煤礦開采地面沉陷變形預(yù)測及防治對策

李學(xué)軍，張?zhí)煳?，孟?/p>

（1.寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院（自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)研究所），寧夏銀川 750021；2.寧夏德坤巖土工程有限公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

隨著煤礦的大面積開采，引發(fā)了較多的環(huán)境地質(zhì)問題，并且顯得愈發(fā)突出，給礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了較大危害，而礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化及環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題已經(jīng)成為影響礦區(qū)社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展及自然生態(tài)環(huán)境改善的重要因素[1]。

煤礦區(qū)最常見的環(huán)境地質(zhì)問題有土地毀損、次生災(zāi)害、環(huán)境污染、水土環(huán)境破壞四大類型。主要表現(xiàn)為地表塌陷、地面沉降、地面開裂、水土流失、泥石流、含水層結(jié)構(gòu)破壞、地下水位下降、水體污染、煤（矸石） 自燃對大氣污染、植被退化、土地沙化、矸石壓占土地、地貌景觀改變等環(huán)境地質(zhì)問題，采空區(qū)沉陷是煤礦區(qū)最常見的環(huán)境地質(zhì)問題之一。本文以羊場灣煤礦為例，通過對礦區(qū)采空區(qū)地表沉陷狀況進(jìn)行調(diào)查，對沉陷區(qū)范圍，影響程度進(jìn)行評估，結(jié)合采掘接續(xù)計(jì)劃，對中遠(yuǎn)期開采地面沉陷變形進(jìn)行預(yù)測，并提出治理恢復(fù)措施[2]。

1 基本概況

羊場灣煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武寧東鎮(zhèn)境內(nèi)的碎石井礦區(qū)，區(qū)域內(nèi)煤炭資源儲量豐富，地質(zhì)構(gòu)造屬中等，開采技術(shù)條件優(yōu)越。煤礦核定生產(chǎn)能力為1200 萬t/a。一號井11、12 采區(qū)已開采結(jié)束，目前主要開采13、15 采區(qū)上組煤2 煤層，采用斜井和立井混合開拓方式。二號井目前主要開采2 煤層和6 煤層，采用單水平上下山開拓方式。采用走向長壁后退式采煤、綜合機(jī)械化采煤放頂?shù)墓に嚕ぷ髅骓敯宀捎萌孔匀豢迓浞ü芾?，采空區(qū)頂板隨采隨落[3]。

2 礦山環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀評估

羊場灣煤礦投產(chǎn)以來，隨著井下煤炭資源持續(xù)開采，在11、12 采區(qū)、二號井大部及20 線南幾個(gè)采區(qū)地表已形成了較大面積的采空沉陷區(qū)。礦井北部煤層淺埋區(qū)域，沉陷區(qū)范圍略大于采空區(qū)范圍。其余大部區(qū)域，沉陷區(qū)分布及平面形態(tài)與采空區(qū)布置范圍基本接近。經(jīng)調(diào)查，在采空區(qū)邊緣已產(chǎn)生較多地裂縫，說明采空區(qū)地層已發(fā)生拉伸變形，產(chǎn)生地面塌陷。該區(qū)地表變形一般以整體沉陷為主，在塌陷區(qū)邊緣煤壁支撐區(qū)產(chǎn)生地裂縫，塌陷區(qū)地形總體顯負(fù)地形特征，相對原生地貌形態(tài)而言，形成高低不平的塌陷區(qū)，對塌陷區(qū)內(nèi)的地形標(biāo)高和地表形態(tài)產(chǎn)生了較為較大影響，并使上述區(qū)域的原生地形地貌景觀發(fā)生了較大變化?？傊?，煤礦開采活動(dòng)對采空區(qū)的地形、地貌、生態(tài)景觀造成較為嚴(yán)重的影響[4]，如圖1 所示。

圖1 礦區(qū)地裂縫及沉陷盆地照片F(xiàn)ig.1 Photos of ground fissures and subsidence basins in mining areas

經(jīng)調(diào)查，羊場灣井田現(xiàn)已形成采空區(qū)面積2707.18 hm2。開采形成的塌陷區(qū)面積為2977.62 hm2，地面塌陷最大值為3.03 m。地裂縫主要分布在采區(qū)和塌陷范圍的邊緣及各煤柱附近，裂縫寬度5 ～80 cm，長度0.5 ～80 m，裂縫可見深度達(dá)0.8 ～2.6 m；塌陷臺階的高度0.3 ～0.8 m。在地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)及治理過程中，該礦雖已對部分裂縫及時(shí)進(jìn)行了填埋，但現(xiàn)狀條件下發(fā)現(xiàn)局部地段仍有地裂縫地質(zhì)災(zāi)害存在。

