煤矿开采地面沉陷变形预测及防治对策

李学军，张天文，孟杰

（1.宁夏回族自治区矿产地质调查院（自治区矿产地质研究所），宁夏银川 750021；2.宁夏德坤岩土工程有限公司，宁夏银川 750021）

0 引言

随着煤矿的大面积开采，引发了较多的环境地质问题，并且显得愈发突出，给矿区的生态环境造成了较大危害，而矿区生态环境的恶化及环境地质灾害问题已经成为影响矿区社会稳定和经济发展及自然生态环境改善的重要因素[1]。

煤矿区最常见的环境地质问题有土地毁损、次生灾害、环境污染、水土环境破坏四大类型。主要表现为地表塌陷、地面沉降、地面开裂、水土流失、泥石流、含水层结构破坏、地下水位下降、水体污染、煤（矸石） 自燃对大气污染、植被退化、土地沙化、矸石压占土地、地貌景观改变等环境地质问题，采空区沉陷是煤矿区最常见的环境地质问题之一。本文以羊场湾煤矿为例，通过对矿区采空区地表沉陷状况进行调查，对沉陷区范围，影响程度进行评估，结合采掘接续计划，对中远期开采地面沉陷变形进行预测，并提出治理恢复措施[2]。

1 基本概况

羊场湾煤矿位于宁夏回族自治区灵武宁东镇境内的碎石井矿区，区域内煤炭资源储量丰富，地质构造属中等，开采技术条件优越。煤矿核定生产能力为1200 万t/a。一号井11、12 采区已开采结束，目前主要开采13、15 采区上组煤2 煤层，采用斜井和立井混合开拓方式。二号井目前主要开采2 煤层和6 煤层，采用单水平上下山开拓方式。采用走向长壁后退式采煤、综合机械化采煤放顶的工艺，工作面顶板采用全部自然垮落法管理，采空区顶板随采随落[3]。

2 矿山环境地质现状评估

羊场湾煤矿投产以来，随着井下煤炭资源持续开采，在11、12 采区、二号井大部及20 线南几个采区地表已形成了较大面积的采空沉陷区。矿井北部煤层浅埋区域，沉陷区范围略大于采空区范围。其余大部区域，沉陷区分布及平面形态与采空区布置范围基本接近。经调查，在采空区边缘已产生较多地裂缝，说明采空区地层已发生拉伸变形，产生地面塌陷。该区地表变形一般以整体沉陷为主，在塌陷区边缘煤壁支撑区产生地裂缝，塌陷区地形总体显负地形特征，相对原生地貌形态而言，形成高低不平的塌陷区，对塌陷区内的地形标高和地表形态产生了较为较大影响，并使上述区域的原生地形地貌景观发生了较大变化。总之，煤矿开采活动对采空区的地形、地貌、生态景观造成较为严重的影响[4]，如图1 所示。

图1 矿区地裂缝及沉陷盆地照片Fig.1 Photos of ground fissures and subsidence basins in mining areas

经调查，羊场湾井田现已形成采空区面积2707.18 hm2。开采形成的塌陷区面积为2977.62 hm2，地面塌陷最大值为3.03 m。地裂缝主要分布在采区和塌陷范围的边缘及各煤柱附近，裂缝宽度5 ～80 cm，长度0.5 ～80 m，裂缝可见深度达0.8 ～2.6 m；塌陷台阶的高度0.3 ～0.8 m。在地质环境恢复及治理过程中，该矿虽已对部分裂缝及时进行了填埋，但现状条件下发现局部地段仍有地裂缝地质灾害存在。

3 塌陷区地表变形特征分析及预测

3.1 塌陷区地表变形特征分析

地面沉陷是煤矿开采后最为典型的地质灾害，地表沉陷变形量的大小与采深、采厚、采煤方法、顶板管理方法、开采范围大小、开采时间、覆岩的工程地质性质、松散层厚度及水文地质等因素有着密切的关系。煤层开采所造成的地表沉陷及变形是随时间、空间而不断变化的复杂的四维空间问题，在时间和空间上具有某种函数关系。地表沉陷是岩体移动的外在表现，岩体移动是地表沉陷的内因。地面变形范围及程度与煤层采深、采厚、煤层倾角、覆岩性质、工作面走向长度和倾斜长度、工作面推进速度、开采方法及顶板管理方式等因素关系密切。煤层采深越深，地表移动时间越长。煤层倾角发生变化，地面变形范围也有较大差异[5]。

