淮北煤田地面塌陷成因机制、预测及治理措施 ——以五沟煤矿为例

许雪洁(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000)

淮北煤田地面塌陷成因机制、预测及治理措施
——以五沟煤矿为例

许雪洁
(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000)

以五沟煤矿地面塌陷为案例，将现场调查法与资料归纳法相结合，对煤矿区现状地面塌陷分布特征进行了分析。在重点开展地面塌陷的形态特征研究基础上，查明地面塌陷主要类型和分布规律，全面掌握淮北市煤矿区地面塌陷的影响因素及地面塌陷特点，运用概率积分法预测分析了煤炭矿区地面塌陷的发展趋势，为重点治理煤矿区地面塌陷提供依据。

地面塌陷；成因机制；概率积分法;治理措施

1 引言

淮北市是我国重要的能源工业城市，有煤炭矿山43个，其中大中型矿山20个(含6个在建矿山)，实际生产能力3 157×104t/a，开采深度达到1 000 m。大规模的资源开采造成地下大面积采空，地下岩体原有应力状态改变，原岩破坏失稳造成地表变形、下沉，导致了各种地质灾害现象频频发生，在所发生的地质灾害中，以采空区地面塌陷最为严重和普遍，其危害也最大。矿区地面塌陷地质灾害的恶化对矿区人民的生命财产安全构成严重威胁，影响了城市经济发展和社会稳定。截至目前，淮北市共40个矿山发生地面塌陷，塌陷面积达166.81 km2(计1.668×104hm2)，其中部分塌陷区已积水成湖，衔接成片，面积约40 km2。

五沟煤矿是近年来地面塌陷比较严重的矿区，其塌陷规模大，塌陷特征具有很强的代表性。通过对五沟煤矿矿区地面塌陷类型、分布形态和成因机制等分析，运用概率积分法对矿区采空塌陷进行预测，得出五沟矿区不同时间段地表塌陷及变形程度，并绘制出矿区地表塌陷及变形等值线图，为五沟煤矿采煤塌陷区综合治理规划提供基础资料和依据。

2 矿山概况及地质环境背景

2.1 矿山概况

2.1.1 矿山地理位置

五沟煤矿位于淮北市濉溪县五沟镇境内，东距宿州市约35 km，东北距淮北市约50 km，西南距蒙城县约30 km，地理坐标为东经116°36′07″～116°39′58″，北纬33°30′05″～33°33′36″。

五沟煤矿交通十分便捷，矿山内乡村道路交错。203省道(淮北-六安)由北向南从五沟煤矿穿过，工业广场位于203省道东侧，X016县道(宿州-涡阳)由东向西经五沟煤矿内五沟镇穿过；矿井东距京沪铁路芦岭车站约46 km，西至青阜铁路青疃车站约43 km，东北侧自西向东有淮北矿务局自营的青芦铁路通过，该线上的李槽坊站距井田约7 km。

2.1.2 生产能力及开采规模

五沟煤矿建于2005年6月，煤矿生产能力为150×104t/a，开采规模为大型矿山。截止2010年8月，矿井保有资源储量为11 906.1×104t，可采储量为7 005×104t，矿井剩余生产服务年限36 a。

2.1.3 采区布置与开采方式

全矿井共划分为西一、西二、南一、南二、南三5大采区块段。可开采煤层为31、51、52、71、72、81、82、10等8个煤层，总厚度为15.27 m；主采煤层为71、72、81、82、10等5个煤层。其中南一、南三2大采区以采10煤层为主，西一、西二、南二3大采区以采71、72、81、82、10等5个煤层为主。

本矿为地下开采，开拓方式为立井、主要石门和大巷开拓方式，中央并列式通风。采煤方法采用倾斜长壁与走向长壁相结合的综合机械化开采，顶板管理采用全部冒落法。采用一个水平上、下开采，水平标高为-440 m。2010年开始采用充填法回采。

2.2 地质环境背景

区域总的地势为西北高，东南低，地形坡降1/5 000～1/8 000。矿区内地形平坦，地面标高26.37～27.67 m。地貌单元属淮北平原，微地貌类型为河间洼地、河间平地。

五沟煤矿位于童亭背斜西翼中段，总体上为一受断层切割，且以向斜为主的复式褶皱构造组合。向斜的轴部呈反S形，形态上呈南端狭小、北端宽阔的近三角形展布。由于断层切割，矿区中部抬起，形成两个断陷。

矿区地层由奥陶系、石炭系、二叠系、第三系及第四系组成。含煤地层主要为二叠系下统山西组、下石盒子组和上石盒子组，含10个煤层(组)，其中可采煤层8个。矿区二叠系含煤地层总厚约970 m，煤层总厚15.27 m，可采煤层总厚10.69 m。

