煤矿地质中的土地沉陷原因及治理对策

吴二刚

（四川省地质矿产勘查开发局二零七地质队，四川乐山 614000）

0 引言

多年来，随着我国经济的快速发展，煤矿的开采规模也不断扩大。煤矿地质灾害的相应隐患逐渐增加。随着煤矿开采工作的不断发展，煤矿地质中的土地沉陷预测工作也得到了越来越大的重视。煤矿地质沉陷的问题会造成很多的危险，不仅煤矿生产本身会出现安全事故，煤矿周边的居民也会受到煤矿沉陷的影响，周边的生态环境也会被破坏。所以，煤矿地质沉陷研究工作也是重中之重，能有效防止和减少煤矿地质灾害造成的破坏，减少污染，防止灾害的再次发生。

1 煤矿土地沉陷原因及影响分析

煤矿地质沉陷是指，因井下采掘活动引起地表岩层移动，造成上覆地表土地沉陷、植被破坏、水源枯竭、农田减产、房屋裂缝、道路沉降及其他附属物被破坏。而采煤沉陷区综合治理主要是根据采煤沉陷成因及影响范围，采取井上井下综合治理措施，减小井下开采对地表的破坏，减少由于采煤沉陷对地表各类设施、土地、水资源、环境造成的损失，实现煤炭资源合理化开采和企地协同发展。

1.1 井下采掘方法与沉陷成因关系

煤矿地质上覆岩层移动变形方向、范围及速率也随开采方法、布置方式、深度变化的不同而不同。采用分层式走向长壁式采煤方法，地表存在二次沉陷的问题，势必会扩大沉陷范围，岩层移动破碎的程度强烈，沉陷深度较大；采用放顶煤式采煤方法沉陷范围、深度相对较小，但在山区地形复杂区域沉陷也较为明显；采用一次采全高式采煤方法，采高大，沉陷深度和范围随之增大，对地面的破坏程度较为明显。当然，沉陷范围也与工作面布置宽度、采深有较大关系，基本成正比变化。

1.2 地质体性质与沉陷成因的关系

根据某矿井田范围分布特征，煤层整体呈现东高西低，煤层的采深在200～400m，3#煤层上覆岩层以砂岩为主，基本属于坚硬岩层，地表地形基本属于山区丘陵地形复杂区域，采煤对上覆岩层扰动范围、方向与岩层地质体有大的影响。根据多年来对该矿地表岩层移动变形观测数据的分析，发现开采深度与地表变形影响范围成正比变化，但与沉陷深度和破坏程度成反比变化。在山区地形复杂区域进行井下开采时，地表出现滑移现象较为明显，井下工作面邻边连续开采时，地表沉陷影响范围呈现二次沉陷，而且范围扩大。

1.3 地表环境因素特征与沉陷成因关系

地表环境因素特征主要包括植被、耕地、建（构）筑物、设施、水资源等，其采煤沉陷带来的破坏价值是沉陷治理研究的主要方向，该矿矿井田范围内地表大部分区域为植被和林区，其次为耕地，零散分布有村庄、建（构）筑物、设施等，同时，在井田山区沟谷内分布有季节性河流。根据多年来对地表沉陷情况的调查分析，山区植被耕地沉陷区裂缝较大，通常裂缝的方向与回采工作面的走向倾向保持一致，在保护煤柱范围内建（构）筑物、设施井下开采影响程度随建筑物的坚固程度而成正比变化的情况下，采煤沉陷造成的水资源、水系破坏较为明显，在沉陷未稳定前河流的水量有明显减少的趋势，待稳定后水量会明显减少但变化量很小。

2 煤矿地质沉陷预测模型

煤矿地质的预测通常是要经过严格的把关来进行相应的规划：①对很多方面产生的影响进行预算和计划安排。先是对于只需要开采单个地方时产生的地表预算点的下沉量进行计算统计分析，然后对每个计算出来的多个地面的下沉量进行叠加；②计算不规则煤矿的形状开采面预算，可以通过将形状不规则的工作面按照煤层的方向进行划分的方法进行计算，将它们分成很多的矩形开采面来替代原有的不规则的开采面。

在煤炭的开采过程中，因为地下的煤炭储量越来越少，从而造成大量土地发生沉陷的现象，而沉陷发生的时候，地面各个点的沉降率和受力状态不同，导致地表原有的平衡状态出现问题。所以，在沉陷地表内的某些地方，通常会因为地表各个方向发生了不完整的水平移动和沉陷的现象，让盆地形成很大的裂缝。裂缝的产生又受到地表沉陷的影响，但是并不是在地表沉陷刚刚开始就产生的现象，而是通过日积月累慢慢的形成的现象，在煤炭开采工作量越来越大的情况下，导致地表的某些地方所要感受到的拉力达到极限的承担状态而慢慢形成的。

