煤炭開采對地質(zhì)環(huán)境的影響
——以山西省平魯區(qū)窩窩會村為例

閆冬梅

（山西省地質(zhì)工程勘察院，山西太原030024）

窩窩會村位于山西省朔州市平魯區(qū)白堂鄉(xiāng)，村周圍分布多家煤礦，其中泰安煤礦開采區(qū)域主要在窩窩會村界范圍內(nèi)。煤礦的開采引起地面塌陷，從而導(dǎo)致地表建筑物受損、土地裂縫等問題。

1 煤礦工作面及采空區(qū)開采概況

陽煤泰安煤業(yè)有限公司批采4#、9#、11#煤層，現(xiàn)開采4#、9#煤層，4#煤層僅在礦界東北角存在小面積采空，其范圍落入9#煤層的6#采空區(qū)內(nèi)。本次評價(jià)根據(jù)相近采空區(qū)及工作面情況就近合并分區(qū)，工作面及采空區(qū)情況見表1。

表1 工作面及采空區(qū)情況表

2 地表移動變形預(yù)測

泰安煤礦開采煤層的傾角α=6°，屬于近水平煤層（α＜15°時(shí)即為近水平煤層），按半無限開采緩斜傾煤層地表下沉主斷面地表移動和變形值計(jì)算公式。本次采用概率積分法進(jìn)行采空區(qū)地表移動變形值計(jì)算。

2.1 地表移動變形最大值

（1）地表最大下沉值。充分采動條件下地表最大下沉值按公式（1）計(jì)算，非充分采動條件下地表最大下沉值按公式（2）計(jì)算。

式中：Wcm——充分采動條件下地表最大下沉值，mm；

k1、k3——與覆巖巖性有關(guān)的系數(shù)，堅(jiān)硬巖層取0.7，較硬巖層取0.8，軟弱巖層取0.9；

D1、D3——傾向及走向工作面長度，m。

（2）地表最大水平移動值。沿煤層走向上的最大水平移動值按公式（3）計(jì)算，沿煤層傾斜方向的最大水平移動值按公式（4）或（5）式計(jì)算。

式中：Ucm——充分開采的最大水平移動值，mm；

h——表土層厚度，m；

b(α)——水平移動系數(shù)，隨傾角α變化；

P0——計(jì)算系數(shù)，P0＝tanα-h/(H0-h)；當(dāng)P0＜0時(shí)，取P0＝0。

（3）最大傾斜變形值可按下式計(jì)算：

式中：icm——充分開采的最大傾斜變形，mm/m。

（4）最大曲率變形值可按下式計(jì)算：

式中：kcm——充分開采的最大曲率變形，10-3/m。

（5）最大水平變形值可按下式計(jì)算：

式中：εcm——充分開采的最大水平變形，mm/m。

9#煤層開采地表移動變形基本參數(shù)及各采空區(qū)最大值見表2、表3。

表2 9#煤層地表移動變形基本參數(shù)表（傾角α=6°）

表3 各采空區(qū)地表移動最大值計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算選用中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的“煤礦地表沉陷預(yù)測軟件（hpMSPS0）”。

2.2 地表最大下沉速度

最大下沉速度與開采深度、工作面推進(jìn)速度、煤層頂板巖層性質(zhì)等因素有關(guān)，可根據(jù)公式（9）計(jì)算：

式中：vcm——最大下沉速度，mm/d；

k——下沉系數(shù)，k=1.7；

Wcm——充分采動條件下地表最大下沉值，mm；

c——工作面推進(jìn)速度，m/d，取3.0；

H0——平均采深，m，取160。

各工作面推進(jìn)速度為3m/d，下沉最充分的點(diǎn)的下沉速度為：

2.3 地表移動延續(xù)時(shí)間

當(dāng)無實(shí)測資料時(shí)，地表移動的延續(xù)時(shí)間T可按下列公式確定：

根據(jù)計(jì)算，9 號煤最大采深H=175m，移動延續(xù)時(shí)間T=437.5d（1.2 年），即各工作面開采沉陷后1.2 年達(dá)到穩(wěn)定沉陷。

本礦9#煤層原采空區(qū)均在2008年以前開采，1.2年的地表移動延續(xù)時(shí)間，目前均已塌陷穩(wěn)定；9308-9309、9401-9402、9403-9404、9106-9108 工作面在 2011～2015 年開采，地表移動延續(xù)時(shí)間為1.2 年，目前已達(dá)到穩(wěn)定。

3 采煤對地面建筑物及土地的影響分析

3.1 對地面建筑物的影響分析

泰安煤礦9#煤層開采已造成地表塌陷面積共計(jì)378.73hm2，其中：1#采空區(qū)和2#采空區(qū)塌陷面積為95.41hm2，9308-9309 工 作 面 、9401-9404 工 作 面 、9106-9108 工作面及4#采空區(qū)塌陷面積為180.95hm2，5#采空區(qū)和6#采空區(qū)塌陷面積為102.37hm2。

