煤礦采空沉陷影響區(qū)的水土保持措施

賈 芳 張治國

(山西省水土保持科學(xué)研究所)

山西是一個煤炭資源大省，豐富的煤炭資源開采在帶動地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，也帶來了地表沉陷、水資源破壞、水土流失及植被破壞等生態(tài)環(huán)境惡化問題。據(jù)統(tǒng)計，山西因采煤形成的采空區(qū)現(xiàn)已達(dá)到2萬km2，相當(dāng)于全省國土面積的1/8。采空造成的地面裂縫、變形、沉陷等，不僅造成部分農(nóng)田毀壞，降低了土壤的蓄水保墑能力，而且導(dǎo)致植被生長環(huán)境變差、植被覆蓋率降低，生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，更重要的是造成了鐵路、公路等建筑物的破壞，嚴(yán)重地影響著人們的正常生產(chǎn)與生活。因此，科學(xué)地對煤礦開采造成的采空區(qū)及其沉陷影響區(qū)范圍進(jìn)行預(yù)測，提出較為可行的水土保持生態(tài)修復(fù)措施，顯得十分必要。

1 采空沉陷影響區(qū)范圍預(yù)測

由于煤炭開采形成采空區(qū)，容易發(fā)生沉陷，可能導(dǎo)致地下水位下降、地表下墊面條件的變化，從而使地表植物的生長受到影響，惡化生態(tài)環(huán)境。因此，對采空沉陷區(qū)進(jìn)行預(yù)測，是十分必要的。采空沉陷后，還將對沉陷周邊產(chǎn)生影響，所以，對采空沉陷區(qū)進(jìn)行預(yù)測，還包括沉陷影響范圍的預(yù)測。一般整合煤礦采空沉陷影響區(qū)包括兩部分:一是整合前已形成的采空沉陷影響區(qū)，二是整合后首采區(qū)或首采工作面形成的采空沉陷影響區(qū)。

由于采空沉陷，造成的水土流失主要表現(xiàn)在采空沉陷造成的裂縫、塌陷等地表變形，在預(yù)測采空沉陷范圍時，主要應(yīng)考慮煤層上覆巖層的巖性、厚度及巖層的移動傾角、回采系數(shù)等影響因素。

1.1 已有采空沉陷影響區(qū)面積預(yù)測

首先根據(jù)井田開拓方式圖，確定采空區(qū)范圍。已有采空區(qū)包括整合各礦已有的采空區(qū)，除去相互重迭的部分。

預(yù)測時，結(jié)合地層綜合柱狀圖和地質(zhì)鉆探資料，確定煤層上覆巖層厚度及松散層厚度，按巖層移動傾角72°，松散層移動傾角45°，計算得地表沉陷移動外擴(kuò)范圍。沉陷移動外擴(kuò)范圍加上采空區(qū)范圍，即可得到已有采空沉陷影響區(qū)的面積。

1.2 首采沉陷影響區(qū)面積預(yù)測

首先，測算采空區(qū)。根據(jù)已有的地質(zhì)資料，確定煤礦開采上覆松散層厚度及巖層厚度。然后按下式進(jìn)行計算:

式中:S—采空區(qū)面積，hm2;

c—煤炭開采量，萬t/a;

t—開采年限，a;

m—煤層厚度，m;

γ—煤的比重，t/m3;

k—回采率。

根據(jù)以上公式，計算得首采區(qū)的采空面積。然后，按巖層移動傾角72°，松散層移動傾角45°，計算得地表沉陷移動外擴(kuò)范圍，二者之和即為首采沉陷影響區(qū)面積。

已有采空沉陷影響區(qū)面積與首采沉陷影響區(qū)面積之和，即為該整合煤礦在水土保持方案服務(wù)期內(nèi)的采空沉陷影響區(qū)面積。

2 采空沉陷區(qū)水土保持措施

由于采空沉陷的不均勻性，對地表造成的破壞也不均勻，相應(yīng)的水土保持措施也不同。一般來說，采空沉陷區(qū)的水土保持措施包括以下方面。

2.1 工程措施

在采空中心區(qū)域，地表幾乎是均勻下沉，不會產(chǎn)生裂縫，只做土地平整措施，盡量保持沉陷區(qū)原有的占地類型。

按照地表變形程度的不同，采空沉陷造成的裂縫包括輕度裂縫、中度裂縫和重度裂縫。一般講，寬度小于100 mm的裂縫為輕度裂縫，寬度在100－300 mm的裂縫為中度裂縫，寬度大于300 mm的裂縫為重度裂縫。根據(jù)裂縫的大小，采取不同的措施:對于輕度和中度裂縫，直接用土填充;對于重度裂縫，先剝離兩側(cè)表土，用矸石或土石料填充，然后在其上覆土。

坡耕地根據(jù)坡度采取不同的措施:15°以下的坡耕地采用就地充填和土地平整措施，15°－25°的坡耕地采取坡改梯措施，25°以上的坡耕地采取退耕還林措施。梯田的復(fù)墾措施主要有平整土地、充填裂縫、適當(dāng)修整被損毀的地坎等。

2.2 植物措施

采空沉陷區(qū)的林地，復(fù)墾方向仍是林地。復(fù)墾措施除充填裂縫外，主要為補(bǔ)種樹木、撒播草籽和管護(hù)。復(fù)墾區(qū)內(nèi)的其他草地與裸地，適合復(fù)墾為草地。

采煤結(jié)束后，原地表遭到較大損毀，在生態(tài)脆弱條件下依靠自然恢復(fù)較困難，且周期長，要加快恢復(fù)植被與土地生產(chǎn)能力，首先篩選先鋒植物對復(fù)墾區(qū)土地進(jìn)行改良，同時要篩選適宜的適生植物作為恢復(fù)植被的對象。通過先鋒植物的引入，改善礦區(qū)復(fù)墾地植物的生存環(huán)境，為適生植物和樹種的生長、人工耕作和重建生態(tài)提供條件。

2.3 耕作措施

通過生物改良措施，改善土壤環(huán)境，恢復(fù)土壤肥力與生物生產(chǎn)能力。種植豆科植物，增加土壤有機(jī)質(zhì)。也可采用增施有機(jī)肥料來恢復(fù)土壤肥力及生物生產(chǎn)能力。當(dāng)然，也可增施一些無機(jī)肥料。對復(fù)墾后的貧瘠土地，需進(jìn)行土壤理化性狀的改良，以加速生土熟化，提高單位面積產(chǎn)量。

2.4 監(jiān)測措施

對采空沉陷區(qū)實施水土保持監(jiān)測，有利于及時掌握沉陷動態(tài)，以保證復(fù)墾工作的順利開展。一般開采初期，沉陷不明顯，需要對采區(qū)進(jìn)行長期監(jiān)測。監(jiān)測的內(nèi)容主要是沉陷、裂縫發(fā)生情況和水土流失情況。監(jiān)測沉陷、裂縫的目的，是隨時根據(jù)實際的土地?fù)p毀情況調(diào)整方案的設(shè)計，做好復(fù)墾的前期工作。監(jiān)測水土流失的目的是為了及時消除水土流失危害。另外，通過監(jiān)測獲得科學(xué)數(shù)據(jù)，還可以為本地區(qū)由于地下采空地表產(chǎn)生移動變形規(guī)律的研究提供寶貴的現(xiàn)場資料。