兗州礦區(qū)采煤塌陷地現(xiàn)狀分析

秦 勝，田莉雅，張 劍，張秀蘭

(1.兗礦集團(tuán)環(huán)保節(jié)能處，山東 鄒城 273500；2.兗礦集團(tuán)鐵路運輸處，山東 鄒城 273500)

我國煤炭產(chǎn)量95%以上為井工開采，這種開采方式會破壞煤層覆巖的應(yīng)力平衡狀態(tài),導(dǎo)致覆巖從下至上發(fā)生冒落、裂隙(縫)和彎曲下沉，使采空區(qū)上方地表發(fā)生大面積塌陷，并在地表產(chǎn)生大量的裂縫、裂隙，造成了東部平原礦區(qū)土地大面積積水受淹或鹽漬化，加劇了西部礦區(qū)水土流失和沙漠化，破壞了礦區(qū)的土地資源。

1 采煤塌陷地分布特征

地表塌陷按其形態(tài)分為兩大類：第一類是漏斗狀塌陷坑和臺階狀斷裂，主要為開采淺部急傾斜煤層或開采深度與煤層開采厚度之比小于20的緩傾斜煤層所引起的；第二類是地面平緩的塌陷盆地，主要為開采深部急傾斜煤層或開采深度與煤層開采厚度之比大于20的緩傾斜煤層所引起的。塌陷形成過程一般從開始下沉到最終穩(wěn)定需1～3a，地表塌陷最大深度約為煤層開采深度的0.7～0.8倍(個別礦區(qū)由于開采引起地下含水層或流沙層疏干甚至可大于1.0倍)；塌陷體積約為煤層開采體積的0.6～0.7倍，塌陷面積約為煤層開采水平投影面積的1.2倍。

兗州礦區(qū)自第一對礦井南屯煤礦投產(chǎn)以來，隨著其他礦井的陸續(xù)建成和投產(chǎn)，至2006年底，已累計采出原煤50246.22×104t，塌陷土地8952.38hm2，綜合萬噸塌陷率為0.178hm2/104t。塌陷土地面積隨原煤產(chǎn)量的變化而變化，總體趨勢是不斷增加，但隨年份變化差異較大，最小萬噸塌陷率為1977年的0.071 hm2/104t，最大萬噸塌陷率為1982年的0.486 hm2/104t，近幾年，萬噸塌陷率有所下降，2006年，只有0.141 hm2/104t。兗州礦區(qū)年塌面積與原煤產(chǎn)量的關(guān)系圖見圖1，累積塌陷面積與累積煤炭產(chǎn)量動態(tài)關(guān)系圖見圖2。

2 采煤塌陷地類型特征與危害

2.1 采煤塌陷地類型特征

兗州礦區(qū)地勢平坦，煤系地層上覆厚層的新生界松散沉積物，巖性以亞砂土、亞黏土、黏土、淤泥質(zhì)為主，可塑。采空區(qū)地面塌陷在地表上表現(xiàn)為凹陷盆地形態(tài)，而非漏斗狀或臺階狀，多為低緩開闊的勺形洼地，其四周略高，中間稍低，中心深度一般為0.5～9.0m，平均為5m，塌陷幅度大。邊緣與非塌陷區(qū)逐漸過渡，其間沒有明顯的界線。凹陷盆地平面形態(tài)多為近長條形，其次為方形、近圓形，長度一般為300～2000m，寬度一般為200～800m，這主要是由于煤礦開拓巷道多為長方形布局而形成的。部分地段因采區(qū)相連，若干個塌陷坑連為一體，形成大的塌陷區(qū)。

圖1 兗州礦區(qū)年塌陷面積與原煤產(chǎn)量的關(guān)系(1977～2006年)

圖2 兗州礦區(qū)累積塌陷面積與累積煤炭產(chǎn)量動態(tài)(1977～2006年)

2.2 采煤塌陷地的危害

充州礦區(qū)煤炭開采強(qiáng)度大，開采引起的地表塌陷移動和變形量大、范圍速度快。礦區(qū)內(nèi)地勢平坦、村莊密集、人口稠密、土地肥沃。國家鐵路干線京滬鐵路、兗菏鐵路橫貫礦區(qū)，公路四通八達(dá)，高壓線、河流和地表建筑物分布全礦區(qū)。開采塌陷引起地表形態(tài)的破壞、建(構(gòu))筑物、鐵路橋涵、河堤、高壓線路管道損壞和經(jīng)濟(jì)損失，己經(jīng)成為制約礦區(qū)發(fā)展的重要因素。

