煤矿开采造成地面沉陷的主要形式及其防治策略

2010-02-14刘海明

中国煤炭 2010年1期

关键词：矸石条带采空区

刘海明

(西山煤电集团公司东曲矿,山西省古交市,030200)

★节能与环保★

煤矿开采造成地面沉陷的主要形式及其防治策略

刘海明

(西山煤电集团公司东曲矿,山西省古交市,030200)

总结了地面沉陷的主要形式,以及地面沉陷对工农业及环境的影响。针对地面沉陷的现状,提出了调整开采方案、“采—注—采”三步法原理、以废治害、依法治理、政策扶持、综合利用的防治方案及相关的预防措施。

地面沉陷采空区环境影响防治方案

1 地面沉陷的主要形式

(1)沉陷盆地。受到采动影响的区域,地表的标高下降,在采空区的上方形成面积远大于采空区的沉陷区域,称为地表沉陷盆地或地表移动盆地。沉陷盆地在刚达到充分采动时呈现出碗形,而超充分采动时呈盘形。地表沉陷盆地的形成,改变了原来的高度、坡度和水平位置,给区域内的建筑物、道路和生态环境带来了不同的影响和破坏,使农田减产甚至绝收。

(2)裂缝和台阶。由于地下开采所产生的裂缝主要产生于沉陷盆地的外边缘,其宽度为几毫米至几十厘米,深度可达几十米,甚至有的与采空区相通。裂缝两侧有时产生落差,形成台阶甚至张开裂口。

(3)沉陷坑。在开采急倾斜煤层、浅部的倾斜煤层或采深很小采厚很大的情况下,用立柱式采煤或水力采煤时,由于采厚不均匀,造成覆岩破坏的高度不一致。

2 地面沉陷对工农业及环境的影响

(1)对农业的影响。地面沉陷使土地产生不同密度、宽度和落差的裂缝,使土地耕种的难度增加,资金和劳动力投入增大。塌陷洼地出现积水,无法排出,成为水塘,土地将丧失耕种价值,使可耕地面积减少。地面沉陷同样可能使农村的建筑物、道路交通、输水、供电以及排灌等设施受到不同程度的损害或破坏。

(2)对工业的影响。主要是地面沉陷引起的垂直变形和水平变形可能破坏工业厂房的地基,使其产生不均匀沉降、水平拉伸或压缩变形,从而使厂房和机器设备受到不同程度的损害或破坏,使生产受到影响。

(3)对环境的影响。地面沉陷裂缝在某种程度上改变了地面大气降水的径流与汇水条件,使部分地表水通过沉陷裂缝渗入地下,从而使地面大小河流等水系流量减小甚至干涸;其次是开采沉陷引起的沉陷裂缝,使上覆岩层含水层和松散含水层遭受一定程度的破坏,部分松散层和上覆基岩含水层中的地下水沿沉陷裂缝渗入采空区或开采煤层下方深部含水层,从而使采空区的地下水位降低,许多地表井泉等水源的水量减少甚至干涸。此外地面沉陷也可使水体受到污染,即地表或地下水通过松散层和岩层沉陷裂缝渗入井下采空区或深部含水层的过程中,可能携带地表和岩土层中的细菌和有害物质,同时在矿井和采空区中积存时,又可能受到人为和工作面作业过程中的废油、煤尘及废水的污染,矿井废水如果不经过处理排放到河流中,亦可使河流水受到污染。

3 地面沉陷的防治

3.1 调整开采方案

在一般开采深度条件下,减少地表下沉的开采措施主要有:采用充填采矿法,减少地表下沉,其减少程度取决于充填方法和充填材料。按材料的不同,可分为水砂充填、煤粉灰充填和矸石充填等。其中水砂充填效果最好,但其成本过高,只适合于特定地区采用。合理确定采宽和保留矿柱宽度是关键问题,留宽过大,采出率低,留宽过小,矿柱易遭破坏;采宽过大,地表可能出现不均匀下沉,对保护建筑物不利,采宽过小,则回采率低。

当几个矿层或同一个矿层的几个部分同时开采时,根据它们的工作面相互位置关系,每个工作面的开采影响可能是互不联系的,也可能是彼此重叠的。如一个工作面水平拉伸变形和第二个工作面的水平拉伸变形叠加,使地表出现的水平拉伸变形值大大增加。为避免这一情况的发生,可采取协调开采法,就是将同时开采的几个工作面错开一定的距离,使因开采而产生的地表变形应力相互抵消,以减轻沉陷灾害的发生。