3 五沟煤矿地面塌陷成因机制

3.1 类型与分布形态

采煤塌陷是指由于井下开采煤炭资源，引发煤炭上覆岩层和地表下沉，导致大量土地资源沉陷的现象。根据沉陷的形态特征大致可分为3种主要类型：沉陷盆地、裂缝和台阶、塌陷坑。从分布面积上看，以沉陷盆地占绝对优势，裂缝和台阶是沉陷盆地的附属类型，沉陷坑的范围较小[1]。

煤层采空后，周围的围岩原来的应力状态受到破坏，采空区顶板岩层在重力和上覆岩层的压力下，产生向下弯曲、变形和移动，当顶板岩层内部形成的拉、张应力超过该岩层的极限抗拉强度时，顶板首先发生断裂破碎，相继冒落。接着上覆岩层向下弯曲、移动，进而发生断裂和离层。随着采煤工作面的推进，受到采动影响的范围也不断扩大形成沉陷盆地(图1)。由于煤层埋藏条件不同，开采煤层反映到地表的塌陷形态也不尽相同，一般为近椭圆形或长条形，小到几十平方米，大到几十公里[2]。

图1 地表移动形成过程示意图

五沟煤矿塌陷区主要分布在首采区即南一区，本区煤层倾角为10°～20°，角度较缓，塌陷类型为沉陷盆地，在沉陷区边缘地带衍生裂缝。分布形态为北东向，呈近椭圆形的塌陷区。本区潜水位较高，当塌陷深度大于潜水水位埋深时，第四系孔隙水向坑内汇集，形成大片塌陷积水区，见图2、图3。

图2 塌陷洼地

3.2 塌陷特征

用五沟煤矿开采方式将煤采出后，上覆岩层的破坏并非整体均匀移动，其下部岩层的竖向移动速度比上部岩层的大，并且移动早于上部，裂隙发育。根据上覆岩层的不同破坏程度，将其划分为3个带：冒落带、裂隙带和弯曲带。

图3 地裂缝

三个带中冒落带高度的计算公式为：

(1)

式中,H为冒落带的最大高度；M为煤层厚度；C、d为与上覆岩性有关的常数。C=1.6，d=3.6。

由表1可知，开采深部10煤层时，对顶板破坏最大最易形成塌陷。开采72、81、82煤层时对其顶板破坏也较大。

表1 五沟煤矿冒落带高度计算表

3.3 五沟煤矿地面塌陷成因机制

根据五沟煤矿地面塌陷类型与分布形态，可以按照影响函数法进行分析，为了进一步描述五沟煤矿开采地表塌陷的基本规律。下面给出一个矩形采煤区形成的塌陷盆地主断面(见图4)。图中的Wmax为放大的充分开采塌陷最大下沉值，W(x)为下沉曲线函数，坐标原点选在下沉曲线的拐点位置，拐点以外下沉曲线为凸形，拐点以内下沉曲线为凹形。一般拐点位于开采边界以内0.1H处，其下沉值约为0.5Wmax，下沉盆地边界在煤层开采边界0.5H以外，其下沉值为0。Wmax为极限下沉值，采空区再扩大时，其值不会再增加，只增加下沉盆地平底部分的宽度，下沉曲线的形态左右基本对称[3]。

图4 塌陷盆地主断面

3.4 五沟煤矿地面塌陷影响因素

(1) 煤层条件

淮北煤田一般地表沉降比为煤层采厚的0.8倍；岩层倾角在10～20，煤层倾角较缓。五沟煤矿采用一个水平上、下开采，在开采缓倾煤层条件下，埋藏深、煤层厚，导致五沟煤矿下沉系数偏大，依据《淮北矿区地表移动规律研究报告》，五沟煤矿下沉系数为1.10，下沉系数大，沉陷深度则大。由于埋藏深度较深，在地表形成的塌陷规模变形扩展到地表所需时间也相对较长，所以五沟煤矿塌陷一般会中间深，从底部到边缘以缓坡形式存在。

(2) 可采煤层顶、底板岩性特征

五沟煤矿主采煤层72、81、82、10四层。72、81顶板岩性以泥岩为主，其次为粉砂岩。底板以泥岩为主，其次为粉砂岩；82煤顶板岩性以粉砂岩居多，其次为泥岩。底板岩性以泥岩为主；10煤层顶板岩性以粉砂岩为主，其次为中砂岩、细砂岩和泥岩。底板岩性以粉砂岩为主，其次为泥岩和砂质泥岩及砂岩。

五沟煤矿为半坚硬类层状矿床。主采煤层顶、底板不同岩石的强度不一，砂岩一般胶结良好，坚硬致密，抗压强度高，属硬岩类，岩体质量中等；粉砂岩属中硬岩类，岩体质量差；泥岩相对抗压强度低，多属软岩类，岩体质量差。当采空区被采空后，上覆岩层在重力作用下，产生向下压力，导致地表下沉。

