兖州矿区采煤塌陷地现状分析

2011-01-23田莉雅张秀兰

中国矿业 2011年1期

秦胜，田莉雅，张剑，张秀兰

(1.兖矿集团环保节能处，山东邹城 273500；2.兖矿集团铁路运输处，山东邹城 273500)

我国煤炭产量95%以上为井工开采，这种开采方式会破坏煤层覆岩的应力平衡状态,导致覆岩从下至上发生冒落、裂隙(缝)和弯曲下沉，使采空区上方地表发生大面积塌陷，并在地表产生大量的裂缝、裂隙，造成了东部平原矿区土地大面积积水受淹或盐渍化，加剧了西部矿区水土流失和沙漠化，破坏了矿区的土地资源。

1 采煤塌陷地分布特征

地表塌陷按其形态分为两大类：第一类是漏斗状塌陷坑和台阶状断裂，主要为开采浅部急倾斜煤层或开采深度与煤层开采厚度之比小于20的缓倾斜煤层所引起的；第二类是地面平缓的塌陷盆地，主要为开采深部急倾斜煤层或开采深度与煤层开采厚度之比大于20的缓倾斜煤层所引起的。塌陷形成过程一般从开始下沉到最终稳定需1～3a，地表塌陷最大深度约为煤层开采深度的0.7～0.8倍(个别矿区由于开采引起地下含水层或流沙层疏干甚至可大于1.0倍)；塌陷体积约为煤层开采体积的0.6～0.7倍，塌陷面积约为煤层开采水平投影面积的1.2倍。

兖州矿区自第一对矿井南屯煤矿投产以来，随着其他矿井的陆续建成和投产，至2006年底，已累计采出原煤50246.22×104t，塌陷土地8952.38hm2，综合万吨塌陷率为0.178hm2/104t。塌陷土地面积随原煤产量的变化而变化，总体趋势是不断增加，但随年份变化差异较大，最小万吨塌陷率为1977年的0.071 hm2/104t，最大万吨塌陷率为1982年的0.486 hm2/104t，近几年，万吨塌陷率有所下降，2006年，只有0.141 hm2/104t。兖州矿区年塌面积与原煤产量的关系图见图1，累积塌陷面积与累积煤炭产量动态关系图见图2。

2 采煤塌陷地类型特征与危害

2.1 采煤塌陷地类型特征

兖州矿区地势平坦，煤系地层上覆厚层的新生界松散沉积物，岩性以亚砂土、亚黏土、黏土、淤泥质为主，可塑。采空区地面塌陷在地表上表现为凹陷盆地形态，而非漏斗状或台阶状，多为低缓开阔的勺形洼地，其四周略高，中间稍低，中心深度一般为0.5～9.0m，平均为5m，塌陷幅度大。边缘与非塌陷区逐渐过渡，其间没有明显的界线。凹陷盆地平面形态多为近长条形，其次为方形、近圆形，长度一般为300～2000m，宽度一般为200～800m，这主要是由于煤矿开拓巷道多为长方形布局而形成的。部分地段因采区相连，若干个塌陷坑连为一体，形成大的塌陷区。

图1 兖州矿区年塌陷面积与原煤产量的关系(1977～2006年)

图2 兖州矿区累积塌陷面积与累积煤炭产量动态(1977～2006年)

2.2 采煤塌陷地的危害

充州矿区煤炭开采强度大，开采引起的地表塌陷移动和变形量大、范围速度快。矿区内地势平坦、村庄密集、人口稠密、土地肥沃。国家铁路干线京沪铁路、兖菏铁路横贯矿区，公路四通八达，高压线、河流和地表建筑物分布全矿区。开采塌陷引起地表形态的破坏、建(构)筑物、铁路桥涵、河堤、高压线路管道损坏和经济损失，己经成为制约矿区发展的重要因素。

(1)塌陷对农业的危害

受煤炭开采影响，地表形成塌陷。造成地面积水，使大面积良田因此而荒废绝产，村庄由此而不得不搬迁。另一方面新建村庄的占压土地。受灾村庄的搬迁需重新占用采空区以外的耕地来修建住房以及建设其他公共设施，因此，造成了对土地资源的进一步侵占和破坏。

(2)塌陷对煤矿生产的影响

采煤塌陷在地表主要表现为非连续变形(塌陷坑、地裂缝、台阶和滑坡等)，使煤层围岩中含水层的水以及开采影响范围内的地表水溃入井下，从而导致灾害性透水事故和使浅层地下水位下降或丧失，给煤矿继续生产带来安全隐患。

