偶然出現(xiàn)塌坑的隱患。

4 結(jié)語

依據(jù)阜新礦區(qū)地質(zhì)采煤條件特點(diǎn)，本地區(qū)采煤沉陷特征表現(xiàn)為：①地表沉陷范圍廣、面積大;②地面有出現(xiàn)突發(fā)性沉陷漏斗坑和斷裂破壞的隱患;③采動(dòng)影響迭加，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng);④沉陷量迭加逐漸增大，但在地勢(shì)上顯示并不明顯。上述采煤沉陷特征充分顯出阜新地區(qū)采煤沉陷受損面大、量多、治理工作艱巨，需結(jié)合阜新各沉陷區(qū)地表沉陷趨勢(shì)預(yù)測(cè)，加大治理工作資金投入，以達(dá)到對(duì)阜新煤田沉陷區(qū)的綜合治理的目標(biāo)。

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