煤矿采空沉陷影响区的水土保持措施
2012-09-05张治国
贾 芳 张治国
(山西省水土保持科学研究所)
山西是一个煤炭资源大省，丰富的煤炭资源开采在带动地方经济快速发展的同时，也带来了地表沉陷、水资源破坏、水土流失及植被破坏等生态环境恶化问题。据统计，山西因采煤形成的采空区现已达到2万km2，相当于全省国土面积的1/8。采空造成的地面裂缝、变形、沉陷等，不仅造成部分农田毁坏，降低了土壤的蓄水保墒能力，而且导致植被生长环境变差、植被覆盖率降低，生态环境进一步恶化，更重要的是造成了铁路、公路等建筑物的破坏，严重地影响着人们的正常生产与生活。因此，科学地对煤矿开采造成的采空区及其沉陷影响区范围进行预测，提出较为可行的水土保持生态修复措施，显得十分必要。
1 采空沉陷影响区范围预测
由于煤炭开采形成采空区，容易发生沉陷，可能导致地下水位下降、地表下垫面条件的变化，从而使地表植物的生长受到影响，恶化生态环境。因此，对采空沉陷区进行预测，是十分必要的。采空沉陷后，还将对沉陷周边产生影响，所以，对采空沉陷区进行预测，还包括沉陷影响范围的预测。一般整合煤矿采空沉陷影响区包括两部分:一是整合前已形成的采空沉陷影响区，二是整合后首采区或首采工作面形成的采空沉陷影响区。
由于采空沉陷，造成的水土流失主要表现在采空沉陷造成的裂缝、塌陷等地表变形，在预测采空沉陷范围时，主要应考虑煤层上覆岩层的岩性、厚度及岩层的移动倾角、回采系数等影响因素。
1.1 已有采空沉陷影响区面积预测
首先根据井田开拓方式图，确定采空区范围。已有采空区包括整合各矿已有的采空区，除去相互重迭的部分。
预测时，结合地层综合柱状图和地质钻探资料，确定煤层上覆岩层厚度及松散层厚度，按岩层移动倾角72°，松散层移动倾角45°，计算得地表沉陷移动外扩范围。沉陷移动外扩范围加上采空区范围，即可得到已有采空沉陷影响区的面积。
1.2 首采沉陷影响区面积预测
首先，测算采空区。根据已有的地质资料，确定煤矿开采上覆松散层厚度及岩层厚度。然后按下式进行计算:
式中:S—采空区面积，hm2;
c—煤炭开采量，万t/a;
t—开采年限，a;
m—煤层厚度，m;
γ—煤的比重，t/m3;
k—回采率。
根据以上公式，计算得首采区的采空面积。然后，按岩层移动倾角72°，松散层移动倾角45°，计算得地表沉陷移动外扩范围，二者之和即为首采沉陷影响区面积。
已有采空沉陷影响区面积与首采沉陷影响区面积之和，即为该整合煤矿在水土保持方案服务期内的采空沉陷影响区面积。
2 采空沉陷区水土保持措施
由于采空沉陷的不均匀性，对地表造成的破坏也不均匀，相应的水土保持措施也不同。一般来说，采空沉陷区的水土保持措施包括以下方面。
2.1 工程措施
在采空中心区域，地表几乎是均匀下沉，不会产生裂缝，只做土地平整措施，尽量保持沉陷区原有的占地类型。
按照地表变形程度的不同，采空沉陷造成的裂缝包括轻度裂缝、中度裂缝和重度裂缝。一般讲，宽度小于100 mm的裂缝为轻度裂缝，宽度在100－300 mm的裂缝为中度裂缝，宽度大于300 mm的裂缝为重度裂缝。根据裂缝的大小，采取不同的措施:对于轻度和中度裂缝，直接用土填充;对于重度裂缝，先剥离两侧表土，用矸石或土石料填充，然后在其上覆土。
坡耕地根据坡度采取不同的措施:15°以下的坡耕地采用就地充填和土地平整措施，15°－25°的坡耕地采取坡改梯措施，25°以上的坡耕地采取退耕还林措施。梯田的复垦措施主要有平整土地、充填裂缝、适当修整被损毁的地坎等。
2.2 植物措施
采空沉陷区的林地，复垦方向仍是林地。复垦措施除充填裂缝外，主要为补种树木、撒播草籽和管护。复垦区内的其他草地与裸地，适合复垦为草地。
采煤结束后，原地表遭到较大损毁，在生态脆弱条件下依靠自然恢复较困难，且周期长，要加快恢复植被与土地生产能力，首先筛选先锋植物对复垦区土地进行改良，同时要筛选适宜的适生植物作为恢复植被的对象。通过先锋植物的引入，改善矿区复垦地植物的生存环境，为适生植物和树种的生长、人工耕作和重建生态提供条件。
2.3 耕作措施
通过生物改良措施，改善土壤环境，恢复土壤肥力与生物生产能力。种植豆科植物，增加土壤有机质。也可采用增施有机肥料来恢复土壤肥力及生物生产能力。当然，也可增施一些无机肥料。对复垦后的贫瘠土地，需进行土壤理化性状的改良，以加速生土熟化，提高单位面积产量。
2.4 监测措施
对采空沉陷区实施水土保持监测，有利于及时掌握沉陷动态，以保证复垦工作的顺利开展。一般开采初期，沉陷不明显，需要对采区进行长期监测。监测的内容主要是沉陷、裂缝发生情况和水土流失情况。监测沉陷、裂缝的目的，是随时根据实际的土地损毁情况调整方案的设计，做好复垦的前期工作。监测水土流失的目的是为了及时消除水土流失危害。另外，通过监测获得科学数据，还可以为本地区由于地下采空地表产生移动变形规律的研究提供宝贵的现场资料。