3 塌陷區(qū)地表變形特征分析及預(yù)測

3.1 塌陷區(qū)地表變形特征分析

地面沉陷是煤礦開采后最為典型的地質(zhì)災(zāi)害，地表沉陷變形量的大小與采深、采厚、采煤方法、頂板管理方法、開采范圍大小、開采時(shí)間、覆巖的工程地質(zhì)性質(zhì)、松散層厚度及水文地質(zhì)等因素有著密切的關(guān)系。煤層開采所造成的地表沉陷及變形是隨時(shí)間、空間而不斷變化的復(fù)雜的四維空間問題，在時(shí)間和空間上具有某種函數(shù)關(guān)系。地表沉陷是巖體移動(dòng)的外在表現(xiàn)，巖體移動(dòng)是地表沉陷的內(nèi)因。地面變形范圍及程度與煤層采深、采厚、煤層傾角、覆巖性質(zhì)、工作面走向長度和傾斜長度、工作面推進(jìn)速度、開采方法及頂板管理方式等因素關(guān)系密切。煤層采深越深，地表移動(dòng)時(shí)間越長。煤層傾角發(fā)生變化，地面變形范圍也有較大差異[5]。

根據(jù)該礦130201 工作面對地表移動(dòng)觀測及研究資料，從傾向和走向的移動(dòng)和變形規(guī)律來看，工作面中部下沉量最大，工作面邊界的上方區(qū)域傾斜量及整體變形曲率最大，工作面的邊界及工作面邊界上方相應(yīng)范圍的水平位移最大[6]。

羊場灣井田屬特厚煤層及煤層群開采，采礦類型及條件復(fù)雜。根據(jù)該礦實(shí)際觀測統(tǒng)計(jì)，當(dāng)煤層深厚比＜30 時(shí)，在采煤工作面推進(jìn)時(shí)，超前于采掘工作面5 ～8 m 的地表出現(xiàn)明顯的破壞拉張地裂縫，每組裂縫的間距約4 ～12 m。當(dāng)工作面經(jīng)過，隨時(shí)間推移，先前出現(xiàn)的裂縫又出現(xiàn)了合攏現(xiàn)象。待采煤結(jié)束一段時(shí)間后，沿采空區(qū)外邊線地表出現(xiàn)較多較大的，平行與采空區(qū)邊緣范圍的拉張裂縫并形成大小、深淺不同的塌陷坑，給地表形態(tài)及完整性造成破壞，形成不同規(guī)模的地表沉（塌） 陷盆（洼）地。當(dāng)?shù)乇沓料菖璧剡_(dá)到穩(wěn)定后，盆地中心位置的地表下沉量最大[7]。

3.2 塌陷區(qū)地表變形量預(yù)測

羊場灣礦井為井下開采，隨著新的采空區(qū)的大面積形成，采空沉陷的范圍將不斷擴(kuò)大。根據(jù)羊場灣煤礦開采煤層厚度與覆巖結(jié)構(gòu)特征，未來隨著開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是采厚較大的多個(gè)煤層重復(fù)開采，煤層開采結(jié)束，大面積放頂后，由工作面頂部至地層淺部形成垮落帶、裂隙帶和整體下沉移動(dòng)帶[7]。覆巖的變形及移動(dòng)最終會波及地表，地表最終形成沉降盆地。地表移動(dòng)盆地的發(fā)生、發(fā)展及最終形成在空間和時(shí)間上具有一定的規(guī)律，盆地中心區(qū)域則以垂向下沉為主，而水平方向上的位移和傾斜移動(dòng)量則相對較小?？拷璧剡吘墔^(qū)域及外側(cè)邊緣區(qū)域（煤壁支撐區(qū)） 的傾斜位移及水平位移變形量較盆地中心區(qū)域更為明顯[8]。

由于該井田可采煤層較多，中遠(yuǎn)期采用多煤層依次開采的方式，即出現(xiàn)多煤層的重復(fù)采動(dòng)，從而導(dǎo)致對覆巖及地表的持續(xù)擾動(dòng)。另外，下部煤層的開采活動(dòng)，對上部開采已形成并達(dá)到穩(wěn)定的地層再次擾動(dòng)，又使已達(dá)到穩(wěn)定的沉陷區(qū)再度“活化”。因此預(yù)測評估中遠(yuǎn)期井下開采對地形地貌的環(huán)境地質(zhì)影響嚴(yán)重。

根據(jù)該礦采區(qū)劃分及工作面采掘接續(xù)計(jì)劃，將首采上層煤2 煤層作為一個(gè)大層，埋深按1 煤埋深計(jì)，煤層厚取2 煤厚度，傾角8°～20°，平均取14°，估算整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)首采上煤層和疊加下煤層（14、15 煤） 重復(fù)開采時(shí)可能造成的地表移動(dòng)與最大變形量。按照《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》 （2017 版） 中推薦的公式進(jìn)行計(jì)算[9]。