(3) 开采条件

五沟煤矿开采方式为走向长壁全部冒落法，但是在开采同时，对采空区进行充填，大大地减少采空区体积，也降低了地表水平移动系数，可有效地减缓地表塌陷的发生时间、规模及致灾程度。

4 五沟煤矿地面塌陷预测

地下开采引起的地表破坏范围和破坏程度可用地表沉陷产生的移动和变形值的大小来圈定和评价。平坦地区地表移动变形值的计算，按开采条件选用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的概率积分法对地表移动与变形进行计算。

4.1 计算移动盆地走向主断面上的移动与变形最大值

Wmax=η·m·cosα

Umax=bWmax

式中，Wmax为最大地表下沉值，m；Tmax为最大地表倾斜值，mm/m；Kmax为最大地表曲率值，10-3/m；Umax为最大水平移动值，mm；εmax为最大水平变形值，mm/m；M为煤层法线采厚，m；η为下沉系数；α 为煤层倾角，deg；b为水平移动系数；r为主要影响半径，m。

4.2 地表移动盆地内任意点的变形预测

以过采空区倾斜主断面内下山计算边界且以与走向平行的方向为计算的横坐标，以过采空区走向主断面左计算边界且与倾斜方向平行的方向为计算的纵坐标，任意剖面(与煤层走向成φ角)上任意点(x，y)的移动和变形计算公式如下：

(1) 地表下沉

(2) 地表倾斜

(3) 地表曲率

(4) 地表水平移动

(5) 地表水平变形

式中，D为开采煤层区域；(x，y)为计算点相对坐标。

其他符号意义同前。

4.3 参数的选择

本区选用地表沉陷系数为1.1作为初次采动和重复采动的地表沉陷系数。根据淮北矿区经验数值及本矿区实测值，主要影响正切值选用1.7。五沟煤矿地表形态变化预测参数，详见表2。

表2 地表形态变化预测参数

4.4 地表形态变化预测结果

根据概率积分法，矿区走向各煤层主断面地表最大下沉值、地表最大倾斜值、地表最大水平移动值和地表水平变形值预测结果见表3。

预测结果：近期(2010～2015年)五沟煤矿地面塌陷区分为两个区，总面积为969.00 hm2(含已塌陷区)，最大塌陷深度为7.0 m，其中塌陷深度0.01～1.5 m之间的区域，面积为343.53 hm2；塌陷深度大于1.5 m区域，面积为625.47 hm2(表4、图5)。远期(全井田开采完闭)地面塌陷区连成一片，总面积为1 457.40 hm2，最大塌陷深度为16.5 m，其中塌陷深度0.01～1.5 m之间的区域，面积为364.68 hm2；塌陷深度大于1.5 m区域，为积水区域，面积为1 092.72 hm2(表4、图6)。

5 治理措施

5.1 0.01～1.5 m塌陷区治理措施

沼泽、荒滩浅坡地的塌陷深度在0.01～1.5 m之间，塌陷程度较小，多分布于塌陷盆地的边缘地带，呈现从塌陷边缘向盆地中心逐渐下沉的形态。

1.矿界；2.矿井；3.工业广场；4.居民地；5.铁路专用线；6.水系；7.道路(主要道路乡村道路)；8.现状采空塌陷影响范围；9.预测近期采空塌陷影响范围；10.预测近期采空塌陷影响范围等值线(m)；11.采区界线；12.保护煤柱

图5 近期(2010～2015年)地面塌陷等值线图

1.矿界；2.矿井；3.工业广场；4.居民地；5.铁路专用线；6.水系；7.道路(主要道路乡村道路)；8.现状采空塌陷影响范围；9.预测近期采空塌陷影响范围；10.预测近期采空塌陷影响范围等值线(m)；11.采区界线；12.保护煤柱图6 远期(全井田开采完闭)地面塌陷等值线图

表3 五沟煤矿走向主断面最终地表下沉及变形最大值表

表4 五沟煤矿地表不同时段地面采空塌陷表

此类区域多为无积水或季节性积水，常伴有盐渍与水涝灾害，从而影响农作物种植期与生长期，降低农作物产量，通常在夏季因积水而成绝产田，秋冬春季由于地下水位下降，能种植部分农作物，故称之为“一季田”。塌陷区内排水系统、灌溉系统、道路等农田基础设施均遭受一定程度破坏。

