煤礦開采造成地面沉陷的主要形式及其防治策略

劉海明

(西山煤電集團公司東曲礦,山西省古交市,030200)

★節能與環保★

煤礦開采造成地面沉陷的主要形式及其防治策略

劉海明

(西山煤電集團公司東曲礦,山西省古交市,030200)

總結了地面沉陷的主要形式,以及地面沉陷對工農業及環境的影響。針對地面沉陷的現狀,提出了調整開采方案、“采—注—采”三步法原理、以廢治害、依法治理、政策扶持、綜合利用的防治方案及相關的預防措施。

地面沉陷 采空區 環境影響 防治方案

1 地面沉陷的主要形式

(1)沉陷盆地。受到采動影響的區域,地表的標高下降,在采空區的上方形成面積遠大于采空區的沉陷區域,稱為地表沉陷盆地或地表移動盆地。沉陷盆地在剛達到充分采動時呈現出碗形,而超充分采動時呈盤形。地表沉陷盆地的形成,改變了原來的高度、坡度和水平位置,給區域內的建筑物、道路和生態環境帶來了不同的影響和破壞,使農田減產甚至絕收。

(2)裂縫和臺階。由于地下開采所產生的裂縫主要產生于沉陷盆地的外邊緣,其寬度為幾毫米至幾十厘米,深度可達幾十米,甚至有的與采空區相通。裂縫兩側有時產生落差,形成臺階甚至張開裂口。

(3)沉陷坑。在開采急傾斜煤層、淺部的傾斜煤層或采深很小采厚很大的情況下,用立柱式采煤或水力采煤時,由于采厚不均勻,造成覆巖破壞的高度不一致。

2 地面沉陷對工農業及環境的影響

(1)對農業的影響。地面沉陷使土地產生不同密度、寬度和落差的裂縫,使土地耕種的難度增加,資金和勞動力投入增大。塌陷洼地出現積水,無法排出,成為水塘,土地將喪失耕種價值,使可耕地面積減少。地面沉陷同樣可能使農村的建筑物、道路交通、輸水、供電以及排灌等設施受到不同程度的損害或破壞。

(2)對工業的影響。主要是地面沉陷引起的垂直變形和水平變形可能破壞工業廠房的地基,使其產生不均勻沉降、水平拉伸或壓縮變形,從而使廠房和機器設備受到不同程度的損害或破壞,使生產受到影響。

(3)對環境的影響。地面沉陷裂縫在某種程度上改變了地面大氣降水的徑流與匯水條件,使部分地表水通過沉陷裂縫滲入地下,從而使地面大小河流等水系流量減小甚至干涸;其次是開采沉陷引起的沉陷裂縫,使上覆巖層含水層和松散含水層遭受一定程度的破壞,部分松散層和上覆基巖含水層中的地下水沿沉陷裂縫滲入采空區或開采煤層下方深部含水層,從而使采空區的地下水位降低,許多地表井泉等水源的水量減少甚至干涸。此外地面沉陷也可使水體受到污染,即地表或地下水通過松散層和巖層沉陷裂縫滲入井下采空區或深部含水層的過程中,可能攜帶地表和巖土層中的細菌和有害物質,同時在礦井和采空區中積存時,又可能受到人為和工作面作業過程中的廢油、煤塵及廢水的污染,礦井廢水如果不經過處理排放到河流中,亦可使河流水受到污染。

3 地面沉陷的防治

3.1 調整開采方案

在一般開采深度條件下,減少地表下沉的開采措施主要有:采用充填采礦法,減少地表下沉,其減少程度取決于充填方法和充填材料。按材料的不同,可分為水砂充填、煤粉灰充填和矸石充填等。其中水砂充填效果最好,但其成本過高,只適合于特定地區采用。合理確定采寬和保留礦柱寬度是關鍵問題,留寬過大,采出率低,留寬過小,礦柱易遭破壞;采寬過大,地表可能出現不均勻下沉,對保護建筑物不利,采寬過小,則回采率低。

當幾個礦層或同一個礦層的幾個部分同時開采時,根據它們的工作面相互位置關系,每個工作面的開采影響可能是互不聯系的,也可能是彼此重疊的。如一個工作面水平拉伸變形和第二個工作面的水平拉伸變形疊加,使地表出現的水平拉伸變形值大大增加。為避免這一情況的發生,可采取協調開采法,就是將同時開采的幾個工作面錯開一定的距離,使因開采而產生的地表變形應力相互抵消,以減輕沉陷災害的發生。

由于上覆巖層強度的差異,礦層開采后在軟層與硬層之間常形成離層空間,離層高壓注漿法可以解決這一問題。在離層空間還沒有擴展的情況下及時打鉆注漿以控制上覆蓋層彎曲下沉,減少沉陷量。