（1） 下沉系數(shù)計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果，單層開采條件下的下沉系數(shù)為0.88；多煤層重復(fù)開采條件下的下沉系數(shù)為0.93。

（2） 水平移動(dòng)系數(shù)計(jì)算。

式中：α 為煤層傾角，b=0.3。

計(jì)算結(jié)果bc=0.34 ～0.35。

（3） 影響傳播角及主要影響角正切。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，影響傳播角θ在基巖中為70°，松散巖類為θ=45°。近期和中遠(yuǎn)期開采地表最大變形量計(jì)算結(jié)果見表1。綜合評估現(xiàn)狀采礦塌陷及其伴生地裂縫災(zāi)害的影響程度為嚴(yán)重[10-11]。

4 礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)

為防止發(fā)生因礦山建設(shè)和生產(chǎn)活動(dòng)造成礦山地質(zhì)環(huán)境問題或地質(zhì)災(zāi)害，改善礦山的地質(zhì)環(huán)境及生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)礦山地質(zhì)環(huán)境問題治理工作制度化、規(guī)范化，需要對開采礦山開展地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)和治理恢復(fù)工作。

（1） 為防止地面塌陷及地表主體工程的損毀，在井田邊界、地質(zhì)構(gòu)造帶、地面建（構(gòu)） 筑物（村莊、道路、輸水輸電線路）、主要井巷、區(qū)段及工業(yè)場地，依據(jù)井下巷道布置《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》 《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》 （2017 版） 和《煤礦防治水細(xì)則》留設(shè)煤柱。

（2） 加固地下巷道等方式，對地面建筑密集區(qū)采取保護(hù)性開采；嚴(yán)格按照開發(fā)利用方案確定的采煤順序開采，調(diào)整采煤方式，優(yōu)化工作面布局，科學(xué)管理頂板，減輕對環(huán)境的影響，減少損毀土地范圍。對已發(fā)生地面沉陷區(qū)及時(shí)進(jìn)行充填等防治措施；對分布在礦區(qū)內(nèi)的工程設(shè)施，實(shí)施工程防治措施和監(jiān)測預(yù)警，隨時(shí)觀測地表變形情況，對形成地面塌陷坑區(qū)應(yīng)及時(shí)回填。

（3） 完善監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)對沉陷區(qū)地表變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測。對采煤沉陷造成的范圍以及地裂縫應(yīng)及時(shí)巡查，隨時(shí)觀測地表變形情況，對形成地面塌陷坑（群） 應(yīng)及時(shí)回填。沉陷區(qū)域地表應(yīng)保證排水暢通，防止地表積水倒灌。尤其是位于排水沖溝內(nèi)的地裂縫在雨季對礦井安全影響很大，必須采區(qū)有效措施加強(qiáng)防范和治理。

對輕度破壞區(qū)，輕微裂縫地帶采用就地填補(bǔ)工程措施為主，生物措施恢復(fù)為輔的方法。根據(jù)開裂程度選用人工或機(jī)械作業(yè)，裂縫深度全部用沙土回填。距地表1 m 范圍處開始每隔0.3 m 左右分層夯實(shí)?；靥盍暇鶃碓从谒輩^(qū)井下，嚴(yán)禁從場區(qū)外外運(yùn)建筑垃圾廢渣等廢棄物回填。達(dá)到合適標(biāo)高后再覆蓋黃土，保證治理后不低于原土地生產(chǎn)力。

（4） 通過對土地進(jìn)行平整不僅消除因開采塌陷產(chǎn)生的附加坡度，而且借此機(jī)會對土地現(xiàn)狀進(jìn)行改善，提高產(chǎn)生力。

（5） 對塌陷區(qū)的復(fù)墾應(yīng)在采煤結(jié)束，沉陷穩(wěn)定后進(jìn)行。礦山閉坑后經(jīng)過拆除回填、土地治理后并進(jìn)行種植草籽綠化，達(dá)到與周圍地形地貌協(xié)調(diào)、恢復(fù)植被的要求。對于尚未達(dá)到穩(wěn)定的沉陷區(qū)域，應(yīng)高出周圍地面10 cm 左右，待其沉實(shí)穩(wěn)定后掌握與四周地面一致即可[12-13]。

5 結(jié)語

采空區(qū)沉陷在煤礦開采中不可避免，給礦區(qū)的地表和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，在煤礦開采過程中必須采取有效措施進(jìn)行預(yù)防。按照采掘接續(xù)計(jì)劃，對羊場灣煤礦中遠(yuǎn)期開采引起的地面沉陷變形影響進(jìn)行分析和預(yù)測，提出相應(yīng)的防治對策及保護(hù)措施，為礦區(qū)采煤沉陷區(qū)治理提供參考，以期實(shí)現(xiàn)良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。