在煤矿地质沉陷的研究中，往往要注意到的裂缝临界开采的面积，它是指在煤矿的开采过程中，让地表中出现一些处于裂缝的临界状态的面积。裂缝的临界开采面积受到非常多的因素的影响，其中主要包括的有：煤矿的开采深度、煤矿上覆岩层的地质结构、煤矿的开采厚度等物理因素。然而地表裂缝临界值的发生，主要受地表中物理力学现象的影响。在煤矿的开采过程中，如果已开采面积超过裂缝临界开采面积，那么它会在开采区的周边的地表上方出现一个裂缝区域，之后伴随着采空面积的不断增加，裂缝区域会慢慢扩大，特别是在上山和下山的相关边界处和切眼处的地方，而且，工作面地表上方的裂缝也会随着开采的推进慢慢的向前面移动。这时之前所形成的裂缝区就会因为受到压力而进入压缩变形模式。这个时候所出现的裂缝将慢慢合拢，崭新的裂缝就会在裂缝区的以外位置形成。

3 煤矿地质土地沉陷综合治理措施

矿井开采造成的地面沉陷区治理，需要在研究开采沉陷区成因和影响范围的基础上，针对不同的地表沉陷物及属性，采取井上井下综合治理措施，恢复或重新构建地表沉陷物属性原有用途、景观，或解决沉陷造成的地质环境安全问题。

（1）采取留设保护煤柱或搬迁避让措施，合理布局井下资源开采与地表建（构）筑物的关系。为了合理解决“三下”采煤问题，综合分析“三下”采煤的合理性、经济性、可行性，最大限度释放煤炭资源，提高煤炭开采的经济效益和社会效益，同时，为减少因采煤造成的建筑物沉陷裂缝，影响居民居住环境安全，对于“三下”压煤，应根据矿井采掘规划、煤炭资源量、国家及地方政策，充分分析村庄建（构）筑物的综合保护措施，做到资源的应采尽采和经济、社会、环境效益的最大化。

（2）积极开展土地沉陷复垦治理，确保地表经济作物的正常耕种。由于采煤造成的土地沉陷是有区域性的且范围广，不能一概而论地大范围、无目的治理，在选择治理措施时必须有选择性、针对性、可操作性。在治理过后，不仅要考虑原始土地的恢复，还要考虑恢复土地利用价值的可行性。根据土地沉陷的稳定性理论，分为暂时性的沉陷裂缝充填和再造性的土地复垦。暂时性的沉陷裂缝充填主要针对在沉陷不稳定期内的土地采取人工或小型机械简易充填沉陷裂缝，恢复原有土地状况，保证土地经济作物的正常耕种；再造性的土地沉陷复垦主要是土地沉陷达到稳定期后，采用大型机械进行整体复垦治理，再造土地利用价值。

（3）采取针对性的治理措施治理采煤沉陷造成的不同性质的受损物。由于采煤造成地表地形发生变形和破坏，地表附着的各类附属物必然会受损或被破坏，主要包括道路、建（构）筑物、人工池、坟墓、管线以及地表附着的具有经济价值的私有或共有财产等。针对采煤沉陷造成的不同性质的地面附属物，要充分与受损物权属人沟通，从安全、经济价值等方面综合考虑治理措施，依据有关规定采取重建、避让、经济补偿、安全技造等措施，避免由于采煤沉陷造成的安全和经济损失。

（4）重新构建水资源系统，解决采煤沉陷水资源被破坏的问题。随着煤炭的长期大量开采，造成上覆岩层中或地表河流的水系遭到破坏，水质下降，随之造成农田灌溉及饮用水资源系统被严重破坏，引发沉陷区水环境的一系列问题。为此，需要采用一定的方法和措施，人工改造或重构水资源系统，切实改善当地居民生产生活用水环境。针对不同地区、不同饮水方式，一般分为临时性改造引水和永久性构建水资源系统。临时性改造引水主要是针对由于采煤沉陷对原有饮水系统造成的破坏，通过恢复或改造水系统，保证居民在一段时期内的正常生活用水。而永久性构建水资源系统主要是针对长期以来采煤沉陷造成连片区域水资源严重被破坏，临时性饮水改造已无法满足当地居民的正常生产用水时，由当地政府统一规划，矿方负责为当地居民构建区域性的深层水资源引水工程。此方法可切实提高饮水环境质量，但后期的维护和运行需要有专业部门统一管理。

4 结语

综上所述，煤矿地质中开采的可持续发展对我国经济发展有着很重要的影响，煤矿地质沉陷的发生会给煤矿企业带来巨大的经济损失和人员伤亡，因此，非常有必要对煤矿地质灾害进行有效防治。因此，为促进煤矿行业的正常发展和运行，必须要加强对煤矿地质中土地沉陷预测的研究及沉陷治理，降低煤矿开采工作中对自然生态环境的严重破坏，使其可以根据我国的发展顺利进行。