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(tuán)公司東曲礦,山西省古交市,030200)

★節(jié)能與環(huán)?！?/p>

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(tuán)公司東曲礦,山西省古交市,030200)

總結(jié)了地面沉陷的主要形式,以及地面沉陷對工農(nóng)業(yè)及環(huán)境的影響。針對地面沉陷的現(xiàn)狀,提出了調(diào)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(guān)的預(yù)防措施。

地面沉陷 采空區(qū) 環(huán)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(qū)域,地表的標(biāo)高下降,在采空區(qū)的上方形成面積遠(yuǎn)大于采空區(qū)的沉陷區(qū)域,稱為地表沉陷盆地或地表移動盆地。沉陷盆地在剛達(dá)到充分采動時呈現(xiàn)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(qū)域內(nèi)的建筑物、道路和生態(tài)環(huán)境帶來了不同的影響和破壞,使農(nóng)田減產(chǎn)甚至絕收。

(2)裂縫和臺階。由于地下開采所產(chǎn)生的裂縫主要產(chǎn)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(dá)幾十米,甚至有的與采空區(qū)相通。裂縫兩側(cè)有時產(chǎn)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(nóng)業(yè)及環(huán)境的影響

(1)對農(nóng)業(yè)的影響。地面沉陷使土地產(chǎn)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(xiàn)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(nóng)村的建筑物、道路交通、輸水、供電以及排灌等設(shè)施受到不同程度的損害或破壞。

(2)對工業(yè)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(yè)廠房的地基,使其產(chǎn)生不均勻沉降、水平拉伸或壓縮變形,從而使廠房和機(jī)器設(shè)備受到不同程度的損害或破壞,使生產(chǎn)受到影響。

(3)對環(huán)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(qū)或開采煤層下方深部含水層,從而使采空區(qū)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(qū)或深部含水層的過程中,可能攜帶地表和巖土層中的細(xì)菌和有害物質(zhì),同時在礦井和采空區(qū)中積存時,又可能受到人為和工作面作業(yè)過程中的廢油、煤塵及廢水的污染,礦井廢水如果不經(jīng)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(diào)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(qū)采用。合理確定采寬和保留礦柱寬度是關(guān)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(xiàn)不均勻下沉,對保護(hù)建筑物不利,采寬過小,則回采率低。

當(dāng)幾個礦層或同一個礦層的幾個部分同時開采時,根據(jù)它們的工作面相互位置關(guān)系,每個工作面的開采影響可能是互不聯(lián)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(xiàn)的水平拉伸變形值大大增加。為避免這一情況的發(fā)生,可采取協(xié)調(diào)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(chǎn)生的地表變形應(yīng)力相互抵消,以減輕沉陷災(zāi)害的發(fā)生。

由于上覆巖層強(qiáng)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(kuò)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(hù)礦柱很大時,一般應(yīng)連續(xù)不停頓地進(jìn)行回采,避免在礦柱范圍內(nèi)形成永久性的開采邊界,使本來只承受動態(tài)變形的地表發(fā)展到承受靜態(tài)變形,對建(構(gòu))筑物造成損害。經(jīng)驗表明,在有斷層、采區(qū)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(yīng)在斷層兩側(cè),事先做好開拓準(zhǔn)備工作,盡可能地保證回采工作連續(xù)進(jìn)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(jié)窄條帶采空區(qū)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(fù)合漿液,將采空區(qū)及其上覆破裂巖體固結(jié)為一個整體,形成復(fù)合固結(jié)體,恢復(fù)其承載能力。