由于上覆岩层强度的差异,矿层开采后在软层与硬层之间常形成离层空间,离层高压注浆法可以解决这一问题。在离层空间还没有扩展的情况下及时打钻注浆以控制上覆盖层弯曲下沉,减少沉陷量。

保护矿柱很大时,一般应连续不停顿地进行回采,避免在矿柱范围内形成永久性的开采边界,使本来只承受动态变形的地表发展到承受静态变形,对建(构)筑物造成损害。经验表明,在有断层、采区边界、阶段或水平边界时,容易形成回采工作面的长期停顿和永久性边界。因此,应在断层两侧,事先做好开拓准备工作,尽可能地保证回采工作连续进行。

3.2 “采—注—采”三步法原理

第一步:首先开采窄条带工作面。留煤柱(宽条带)控制覆岩移动,采后覆岩破坏形成自然平衡拱式平衡体系,地表沉陷与变形微乎其微。

第二步:注浆充填与固结窄条带采空区垮落、断裂带破裂岩体。注浆材料可选用成本较低的粉煤灰—高水材料(水泥)或砂—高水材料(水泥)复合浆液,将采空区及其上覆破裂岩体固结为一个整体,形成复合固结体,恢复其承载能力。

第三步:开采剩余的宽条带煤柱。为保证固结破裂岩体支撑带的稳定性和减轻注浆、冒矸对煤炭质量的影响,便于掘进上、下巷道及保证其稳定性,在宽条带开采时,两侧应各留一宽5 m左右的小条形隔离煤柱。利用恢复了承载能力的复合固结岩体条带支撑上覆岩层,实现荷载转移,形成以小煤柱包裹的复合固结岩体条带支撑、老顶砌体梁和上部完整岩层为主要结构的覆岩移动与稳定体系,地表将形成类似于条带开采的大面积平缓下沉状态,达到降低地表沉陷量、减小地表变形值的目的。初步预计采用这种方法控制地表沉陷,最终可将地表下沉率控制在25%左右,最终的工作面面积采出率达到80%～90%,接近常规的大面积长壁工作面的采出率。

在目前的开采技术条件下,采用“采—注—采”三步法开采既可以实现对上覆岩层和地表塌陷的有效控制,又可大幅度提高煤炭资源的采出率;单个工作面的开采工艺可采用常规方法,采空区注浆加固工艺控制简单。因此,应用此方法进行地表沉陷控制在目前技术条件下是可行的,对于解决建筑群下不搬迁采煤和采煤塌陷区沉降量过大导致的环境破环问题,实现矿区资源开采和环境保护的统一,极具实用价值和应用前景。

3.3 以废治害

矿区沉陷是矿山地下采空造成的,而采出的矸石、尾矿等无法利用部分却作为废弃物堆积在矿区周围,既占用土地又污染环境。以废治害就是用尾矿、矸石、粉煤灰填埋沉陷区,治理沉陷灾害。具体办法是:在用尾矿、矸石填埋前,先将沉陷区表土剥离另放,然后充填矸石、尾矿至目标标高以下0.5 m处,再覆以表土到原标高,这样既可以使地形得以复原,保持原来的土质和肥力,还减少了因堆积矸石、尾矿而占用的土地,同时可以减少或消除沉陷区和废石堆对环境的污染。若经周密规划,则可变荒芜之地为风景宜人、工农业兴旺的良好用地。

3.4 依法治理,政策扶持

为了保护土地,管理开发矿产资源,我国先后制定了《中华人民共和国矿产资源法》、《环境保护法》、《土地管理法》、《煤炭法》、《水土保持法》, 1988年国务院制定了《土地复垦规定》。《中华人民共和国煤炭法》第十一条指出:开发利用煤炭资源,应当遵守有关环境保护的法律、法规、防止污染和其他公害,保护生态环境。第十二条指出:煤矿建设应当坚持煤炭开发与环境治理同步进行。

通过法规的制定,使我国初步走上了开采、治理、保护的法制轨道。地方政府也根据各地的实际情况,对土地保护制定了相应的办法和规定,对煤矿塌陷复垦的范围和补偿标准等提出了明确的规定,取得了很好的社会效益和经济效益。

3.5 综合利用

有些矿区在地面塌陷区充填矸石、粉煤灰、整平土地,用于建设工业企业、工人新村、文化场所、道路等。有的矿区利用塌陷区兴修池塘、发展水产、建设游乐场所。对于经济条件较好、管理水平较高的地区,大力推广生物链等生态复垦工程。对于潜水位较低、塌陷区较浅的稳定区域,采取合理布局排水系统,降低潜水位措施,构筑梯田,达到稳定耕地的目的,使单一的农业经济走向农田耕作、水产养殖、多种经营一体化的集约式发展道路。