曲經(jīng)年
摘要:煤炭開采產(chǎn)生的地表沉陷問題越來越嚴重。本文在對煤礦開采中造成開采沉陷的因素進程分析的基礎(chǔ)上,探討了沉陷的防治技術(shù)的幾個措施:全部充填開采、條帶開采、覆巖離層帶充填、限厚開采、協(xié)調(diào)開采等。
關(guān)鍵詞:煤礦開采沉陷控制防治技術(shù)
1、引言
煤炭開采產(chǎn)生的地表沉陷問題越來越嚴重。煤炭的大規(guī)模開采對礦山及其周圍環(huán)境造成了嚴重的破壞日益突出,開采沉陷造成的礦區(qū)環(huán)境災(zāi)害主要有土地塌陷或積水,農(nóng)田減產(chǎn)或絕產(chǎn)、道路塌陷、房屋變形破壞等,這都是開采引起的巖層移動,是造成礦區(qū)塌陷災(zāi)害和區(qū)域變形的根源,有效控制和減輕地面塌陷程度是解決此問題的根本之路。地表沉陷帶來的破壞已經(jīng)涉及到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、環(huán)境保護、生態(tài)平衡等各方面,是急待解決的社會問題和環(huán)境問題。
2、影響地面變形與沉陷的因素分析
2.1 影響地面變形與沉降的地質(zhì)因素有四個
(1)自然地質(zhì)因素,包括煤層厚度、煤層埋藏深度、煤層傾角、松散層厚度、埋藏條件的可靠性。
(2)構(gòu)造因素,包括斷層、褶皺因素。
(3)巖石物理力學(xué)性質(zhì),包括巖石強度、力學(xué)性質(zhì)因素、空隙。
(4)水文地質(zhì)因素,包括松散層水文條件、礦井排水、地面排水。此外,開采方式以及頂板管理、重復(fù)采動等其它因素對地面變形及沉降均有影響。
2.2 影響地面變形與沉降的開采因素
地面變形及沉降的程度、范圍與煤層的厚度成正比;煤層埋深與地面變形范圍成正比,與地面變形及沉降的深度成反比;煤層傾角越大,巖層移動沿垂直采空區(qū)上方下落變形,另外還沿著煤層方向上的巖層面發(fā)生剪切移動和巖石下滑,使地面變形與沉降呈現(xiàn)出不對稱的形態(tài);當(dāng)松散層的厚度大于75Wm·tgα的時候(Wm為地表最大下沉值、α為煤層傾角),基巖移動產(chǎn)生的水平移動不能夠到達地表。該區(qū)第三系底界普遍發(fā)育有一層比較厚的粘土巖,其隔水性能好,使松散層形成“二元結(jié)構(gòu)”。隨著礦井和地面排水量的增大,松散層中的孔隙水也大量排出,孔隙被嚴重壓實,容易在井筒上形成“蓬—柱狀結(jié)構(gòu)”,使井筒發(fā)生變形或者破壞。
3、沉陷的防治技術(shù)途徑
3.1 全部充填開采
在煤炭采出后頂板尚未冒落之前,用固體材料對采空區(qū)進行密實充填,使頂板巖層僅產(chǎn)生少量下沉,以減少地表的下沉和變形,達到保護地面建、構(gòu)筑物或農(nóng)田的目的。其中水沙充填是充填采煤法中減少地表下沉效果作好的方法,其次是風(fēng)力充填和矸石自溜充填。但充填采礦法需要專門的充填設(shè)備和設(shè)施,還需要有充足的充填材料。礦井初期投資大,噸煤成本相應(yīng)的增加。
從2003年開始,太平煤礦與中國礦業(yè)大學(xué)合作開展綠色開采技術(shù)即“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)厚煤層高采出率膏體充填開采技術(shù)研究。膏體充填開采技術(shù),就是利用泗河河砂、電廠粉煤灰、專用膠結(jié)料和水配制成膏狀料漿,用大型充填泵通過管道輸送到井下,充填全部采空區(qū),形成以膏體充填為主體的支撐體系,控制地表采動沉陷。
3.2 條帶開采
根據(jù)煤層和上覆巖層組合條件,按一定的采留比,在被開采的煤層中采出一條,保留一條。由于條帶開采僅是部分地采出地下煤炭資源,保留了一部分煤炭以煤柱形支撐上覆巖層。從而減少覆巖移動,控制地表的移動和變形,實現(xiàn)對地面建、構(gòu)筑物的保護。但該方法采出率低、巷道掘進多,工作面效率低。
3.3 覆巖離層帶充填
根據(jù)采空區(qū)上方覆巖移動形成三帶的巖移特性,在煤炭采出后一定時間間隔內(nèi),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(jié)構(gòu)加固為穩(wěn)定性較好的連續(xù)梁結(jié)構(gòu),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,保護地面建、構(gòu)筑物或農(nóng)田。但該技術(shù)難度大,再近一步研究。
3.4 限厚開采
根據(jù)礦區(qū)地形、水文地質(zhì)條件和建、構(gòu)筑物抗變形能力,以不產(chǎn)生地表積水和滿足建筑物所要求的保護等級為依據(jù),確定可開采的煤層厚度,開采是僅回采這一厚度的煤,其余各煤層均不開采,以實現(xiàn)減少下沉保護地面建、構(gòu)筑物及土地的目的。但該技術(shù)采出率低,僅在薄煤層中應(yīng)用有一定的使用價值。
3.5 協(xié)調(diào)開采
厚煤層分層開采時,合理設(shè)計各工作面的開采間距,相互位置與開采順序,使開采一個煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表變形和開采另一個煤層(工作面)所產(chǎn)生的地表變形相互抵消或抵消一部分,以減少采動引起的地表變形,保護地面建、構(gòu)筑物。但該技術(shù)要保持一定的錯距,因此組織生產(chǎn)難度較大。我國尚未開展這種工業(yè)性實驗。
3.6“采-注-采”三步法開采
充分利用覆巖結(jié)構(gòu)對巖層移動的控制作用,應(yīng)用荷載置換的原理,進行小條帶開采-注漿充填固結(jié)采空區(qū)-剩余條帶開采的三步法開采,有效的對巖層移動和地表沉陷的控制,解決了大面積開采地表沉陷控制、提高了煤炭的回采率,保護了地面建、構(gòu)筑物,但也存在工藝復(fù)雜,成本較大等缺點。
4、結(jié)語
開采沉陷是造成礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的直接原因,有效控制和減輕地面沉陷程度是避免開采沉陷環(huán)境災(zāi)害的基本途徑。充填采煤法是減少地表下沉效果作好的方法,近年在山東有些礦區(qū)正在做膏體充填的實驗,這種方法可使采場沒有或減少垮落帶,能更好的減少地表下沉。但它的技術(shù)含量很大,輸送倍線大,管路易阻塞,如果成功那將是煤礦開采的一次技術(shù)革命。
開采沉陷對土地資源的影響和破壞是難以避免的,所以各個煤礦應(yīng)該應(yīng)用根據(jù)自己的實際情況和條件合理應(yīng)用防止和控制開采沉陷技術(shù)和土地復(fù)墾技術(shù),礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾技術(shù)等多學(xué)科知識,對地表塌陷進行綜合治理和開發(fā)利用,才能更好地保護地表、礦區(qū)的環(huán)境、農(nóng)民的利益。
參考文獻
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