第三步:開采剩余的寬條帶煤柱。為保證固結(jié)破裂巖體支撐帶的穩(wěn)定性和減輕注漿、冒矸對煤炭質(zhì)量的影響,便于掘進(jìn)上、下巷道及保證其穩(wěn)定性,在寬條帶開采時,兩側(cè)應(yīng)各留一寬5 m左右的小條形隔離煤柱。利用恢復(fù)了承載能力的復(fù)合固結(jié)巖體條帶支撐上覆巖層,實現(xiàn)荷載轉(zhuǎn)移,形成以小煤柱包裹的復(fù)合固結(jié)巖體條帶支撐、老頂砌體梁和上部完整巖層為主要結(jié)構(gòu)的覆巖移動與穩(wěn)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(tài),達(dá)到降低地表沉陷量、減小地表變形值的目的。初步預(yù)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(dá)到80%～90%,接近常規(guī)的大面積長壁工作面的采出率。

在目前的開采技術(shù)條件下,采用“采—注—采”三步法開采既可以實現(xiàn)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(guī)方法,采空區(qū)注漿加固工藝控制簡單。因此,應(yīng)用此方法進(jìn)行地表沉陷控制在目前技術(shù)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(qū)沉降量過大導(dǎo)致的環(huán)境破環(huán)問題,實現(xiàn)礦區(qū)資源開采和環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一,極具實用價值和應(yīng)用前景。

3.3 以廢治害

礦區(qū)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(qū)周圍,既占用土地又污染環(huán)境。以廢治害就是用尾礦、矸石、粉煤灰填埋沉陷區(qū),治理沉陷災(zāi)害。具體辦法是:在用尾礦、矸石填埋前,先將沉陷區(qū)表土剝離另放,然后充填矸石、尾礦至目標(biāo)標(biāo)高以下0.5 m處,再覆以表土到原標(biāo)高,這樣既可以使地形得以復(fù)原,保持原來的土質(zhì)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(qū)和廢石堆對環(huán)境的污染。若經(jīng)周密規(guī)劃,則可變荒蕪之地為風(fēng)景宜人、工農(nóng)業(yè)興旺的良好用地。

3.4 依法治理,政策扶持

為了保護(hù)土地,管理開發(fā)礦產(chǎn)資源,我國先后制定了《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》、《環(huán)境保護(hù)法》、《土地管理法》、《煤炭法》、《水土保持法》, 1988年國務(wù)院制定了《土地復(fù)墾規(guī)定》?！吨腥A人民共和國煤炭法》第十一條指出:開發(fā)利用煤炭資源,應(yīng)當(dāng)遵守有關(guān)環(huán)境保護(hù)的法律、法規(guī)、防止污染和其他公害,保護(hù)生態(tài)環(huán)境。第十二條指出:煤礦建設(shè)應(yīng)當(dāng)堅持煤炭開發(fā)與環(huán)境治理同步進(jìn)行。

通過法規(guī)的制定,使我國初步走上了開采、治理、保護(hù)的法制軌道。地方政府也根據(jù)各地的實際情況,對土地保護(hù)制定了相應(yīng)的辦法和規(guī)定,對煤礦塌陷復(fù)墾的范圍和補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)等提出了明確的規(guī)定,取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.5 綜合利用

有些礦區(qū)在地面塌陷區(qū)充填矸石、粉煤灰、整平土地,用于建設(shè)工業(yè)企業(yè)、工人新村、文化場所、道路等。有的礦區(qū)利用塌陷區(qū)興修池塘、發(fā)展水產(chǎn)、建設(shè)游樂場所。對于經(jīng)濟(jì)條件較好、管理水平較高的地區(qū),大力推廣生物鏈等生態(tài)復(fù)墾工程。對于潛水位較低、塌陷區(qū)較淺的穩(wěn)定區(qū)域,采取合理布局排水系統(tǒng),降低潛水位措施,構(gòu)筑梯田,達(dá)到穩(wěn)定耕地的目的,使單一的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)走向農(nóng)田耕作、水產(chǎn)養(yǎng)殖、多種經(jīng)營一體化的集約式發(fā)展道路。

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)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(rèn)識會逐漸深刻,沉陷治理這一龐大工程后期的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益會越來越明顯,這對礦區(qū)的發(fā)展、對我們子孫后代的生存無疑具有十分重大的意義。

(責(zé)任編輯 張艷華)

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