煤炭开采对地质环境的影响——以山西省平鲁区窝窝会村为例

闫冬梅

（山西省地质工程勘察院，山西太原030024）

窝窝会村位于山西省朔州市平鲁区白堂乡，村周围分布多家煤矿，其中泰安煤矿开采区域主要在窝窝会村界范围内。煤矿的开采引起地面塌陷，从而导致地表建筑物受损、土地裂缝等问题。

1 煤矿工作面及采空区开采概况

阳煤泰安煤业有限公司批采4#、9#、11#煤层，现开采4#、9#煤层，4#煤层仅在矿界东北角存在小面积采空，其范围落入9#煤层的6#采空区内。本次评价根据相近采空区及工作面情况就近合并分区，工作面及采空区情况见表1。

表1 工作面及采空区情况表

2 地表移动变形预测

泰安煤矿开采煤层的倾角α=6°，属于近水平煤层（α＜15°时即为近水平煤层），按半无限开采缓斜倾煤层地表下沉主断面地表移动和变形值计算公式。本次采用概率积分法进行采空区地表移动变形值计算。

2.1 地表移动变形最大值

（1）地表最大下沉值。充分采动条件下地表最大下沉值按公式（1）计算，非充分采动条件下地表最大下沉值按公式（2）计算。

式中：Wcm——充分采动条件下地表最大下沉值，mm；

k1、k3——与覆岩岩性有关的系数，坚硬岩层取0.7，较硬岩层取0.8，软弱岩层取0.9；

D1、D3——倾向及走向工作面长度，m。

（2）地表最大水平移动值。沿煤层走向上的最大水平移动值按公式（3）计算，沿煤层倾斜方向的最大水平移动值按公式（4）或（5）式计算。

式中：Ucm——充分开采的最大水平移动值，mm；

h——表土层厚度，m；

b(α)——水平移动系数，随倾角α变化；

P0——计算系数，P0＝tanα-h/(H0-h)；当P0＜0时，取P0＝0。

（3）最大倾斜变形值可按下式计算：

式中：icm——充分开采的最大倾斜变形，mm/m。

（4）最大曲率变形值可按下式计算：

式中：kcm——充分开采的最大曲率变形，10-3/m。

（5）最大水平变形值可按下式计算：

式中：εcm——充分开采的最大水平变形，mm/m。

9#煤层开采地表移动变形基本参数及各采空区最大值见表2、表3。

表2 9#煤层地表移动变形基本参数表（倾角α=6°）

表3 各采空区地表移动最大值计算结果

本次计算选用中国矿业大学开发的“煤矿地表沉陷预测软件（hpMSPS0）”。

2.2 地表最大下沉速度

最大下沉速度与开采深度、工作面推进速度、煤层顶板岩层性质等因素有关，可根据公式（9）计算：

式中：vcm——最大下沉速度，mm/d；

k——下沉系数，k=1.7；

Wcm——充分采动条件下地表最大下沉值，mm；

c——工作面推进速度，m/d，取3.0；

H0——平均采深，m，取160。

各工作面推进速度为3m/d，下沉最充分的点的下沉速度为：

2.3 地表移动延续时间

当无实测资料时，地表移动的延续时间T可按下列公式确定：

根据计算，9 号煤最大采深H=175m，移动延续时间T=437.5d（1.2 年），即各工作面开采沉陷后1.2 年达到稳定沉陷。

本矿9#煤层原采空区均在2008年以前开采，1.2年的地表移动延续时间，目前均已塌陷稳定；9308-9309、9401-9402、9403-9404、9106-9108 工作面在 2011～2015 年开采，地表移动延续时间为1.2 年，目前已达到稳定。

3 采煤对地面建筑物及土地的影响分析

3.1 对地面建筑物的影响分析

泰安煤矿9#煤层开采已造成地表塌陷面积共计378.73hm2，其中：1#采空区和2#采空区塌陷面积为95.41hm2，9308-9309 工 作 面 、9401-9404 工 作 面 、9106-9108 工作面及4#采空区塌陷面积为180.95hm2，5#采空区和6#采空区塌陷面积为102.37hm2。

地表塌陷范围内有4家房屋受9106工作面2011年开采所致，其余村庄建筑物均不受地表塌陷影响。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，这4家的房屋破坏等级为Ⅰ-Ⅱ级，属轻微损坏，应进行简单维修或小修即可。

3.2 对土地的影响分析

3.2.1 地表沉陷形式

根据本矿现有工程已开采9#煤层采空区位置，通过调查采空区内沉陷影响，本区为低山丘陵地貌，表土黄土覆盖层较厚，沉陷表现形式为地表裂缝、沉陷盆地和轻微的错位沉陷台阶，沉陷区不会出现积水现象。

地表移动盆地：受采动影响地表从原有标高向下沉降，引起地表高低、坡度和水平位置变化，在采空区上方地表形成一个比采空区面积大的地表移动盆地。

裂缝及台阶：在地表移动盆地的外边缘区，地表受拉伸变形超过抗拉强度。

3.2.2 沉陷土地损毁程度标准

采煤破坏土地的等级划分采用《土地复垦方案编制规程-井工煤矿》（TD/T1031.3-2011）沉陷土地损毁程度标准，详见表4和表5来进行土地损毁的预测。影响区内土地破坏等级划分结果为轻度、中度和重度破坏。

表4 旱地损毁程度分级标准

表5 林地、草地损毁程度分级标准

4 环境治理的对策与措施

4.1 地面塌陷的治理措施

4.1.1 塌陷坑的治理措施

（1）地面塌陷较浅且没有积水的塌陷地，地面下沉量不大，地貌没有太大的变化，只要在地表进行修复平整，就可以恢复原有的耕地。

（2）地面塌陷较深且局部有少量积水的地方，地表下沉量较大，地表积水容易引起土地的盐碱化，因此采取先排水再填平的措施。

（3）关闭的矿井塌陷区，基础设施比较完好，在可以耕种的地方，拆除地面建筑物，恢复耕地，在不能耕种的地方，利用原有的厂房设施，发展其他副业。

（4）电厂附近的塌陷且没有积水的地方，可以利用电厂排出的粉煤灰来填充塌陷地，这种方法简单可行，而且经济合理。

4.1.2 裂缝的治理措施

（1）目前地表还没有建筑物，但是已经被规划为建筑用地的土地，如果受采煤影响地表出现裂缝，最好另行选址，如果不能另行选址，建筑物就要避开地裂缝带10～30m之外。

（2）受场地条件限制无法避让的建筑，对其地基及上部结构进行加固，提高建筑物地基的整体稳定性。对于普通的民用建筑物，一般可以利用浅埋式钢筋混凝土加固地基，高层的或比较重要的建筑物，可使用箱型地基。

（3）对于裂缝地带内已有的建筑物，建筑物如果横跨地裂缝，采取拆除的办法；对于正交跨在地裂缝上的建筑物，可采取部分拆除的方法，以免建筑物整体都受到地裂缝的破坏。

地裂缝的治理还可以采取局部或暂时性回填的方法，同时在煤炭开采时要留设防护煤柱，达到支撑地表的目的。

4.2 土地资源占用与破坏的保护措施

土地资源的占用与破坏的主要治理措旋，是实现土地资源的复垦和生态系统的重建。本区的土地资源占用与破坏的表现形式主要为地面塌陷，保护措施主要是针对塌陷的土地进行回填，作为农业用地或建设用地。

4.3 采空区上建筑物的保护措施

（1）加强地基土层与建筑物界面特性的分析。

（2）加强采空区控制房屋变形的砌体结构设计。

（3）采空区房屋的加固。