(1)塌陷對農(nóng)業(yè)的危害

受煤炭開采影響，地表形成塌陷。造成地面積水，使大面積良田因此而荒廢絕產(chǎn)，村莊由此而不得不搬遷。另一方面新建村莊的占壓土地。受災(zāi)村莊的搬遷需重新占用采空區(qū)以外的耕地來修建住房以及建設(shè)其他公共設(shè)施，因此，造成了對土地資源的進(jìn)一步侵占和破壞。

(2)塌陷對煤礦生產(chǎn)的影響

采煤塌陷在地表主要表現(xiàn)為非連續(xù)變形(塌陷坑、地裂縫、臺階和滑坡等)，使煤層圍巖中含水層的水以及開采影響范圍內(nèi)的地表水潰入井下，從而導(dǎo)致災(zāi)害性透水事故和使淺層地下水位下降或喪失，給煤礦繼續(xù)生產(chǎn)帶來安全隱患。

(3)塌陷對地面建筑物的破壞

地表產(chǎn)生的移動與變形，破壞建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)。伴隨著力系平衡的重新建立，使建筑物中產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致建筑物發(fā)生變形，直至損害和破壞。

(4)塌陷對交通運輸?shù)奈：?/p>

地面塌陷對公路、鐵路的正常運輸造成的危害較大，表現(xiàn)在公路路面下沉，甚至積水，鐵路路基陷落，鐵軌彎曲或懸空。

(5)塌陷對河流堤壩的危害

塌陷影響的堤壩，將發(fā)生下沉和水平位移。水平位移能破壞堤體的完整性，使之出現(xiàn)張裂帶和破碎帶，從而降低了堤壩的強(qiáng)度和防滲能力。

(6)塌陷對社會和生態(tài)環(huán)境的影響

塌陷使大片土地淪為積水洼地或沼澤，原有的自然植被、農(nóng)作物將無法生存。采空區(qū)上方陸生生態(tài)植物將明顯減少，甚至消失。陸生植物和農(nóng)作物將被水生植物替代，塌陷區(qū)由原來的平原陸地農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樗鷳B(tài)環(huán)境。塌陷使當(dāng)?shù)鼐用袷チ瞬糠滞恋?，人口增加與土地減少的矛盾日益加重，造成這些地區(qū)的農(nóng)民生活困難，給當(dāng)?shù)卣黾恿素?fù)擔(dān)，給社會增添了不安定因素。

3 采煤塌陷的影響因素分析

3.1 煤層條件

主要指煤層的埋藏深度、厚度及傾角。在通常情況下，同一礦區(qū)煤層厚度大、埋藏深度淺的采空區(qū)，在地表形成的塌陷規(guī)模和危害程度較大，變形擴(kuò)展到地表所需時間也相對較短。若煤層厚度較均勻且較小，在開采深度較大的采空區(qū)，采空頂板冒落變形發(fā)展到地表所需時間較長，產(chǎn)生的地面塌陷及危害程度相對較輕。

3.2 開采深度與開采條件

開采深度是巖石和地面移動的最主要因素之一。當(dāng)其他所有條件相同時，隨著開采深度的增加，地面移動將具有更平緩和更平靜的性質(zhì)，開采影響反映到地面所經(jīng)歷的時間也更長，地面移動進(jìn)行得越發(fā)緩慢些。

開采條件是產(chǎn)生采空區(qū)上方塌陷的主要原因，條帶開采時q(下沉系數(shù))為0.03～0.15，水砂充填時q為0.06～0.20，長壁頂板自由塌落開采時q為0.60～0.80。