由于塌陷深度不大，对土地利用方式的限制较小，适宜于耕、果、林及渔等多种用途，但由于采煤塌陷造成大量的耕地消失，塌陷区综合治理应最大限度地增加耕地数量，在国家当前耕地保护的严峻形势下，对于沼泽、荒滩浅坡地优先考虑采用挖深垫浅的挖塘造地模式。在具体确定复垦模式时，还应考虑政策需要，注重与土地利用总体规划和城市规划之间的衔接，了解土地利用总体规划与城市规划对该地块的规定用途，如为建设用地，应采用煤矸石填充的模式治理为建设用地，满足城市经济发展的用地需求。同时，对于原有土地为林业用地的，可采用煤粉灰充填覆土造林模式，如任圩林场自1986年开始，在粉煤灰上覆盖一层黄土，然后造林获得成功，这种模式也值得借鉴。

5.2 1.5～3.0 m塌陷区治理措施

塌陷浅水区的塌陷深度在1.5～3.0 m之间，由于淮北平原区地下潜水位较高，多在2 m左右，塌陷浅水区多为常年积水区域，常年积水深度约在0.5～2 m之间，无法种植农作物，失去耕地功能。治理方式只能在现状条件下，通过一定的工程、技术措施治理为可利用的水面。

此类区域适宜于水生植物及鱼类生长。通常采用围网养鱼的模式，把水面分割成若干片，分片进行投料与管理以提高产量。围网内可以养殖鱼类为主，适当放养少量水禽和水生植物，围网外以放养水禽和水生植物为主，适当放养少量鱼类。

5.3 大于3.0 m塌陷区治理措施

塌陷深水区的塌陷深度在3.0 m以上，常年积水深度多在2.0 m以上，此类区域土地破坏程度最为严重，原有土地生态系统被彻底打破，形成新的水生生态系统。

此类区域土地利用以水域为主，具体治理方式可根据相关规划及区位条件，治理为平原湖泊或湿地生态公园。同时，该区域也适宜于鱼类、水禽及水生植物生长，一般采用网箱养殖，网箱外可放养水禽、水生植物和鱼类。

在确定作为平原湖泊或湿地生态公园时，主要根据区位条件。对城镇郊区或居民较多的工矿区，可将塌陷深水区改造成湿地生态公园，供居民休闲观光；对居民较少，工农业用水或生活用水较为缺乏的地区，可治理为平原水库，同时采取一定的措施保护水体不受污染。

6 结论

淮北煤田煤炭资源开发在为社会贡献大量煤炭资源的同时，也引发了地面塌陷等环境地质问题，破坏了矿山生态地质环境。本文以五沟煤矿地面塌陷为案例，对五沟矿区现状地面塌陷成因机制进行了分析，运用概率积分法预测分析了五沟矿区地面塌陷的发展趋势，并提出矿区地面塌陷治理措施，为淮北煤田地面塌陷治理提供了基础理论依据。

[1] 何祥亮.淮北矿区杨柳矿地表沉陷综合评价及沉陷区生态恢复研究[D].合肥工业大学硕士学位论文,2009.

[2] 周群.采煤塌陷地致灾机理及恢复治理研究[D].山东农业大学,2005.

[3] 孙绍先,王华国.煤矿地表塌陷规律及预测方法的研究[J].煤矿环境保护,1990,4(2):34-35.

[4] 严建国,张雪松,等.安徽省淮北市采煤塌陷区土地综合整治规划[R].淮北市国土资源局,2010.

[5] 许雪洁,黄江华，郑立波,等.淮北市矿山地质环境保护与治理规划(2009～2020年)[R].淮北市国土资源局，2009.

[6] 许雪洁,黄江华，崔伟，等.安徽省淮北市地质灾害调查与区划[R].安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，2008.

[7] 刘遗平,夏阳军，郑立波，等.安徽五沟煤矿有限责任公司五沟煤矿矿山环境保护与治理恢复方案[R].安徽水文地质工程地质公司,2011.

作者简介：许雪洁(1981- )，女，安徽泗县人，工程硕士，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质等方面工作。 E-mail:xuxuejie812@126.com

FORMATION ME CHANISM，PREDICTION AND GOVERNANCE MEASURES OF GROUND SUBSIDENCE IN HUAIBEI COAL MINING AREA——TAKING WUGOU COAL MINE IN HUAIBEI CITY AS AN EXAMPLE

XU Xue-jie
(No.1 Hydrogeology and Engineering Geology Institute of Anhui Bureau of Geology and Mineral Exploratio,Bengbu 233000,China)

We focuses on the cases from WuGou, combining local survey data as well as meta-analysis with previous literature, trying to identify the major types of ground collapses and their distribution based on the geographical characteristics of ground subsidence. By fully grasping the influencing factors for ground subsidence and their characteristics in the Huaibei coal mining area,and using probability integration method to predict coal mine ground subsidence trends, our result provides key guidance for predicting and dealing with ground collapse of the coal mining areas.

ground subsidence; formation mechanisms; probability integral method;governance measures

1006-4362(2016)04-0031-07

2016-07-18改回日期： 2016-09-25

TD167;P642.26

A