(3)塌陷对地面建筑物的破坏

地表产生的移动与变形，破坏建筑物与地基之间的初始平衡状态。伴随着力系平衡的重新建立，使建筑物中产生附加应力，从而导致建筑物发生变形，直至损害和破坏。

(4)塌陷对交通运输的危害

地面塌陷对公路、铁路的正常运输造成的危害较大，表现在公路路面下沉，甚至积水，铁路路基陷落，铁轨弯曲或悬空。

(5)塌陷对河流堤坝的危害

塌陷影响的堤坝，将发生下沉和水平位移。水平位移能破坏堤体的完整性，使之出现张裂带和破碎带，从而降低了堤坝的强度和防渗能力。

(6)塌陷对社会和生态环境的影响

塌陷使大片土地沦为积水洼地或沼泽，原有的自然植被、农作物将无法生存。采空区上方陆生生态植物将明显减少，甚至消失。陆生植物和农作物将被水生植物替代，塌陷区由原来的平原陆地农业生态环境转变为水生生态环境。塌陷使当地居民失去了部分土地，人口增加与土地减少的矛盾日益加重，造成这些地区的农民生活困难，给当地政府增加了负担，给社会增添了不安定因素。

3 采煤塌陷的影响因素分析

3.1 煤层条件

主要指煤层的埋藏深度、厚度及倾角。在通常情况下，同一矿区煤层厚度大、埋藏深度浅的采空区，在地表形成的塌陷规模和危害程度较大，变形扩展到地表所需时间也相对较短。若煤层厚度较均匀且较小，在开采深度较大的采空区，采空顶板冒落变形发展到地表所需时间较长，产生的地面塌陷及危害程度相对较轻。

3.2 开采深度与开采条件

开采深度是岩石和地面移动的最主要因素之一。当其他所有条件相同时，随着开采深度的增加，地面移动将具有更平缓和更平静的性质，开采影响反映到地面所经历的时间也更长，地面移动进行得越发缓慢些。

开采条件是产生采空区上方塌陷的主要原因，条带开采时q(下沉系数)为0.03～0.15，水砂充填时q为0.06～0.20，长壁顶板自由塌落开采时q为0.60～0.80。

3.3 顶板岩性特征

煤层开采后，顶板岩性与其组合结构不同，岩移塌陷的情况也会不同。当上覆岩层强度高，分层厚度大时，矿层顶板局部或大面积暴露后易形成悬顶，冒落塌陷过程所需时间长，地表不变形或变形甚微；当上覆岩层厚度较薄，强度也相对较弱时，矿层顶板随采随垮，其上覆岩层不易形成悬顶，发生弯曲下沉与变形，产生地面塌陷时，不但速度快，塌陷规模也相对较大。

4 采煤塌陷地复垦条件分析

4.1 配套复垦资金

采煤塌陷地的复垦开发，关系到塌陷区居民生产、生活，一直受到当地政府及各部门的高度重视。塌陷区居民对于复垦政策“谁复垦，谁受益”也大力支持并积极参与复垦工程。兖州矿区是我国华东地区主要的煤炭生产基地，目前，领导阶层己充分认识到由于采煤而带来的一系列生态环境问题，已投入大量资金整治煤矿塌陷地。

4.2 矿区矸石资源的可利用性

利用煤矸石回填地表塌陷地是煤矿因地制宜治理采煤塌陷的一种综合利用措施。回填方式有两种，一是直接将矸石铺盖在填充区域上，压实后作为其他用处;二是将原地表耕层土挖起来，填入矸石，再在其上覆盖原来的耕作土壤，覆土层厚度约0.5～0.8m，恢复为农业用地。煤矸石是煤炭开采加工过程中排出的，由煤层中的夹石和混入煤中的顶底板岩石以及少量的煤构成。煤矸石的主要成分有C、H、O、S、Fe、Pb、Ca等常量元素，由于成煤环境不同，也常会有Cu、Hg、Se、Mn等微量有害元素。通过对兖州矿区的煤矸石化验，分析利用煤矸石回填塌陷区在技术上的可行性，结果如下:

(1)煤石化学成分分析

化学成分是评价研石性质决定其利用途径的重要指标，煤研石的化学成分随其成煤地层岩石的种类和矿物组成不同而变化。现将其主要成分与黄土成分比较，结果如表1所示。

表1 兖州矿区煤矸石化学成分分析

从表1可以看出，煤矸石化学成分与黄土成分相似，用来作为回填复垦原料，不会导致土地质量下降。

(2)煤矸石有害元素对土壤和地下水的影响

煤矸石含有一定量的有毒有害元素，掌握这些元素的含量可以分析矸石回填塌陷地可能对土壤和地下水形成的影响，从而有效地防止矸石回填可能形成的二次污染，结果如表2所示。

表2 兖州矿区煤矸石有害元素含量分析单位：mg/kg

从表2可以看出，煤矸石中各元素含量与当地土壤的背景值基本一致。煤矸石的化学成分与黄土母质相似，各有害元素的含量与当地土壤的背景值基本一致，所以利用煤矸石回填采煤塌陷地覆土造田基本不会对周围水体和土壤形成二次污染。

4.3 复垦投入——产出分析

兖州矿区己经对现有的采煤塌陷地进行了一定的治理，在沉陷地积水较深的区域建立了无土栽培蔬菜大棚，蔬菜上市后，因其口感好、无污染和品种新取得了很好的市场信誉，发展前景看好。在一些地方修建了渔塘，也取得了一定的收入，需在以后的过程中积累经验，不断提高渔塘的产量。表3为兖州矿区沉陷地复垦整理工程部分投入及产出情况。