3.3 頂板巖性特征

煤層開采后，頂板巖性與其組合結(jié)構(gòu)不同，巖移塌陷的情況也會不同。當(dāng)上覆巖層強(qiáng)度高，分層厚度大時，礦層頂板局部或大面積暴露后易形成懸頂，冒落塌陷過程所需時間長，地表不變形或變形甚微；當(dāng)上覆巖層厚度較薄，強(qiáng)度也相對較弱時，礦層頂板隨采隨垮，其上覆巖層不易形成懸頂，發(fā)生彎曲下沉與變形，產(chǎn)生地面塌陷時，不但速度快，塌陷規(guī)模也相對較大。

4 采煤塌陷地復(fù)墾條件分析

4.1 配套復(fù)墾資金

采煤塌陷地的復(fù)墾開發(fā)，關(guān)系到塌陷區(qū)居民生產(chǎn)、生活，一直受到當(dāng)?shù)卣案鞑块T的高度重視。塌陷區(qū)居民對于復(fù)墾政策“誰復(fù)墾，誰受益”也大力支持并積極參與復(fù)墾工程。兗州礦區(qū)是我國華東地區(qū)主要的煤炭生產(chǎn)基地，目前，領(lǐng)導(dǎo)階層己充分認(rèn)識到由于采煤而帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題，已投入大量資金整治煤礦塌陷地。

4.2 礦區(qū)矸石資源的可利用性

利用煤矸石回填地表塌陷地是煤礦因地制宜治理采煤塌陷的一種綜合利用措施。回填方式有兩種，一是直接將矸石鋪蓋在填充區(qū)域上，壓實后作為其他用處;二是將原地表耕層土挖起來，填入矸石，再在其上覆蓋原來的耕作土壤，覆土層厚度約0.5～0.8m，恢復(fù)為農(nóng)業(yè)用地。煤矸石是煤炭開采加工過程中排出的，由煤層中的夾石和混入煤中的頂?shù)装鍘r石以及少量的煤構(gòu)成。煤矸石的主要成分有C、H、O、S、Fe、Pb、Ca等常量元素，由于成煤環(huán)境不同，也常會有Cu、Hg、Se、Mn等微量有害元素。通過對兗州礦區(qū)的煤矸石化驗，分析利用煤矸石回填塌陷區(qū)在技術(shù)上的可行性，結(jié)果如下:

(1)煤石化學(xué)成分分析

化學(xué)成分是評價研石性質(zhì)決定其利用途徑的重要指標(biāo)，煤研石的化學(xué)成分隨其成煤地層巖石的種類和礦物組成不同而變化?，F(xiàn)將其主要成分與黃土成分比較，結(jié)果如表1所示。

表1 兗州礦區(qū)煤矸石化學(xué)成分分析

從表1可以看出，煤矸石化學(xué)成分與黃土成分相似，用來作為回填復(fù)墾原料，不會導(dǎo)致土地質(zhì)量下降。

(2)煤矸石有害元素對土壤和地下水的影響

煤矸石含有一定量的有毒有害元素，掌握這些元素的含量可以分析矸石回填塌陷地可能對土壤和地下水形成的影響，從而有效地防止矸石回填可能形成的二次污染，結(jié)果如表2所示。

表2 兗州礦區(qū)煤矸石有害元素含量分析 單位：mg/kg

從表2可以看出，煤矸石中各元素含量與當(dāng)?shù)赝寥赖谋尘爸祷疽恢?。煤矸石的化學(xué)成分與黃土母質(zhì)相似，各有害元素的含量與當(dāng)?shù)赝寥赖谋尘爸祷疽恢?，所以利用煤矸石回填采煤塌陷地覆土造田基本不會對周圍水體和土壤形成二次污染。

4.3 復(fù)墾投入——產(chǎn)出分析

兗州礦區(qū)己經(jīng)對現(xiàn)有的采煤塌陷地進(jìn)行了一定的治理，在沉陷地積水較深的區(qū)域建立了無土栽培蔬菜大棚，蔬菜上市后，因其口感好、無污染和品種新取得了很好的市場信譽(yù)，發(fā)展前景看好。在一些地方修建了漁塘，也取得了一定的收入，需在以后的過程中積累經(jīng)驗，不斷提高漁塘的產(chǎn)量。表3為兗州礦區(qū)沉陷地復(fù)墾整理工程部分投入及產(chǎn)出情況。

表3 兗州礦區(qū)沉陷地復(fù)墾整理工程部分投入及產(chǎn)出情況

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