保護礦柱很大時,一般應連續不停頓地進行回采,避免在礦柱范圍內形成永久性的開采邊界,使本來只承受動態變形的地表發展到承受靜態變形,對建(構)筑物造成損害。經驗表明,在有斷層、采區邊界、階段或水平邊界時,容易形成回采工作面的長期停頓和永久性邊界。因此,應在斷層兩側,事先做好開拓準備工作,盡可能地保證回采工作連續進行。

3.2 “采—注—采”三步法原理

第一步:首先開采窄條帶工作面。留煤柱(寬條帶)控制覆巖移動,采后覆巖破壞形成自然平衡拱式平衡體系,地表沉陷與變形微乎其微。

第二步:注漿充填與固結窄條帶采空區垮落、斷裂帶破裂巖體。注漿材料可選用成本較低的粉煤灰—高水材料(水泥)或砂—高水材料(水泥)復合漿液,將采空區及其上覆破裂巖體固結為一個整體,形成復合固結體,恢復其承載能力。

第三步:開采剩余的寬條帶煤柱。為保證固結破裂巖體支撐帶的穩定性和減輕注漿、冒矸對煤炭質量的影響,便于掘進上、下巷道及保證其穩定性,在寬條帶開采時,兩側應各留一寬5 m左右的小條形隔離煤柱。利用恢復了承載能力的復合固結巖體條帶支撐上覆巖層,實現荷載轉移,形成以小煤柱包裹的復合固結巖體條帶支撐、老頂砌體梁和上部完整巖層為主要結構的覆巖移動與穩定體系,地表將形成類似于條帶開采的大面積平緩下沉狀態,達到降低地表沉陷量、減小地表變形值的目的。初步預計采用這種方法控制地表沉陷,最終可將地表下沉率控制在25%左右,最終的工作面面積采出率達到80%～90%,接近常規的大面積長壁工作面的采出率。

在目前的開采技術條件下,采用“采—注—采”三步法開采既可以實現對上覆巖層和地表塌陷的有效控制,又可大幅度提高煤炭資源的采出率;單個工作面的開采工藝可采用常規方法,采空區注漿加固工藝控制簡單。因此,應用此方法進行地表沉陷控制在目前技術條件下是可行的,對于解決建筑群下不搬遷采煤和采煤塌陷區沉降量過大導致的環境破環問題,實現礦區資源開采和環境保護的統一,極具實用價值和應用前景。

3.3 以廢治害

礦區沉陷是礦山地下采空造成的,而采出的矸石、尾礦等無法利用部分卻作為廢棄物堆積在礦區周圍,既占用土地又污染環境。以廢治害就是用尾礦、矸石、粉煤灰填埋沉陷區,治理沉陷災害。具體辦法是:在用尾礦、矸石填埋前,先將沉陷區表土剝離另放,然后充填矸石、尾礦至目標標高以下0.5 m處,再覆以表土到原標高,這樣既可以使地形得以復原,保持原來的土質和肥力,還減少了因堆積矸石、尾礦而占用的土地,同時可以減少或消除沉陷區和廢石堆對環境的污染。若經周密規劃,則可變荒蕪之地為風景宜人、工農業興旺的良好用地。

3.4 依法治理,政策扶持

為了保護土地,管理開發礦產資源,我國先后制定了《中華人民共和國礦產資源法》、《環境保護法》、《土地管理法》、《煤炭法》、《水土保持法》, 1988年國務院制定了《土地復墾規定》。《中華人民共和國煤炭法》第十一條指出:開發利用煤炭資源,應當遵守有關環境保護的法律、法規、防止污染和其他公害,保護生態環境。第十二條指出:煤礦建設應當堅持煤炭開發與環境治理同步進行。

通過法規的制定,使我國初步走上了開采、治理、保護的法制軌道。地方政府也根據各地的實際情況,對土地保護制定了相應的辦法和規定,對煤礦塌陷復墾的范圍和補償標準等提出了明確的規定,取得了很好的社會效益和經濟效益。

3.5 綜合利用

有些礦區在地面塌陷區充填矸石、粉煤灰、整平土地,用于建設工業企業、工人新村、文化場所、道路等。有的礦區利用塌陷區興修池塘、發展水產、建設游樂場所。對于經濟條件較好、管理水平較高的地區,大力推廣生物鏈等生態復墾工程。對于潛水位較低、塌陷區較淺的穩定區域,采取合理布局排水系統,降低潛水位措施,構筑梯田,達到穩定耕地的目的,使單一的農業經濟走向農田耕作、水產養殖、多種經營一體化的集約式發展道路。

4 結束語

隨著我國經濟社會的發展和環境保護意識的不斷提高,人們對煤礦引起的地面沉陷這一問題的認識會逐漸深刻,沉陷治理這一龐大工程后期的經濟效益、社會效益、環境效益會越來越明顯,這對礦區的發展、對我們子孫后代的生存無疑具有十分重大的意義。

(責任編輯 張艷華)

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劉海明(1980-),男,2008年畢業于中國礦業大學采礦工程專業,采煤助理工程師。