地表塌陷范圍內(nèi)有4家房屋受9106工作面2011年開采所致，其余村莊建筑物均不受地表塌陷影響。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，這4家的房屋破壞等級為Ⅰ-Ⅱ級，屬輕微損壞，應(yīng)進(jìn)行簡單維修或小修即可。

3.2 對土地的影響分析

3.2.1 地表沉陷形式

根據(jù)本礦現(xiàn)有工程已開采9#煤層采空區(qū)位置，通過調(diào)查采空區(qū)內(nèi)沉陷影響，本區(qū)為低山丘陵地貌，表土黃土覆蓋層較厚，沉陷表現(xiàn)形式為地表裂縫、沉陷盆地和輕微的錯(cuò)位沉陷臺階，沉陷區(qū)不會出現(xiàn)積水現(xiàn)象。

地表移動盆地：受采動影響地表從原有標(biāo)高向下沉降，引起地表高低、坡度和水平位置變化，在采空區(qū)上方地表形成一個(gè)比采空區(qū)面積大的地表移動盆地。

裂縫及臺階：在地表移動盆地的外邊緣區(qū)，地表受拉伸變形超過抗拉強(qiáng)度。

3.2.2 沉陷土地?fù)p毀程度標(biāo)準(zhǔn)

采煤破壞土地的等級劃分采用《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程-井工煤礦》（TD/T1031.3-2011）沉陷土地?fù)p毀程度標(biāo)準(zhǔn)，詳見表4和表5來進(jìn)行土地?fù)p毀的預(yù)測。影響區(qū)內(nèi)土地破壞等級劃分結(jié)果為輕度、中度和重度破壞。

表4 旱地?fù)p毀程度分級標(biāo)準(zhǔn)

表5 林地、草地?fù)p毀程度分級標(biāo)準(zhǔn)

4 環(huán)境治理的對策與措施

4.1 地面塌陷的治理措施

4.1.1 塌陷坑的治理措施

（1）地面塌陷較淺且沒有積水的塌陷地，地面下沉量不大，地貌沒有太大的變化，只要在地表進(jìn)行修復(fù)平整，就可以恢復(fù)原有的耕地。

（2）地面塌陷較深且局部有少量積水的地方，地表下沉量較大，地表積水容易引起土地的鹽堿化，因此采取先排水再填平的措施。

（3）關(guān)閉的礦井塌陷區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施比較完好，在可以耕種的地方，拆除地面建筑物，恢復(fù)耕地，在不能耕種的地方，利用原有的廠房設(shè)施，發(fā)展其他副業(yè)。

（4）電廠附近的塌陷且沒有積水的地方，可以利用電廠排出的粉煤灰來填充塌陷地，這種方法簡單可行，而且經(jīng)濟(jì)合理。

4.1.2 裂縫的治理措施

（1）目前地表還沒有建筑物，但是已經(jīng)被規(guī)劃為建筑用地的土地，如果受采煤影響地表出現(xiàn)裂縫，最好另行選址，如果不能另行選址，建筑物就要避開地裂縫帶10～30m之外。

（2）受場地條件限制無法避讓的建筑，對其地基及上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，提高建筑物地基的整體穩(wěn)定性。對于普通的民用建筑物，一般可以利用淺埋式鋼筋混凝土加固地基，高層的或比較重要的建筑物，可使用箱型地基。

（3）對于裂縫地帶內(nèi)已有的建筑物，建筑物如果橫跨地裂縫，采取拆除的辦法；對于正交跨在地裂縫上的建筑物，可采取部分拆除的方法，以免建筑物整體都受到地裂縫的破壞。

地裂縫的治理還可以采取局部或暫時(shí)性回填的方法，同時(shí)在煤炭開采時(shí)要留設(shè)防護(hù)煤柱，達(dá)到支撐地表的目的。

4.2 土地資源占用與破壞的保護(hù)措施

土地資源的占用與破壞的主要治理措旋，是實(shí)現(xiàn)土地資源的復(fù)墾和生態(tài)系統(tǒng)的重建。本區(qū)的土地資源占用與破壞的表現(xiàn)形式主要為地面塌陷，保護(hù)措施主要是針對塌陷的土地進(jìn)行回填，作為農(nóng)業(yè)用地或建設(shè)用地。

4.3 采空區(qū)上建筑物的保護(hù)措施

（1）加強(qiáng)地基土層與建筑物界面特性的分析。

（2）加強(qiáng)采空區(qū)控制房屋變形的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）采空區(qū)房屋的加固。