煤礦開采沉陷分析及其防治措施研究

許凱

河南省煤田地質局資源環境調查中心

煤礦開采沉陷分析及其防治措施研究

許凱

河南省煤田地質局資源環境調查中心

地下采煤引發的地面沉陷給生態環境造成了嚴重的破壞,以某礦區為例，通過對采煤沉陷引發的地質環境破壞進行研究，論述了地面沉陷的形成機制，并提出防治措施，為礦區開展地質環境保護工作提供技術依據。

煤礦開采；地面沉陷；形成機制；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，而煤炭的開發和利用在給人類帶來巨大經濟效益的同時，由于開采對地表的擾動，產生了大面積沉陷。地面沉陷產生了許多次生環境災害，也影響了人類的生存環境。目前，資源既要可持續利用，還要防治環境的破壞。基于此，本研究以某煤礦為例，著眼于煤礦開采沉陷形成過程，針對其即將或者既成產生的生態環境問題提出防治措施。

1 某礦區地面沉陷形成分析

1.1 地面沉陷形成過程

煤層開采后，采面上覆巖層產生垮落、斷裂、彎曲，在地表形成一個比采空區范圍大得多的沉陷區稱下沉盆地，下沉盆地的地表移動過程可分為:初始期、活躍期和衰退期。地面“移動穩定”后，實際上還有少量殘余下沉量，這個殘余下沉量將持續相當長一段時間，這就是其沉降的持續性、長久性。從空間上來說，沉陷盆地的沉陷程度、范圍、巖層移動形式與劇烈程度與巖層的物理力學性質、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。

煤層開采、頂板垮落、覆巖沉降和破壞乃至地表沉陷變形，是一個開采沉陷的全過程。采空區上覆巖層產生垮落、斷裂、彎曲，由煤層的直接頂板開始，可將其分為三個區，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，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，發生彎曲，當巖層內拉應力超過巖體的強度時，巖層發生破壞形成碎塊狀，因無支撐而垮落并充填采空區，形成垮落帶。

斷裂帶：垮落帶以上到彎曲帶之間區段。該段巖層發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生法向彎曲，巖層仍保持其整體性和層狀結構。

“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性質等因素。

1.2 跨落斷裂帶的發育高度計算

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，巖層產生斷裂、離層、裂縫，巖體內部結構遭到破壞。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性離層，其巖體結構破壞輕微。雖經多年壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強度明顯低于原巖的強度。如果新建建筑物荷載傳遞到這兩帶，在附加荷載作用下會進一步引起下沉和變形，造成建筑物的破壞。根據該地下方采空區情況，煤采厚按4.0m計算，巖性主要為頁巖、砂巖，其硬度為中硬巖，該區垮落斷裂帶的發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

在超充分采動條件下，移動盆地內出現平底，地表產生均勻下沉。通過對地下采煤歷史情況充分了解認識，預測地表殘余最大下沉量可能達到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，建筑物可能產生的破壞等級為11。

2 煤礦開采沉陷影響

2.1 對土地資源的破壞

該礦區多年的近地面采煤活動引發地面沉陷面積達9.18km2，礦區附近廣大地區大面積耕地遭到破壞，農田荒蕪，無法耕種。特別是常年積水的低洼沉陷區內，耕地可耕性的降低常常是永久性的。如果不采取適當的整治措施，我們將永遠失去這些土地。

2.2 對水資源的破壞

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

2.3 對地表建筑的破壞

采煤活動引起地表下沉、傾斜、水平變形等，對居民住宅、學校、管道設施、農田水利設施等受損。

3 采煤沉陷的防治措施

針對礦區具體情況，研究適合發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，達到減災目的。主要防治技術有：

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

(2)覆巖離層帶充填：根據采空區上方覆巖移動形成三帶的巖移特點，在煤炭采出后一定間隔內，用鉆孔往離層帶空間高壓注漿，充填，加固離層帶空間，將采動的砌體梁結構加固為穩定性較好的連續梁結構，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：根據礦區地形、水文地質條件和建筑物抗變形能力，以不產生地表積水和滿足建筑物所要求的保護等級為依據，確定可開采的煤層厚度，該技術采出率低，僅在薄煤層中應用有一定的使用價值。

(4)沉陷區的恢復和整治：礦區沉陷區的范圍很大，部分沉陷積水嚴重。綜合治理的主要方法為運用土地復墾技術，對破壞的土地進行整治和利用，其中有煤矸石粉煤灰造田復地、取土復墾、剝離復墾及綜合利用沉陷地、生態養殖型治理沉陷地等方法。

4 結語

地下煤炭開采造成的地面沉陷對土地資源、水資源、地表建筑等帶來巨大破壞，直接關乎當地居民的生活生產。鑒于采煤沉陷問題具有長期性、普遍性、嚴重性的特點，礦山要合理選擇采礦方法和工藝、合理布置開采工作面，加大煤礦沉陷區生態環境治理的資金投入，正確處理環境保護與煤炭開采的關系，將由開采沉陷造成的各方面消極影響減小到最低程度，真正實現經濟效益、社會效益和環境效益共贏。

[1]余學義,張恩強.開采損害學[M].北京:煤炭工業出版社.2004

[2]尹國勛,鄧寅生,李棟臣.煤礦環境地質災害與防治[M].北京:煤炭工業出版社.1997

[3]工程地質手冊編委會.工程地質手冊(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社.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，從事地質工作方法研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.023