煤矿开采沉陷分析及其防治措施研究

许凯

河南省煤田地质局资源环境调查中心

煤矿开采沉陷分析及其防治措施研究

许凯

河南省煤田地质局资源环境调查中心

地下采煤引发的地面沉陷给生态环境造成了严重的破坏,以某矿区为例，通过对采煤沉陷引发的地质环境破坏进行研究，论述了地面沉陷的形成机制，并提出防治措施，为矿区开展地质环境保护工作提供技术依据。

煤矿开采；地面沉陷；形成机制；防治措施

Coal mining;Ground subsidence;Formation mechanism Prevention and control measures

引言

煤炭资源是我国主要能源之一，而煤炭的开发和利用在给人类带来巨大经济效益的同时，由于开采对地表的扰动，产生了大面积沉陷。地面沉陷产生了许多次生环境灾害，也影响了人类的生存环境。目前，资源既要可持续利用，还要防治环境的破坏。基于此，本研究以某煤矿为例，着眼于煤矿开采沉陷形成过程，针对其即将或者既成产生的生态环境问题提出防治措施。

1 某矿区地面沉陷形成分析

1.1 地面沉陷形成过程

煤层开采后，采面上覆岩层产生垮落、断裂、弯曲，在地表形成一个比采空区范围大得多的沉陷区称下沉盆地，下沉盆地的地表移动过程可分为:初始期、活跃期和衰退期。地面“移动稳定”后，实际上还有少量残余下沉量，这个残余下沉量将持续相当长一段时间，这就是其沉降的持续性、长久性。从空间上来说，沉陷盆地的沉陷程度、范围、岩层移动形式与剧烈程度与岩层的物理力学性质、采煤方法以及煤层顶(底)板的管理方法、煤层的埋藏条件等密切相关。

煤层开采、顶板垮落、覆岩沉降和破坏乃至地表沉陷变形，是一个开采沉陷的全过程。采空区上覆岩层产生垮落、断裂、弯曲，由煤层的直接顶板开始，可将其分为三个区，由下而上依次为垮落带、断裂带、弯曲带，简称“三带”。

垮落带：在采用全部垮落方法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起煤层直接顶板的破坏。顶板在岩体自重力作用下，发生弯曲，当岩层内拉应力超过岩体的强度时，岩层发生破坏形成碎块状，因无支撑而垮落并充填采空区，形成垮落带。

断裂带：垮落带以上到弯曲带之间区段。该段岩层发生垂直于层面的裂缝、断开，有的岩层顺层面离开，但它仍保持原有层位，与垮落带之间无明显的界限。

弯曲带：由断裂带往上，岩层在自重力作用下产生法向弯曲，岩层仍保持其整体性和层状结构。

“三带”的形成主要取决于煤层的赋存条件、采煤方法、顶板管理方法和岩体的物理力学性质等因素。

1.2 跨落断裂带的发育高度计算

煤层开采后，在垮落带，岩层被断裂成块状，岩块间存在较大孔隙和裂缝。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂缝，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本上呈整体下沉，但软硬岩层间可形成暂时性离层，其岩体结构破坏轻微。虽经多年压实，仍不可避免地存在一定的裂缝和离层，其抗拉、抗压、抗剪强度明显低于原岩的强度。如果新建建筑物荷载传递到这两带，在附加荷载作用下会进一步引起下沉和变形，造成建筑物的破坏。根据该地下方采空区情况，煤采厚按4.0m计算，岩性主要为页岩、砂岩，其硬度为中硬岩，该区垮落断裂带的发育高度位于开采煤层之上50m。

1.3 最大下沉量和残余变形量

在超充分采动条件下，移动盆地内出现平底，地表产生均匀下沉。通过对地下采煤历史情况充分了解认识，预测地表残余最大下沉量可能达到300mm，最大水平变形东西方向2.2mm/m，南北方向2.6mm/m，最大倾斜变形东西方向3.2mm/m，南北方向3.7mm/m，建筑物可能产生的破坏等级为11。

2 煤矿开采沉陷影响

2.1 对土地资源的破坏

该矿区多年的近地面采煤活动引发地面沉陷面积达9.18km2，矿区附近广大地区大面积耕地遭到破坏，农田荒芜，无法耕种。特别是常年积水的低洼沉陷区内，耕地可耕性的降低常常是永久性的。如果不采取适当的整治措施，我们将永远失去这些土地。

2.2 对水资源的破坏

煤矿地下开采，破坏了地下岩石的产状和含水层及隔水层的连续性，再加上开采过程中大量疏排地下水，采矿后覆岩发生冒落和塌陷，使地下水的流向和流量发生改变，地下水位大幅度下降，导致矿区水资源严重缺乏，水土流失。另外由于地下水径流条件改变，致使该区地下水矿化度升高。

2.3 对地表建筑的破坏

采煤活动引起地表下沉、倾斜、水平变形等，对居民住宅、学校、管道设施、农田水利设施等受损。

3 采煤沉陷的防治措施

针对矿区具体情况，研究适合发展的采煤方法和工艺,合理布置开采工作面等措施来控制地表下沉量、下沉速度和范围，达到减灾目的。主要防治技术有：

(1)充填开采技术：减少地表下沉效果最好的途径，有水沙充填、风力充填、矸石自溜充填及离层注浆等方式。

(2)覆岩离层带充填：根据采空区上方覆岩移动形成三带的岩移特点，在煤炭采出后一定间隔内，用钻孔往离层带空间高压注浆，充填，加固离层带空间，将采动的砌体梁结构加固为稳定性较好的连续梁结构，使离层带的下沉空间不再向地表传递，以减少或减缓地表下沉。

(3)限厚开采：根据矿区地形、水文地质条件和建筑物抗变形能力，以不产生地表积水和满足建筑物所要求的保护等级为依据，确定可开采的煤层厚度，该技术采出率低，仅在薄煤层中应用有一定的使用价值。

(4)沉陷区的恢复和整治：矿区沉陷区的范围很大，部分沉陷积水严重。综合治理的主要方法为运用土地复垦技术，对破坏的土地进行整治和利用，其中有煤矸石粉煤灰造田复地、取土复垦、剥离复垦及综合利用沉陷地、生态养殖型治理沉陷地等方法。

4 结语

地下煤炭开采造成的地面沉陷对土地资源、水资源、地表建筑等带来巨大破坏，直接关乎当地居民的生活生产。鉴于采煤沉陷问题具有长期性、普遍性、严重性的特点，矿山要合理选择采矿方法和工艺、合理布置开采工作面，加大煤矿沉陷区生态环境治理的资金投入，正确处理环境保护与煤炭开采的关系，将由开采沉陷造成的各方面消极影响减小到最低程度，真正实现经济效益、社会效益和环境效益共赢。

[1]余学义,张恩强.开采损害学[M].北京:煤炭工业出版社.2004

[2]尹国勋,邓寅生,李栋臣.煤矿环境地质灾害与防治[M].北京:煤炭工业出版社.1997

[3]工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社.2007

Ground subsidence caused by the Underground coal mining, caused serious damage to ecological environment take a mining area as an example, according to the research of geological environmental damage caused by ground subsidence, discuss the formation mechanism of ground subsidence, and put forward control measures, provides the basis for mine geological environment protection work.

许凯，本科，工程师，从事地质工作方法研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.023