根据该矿130201 工作面对地表移动观测及研究资料，从倾向和走向的移动和变形规律来看，工作面中部下沉量最大，工作面边界的上方区域倾斜量及整体变形曲率最大，工作面的边界及工作面边界上方相应范围的水平位移最大[6]。

羊场湾井田属特厚煤层及煤层群开采，采矿类型及条件复杂。根据该矿实际观测统计，当煤层深厚比＜30 时，在采煤工作面推进时，超前于采掘工作面5 ～8 m 的地表出现明显的破坏拉张地裂缝，每组裂缝的间距约4 ～12 m。当工作面经过，随时间推移，先前出现的裂缝又出现了合拢现象。待采煤结束一段时间后，沿采空区外边线地表出现较多较大的，平行与采空区边缘范围的拉张裂缝并形成大小、深浅不同的塌陷坑，给地表形态及完整性造成破坏，形成不同规模的地表沉（塌） 陷盆（洼）地。当地表沉陷盆地达到稳定后，盆地中心位置的地表下沉量最大[7]。

3.2 塌陷区地表变形量预测

羊场湾矿井为井下开采，随着新的采空区的大面积形成，采空沉陷的范围将不断扩大。根据羊场湾煤矿开采煤层厚度与覆岩结构特征，未来随着开采规模不断扩大，尤其是采厚较大的多个煤层重复开采，煤层开采结束，大面积放顶后，由工作面顶部至地层浅部形成垮落带、裂隙带和整体下沉移动带[7]。覆岩的变形及移动最终会波及地表，地表最终形成沉降盆地。地表移动盆地的发生、发展及最终形成在空间和时间上具有一定的规律，盆地中心区域则以垂向下沉为主，而水平方向上的位移和倾斜移动量则相对较小。靠近盆地边缘区域及外侧边缘区域（煤壁支撑区） 的倾斜位移及水平位移变形量较盆地中心区域更为明显[8]。

由于该井田可采煤层较多，中远期采用多煤层依次开采的方式，即出现多煤层的重复采动，从而导致对覆岩及地表的持续扰动。另外，下部煤层的开采活动，对上部开采已形成并达到稳定的地层再次扰动，又使已达到稳定的沉陷区再度“活化”。因此预测评估中远期井下开采对地形地貌的环境地质影响严重。

根据该矿采区划分及工作面采掘接续计划，将首采上层煤2 煤层作为一个大层，埋深按1 煤埋深计，煤层厚取2 煤厚度，倾角8°～20°，平均取14°，估算整个矿区范围内首采上煤层和叠加下煤层（14、15 煤） 重复开采时可能造成的地表移动与最大变形量。按照《建筑物水体铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》 （2017 版） 中推荐的公式进行计算[9]。

（1） 下沉系数计算。

计算结果，单层开采条件下的下沉系数为0.88；多煤层重复开采条件下的下沉系数为0.93。

（2） 水平移动系数计算。

式中：α 为煤层倾角，b=0.3。

计算结果bc=0.34 ～0.35。

（3） 影响传播角及主要影响角正切。

根据经验，影响传播角θ在基岩中为70°，松散岩类为θ=45°。近期和中远期开采地表最大变形量计算结果见表1。综合评估现状采矿塌陷及其伴生地裂缝灾害的影响程度为严重[10-11]。

4 矿山地质环境保护与治理恢复

为防止发生因矿山建设和生产活动造成矿山地质环境问题或地质灾害，改善矿山的地质环境及生态环境，促进矿山地质环境问题治理工作制度化、规范化，需要对开采矿山开展地质环境的保护和治理恢复工作。

（1） 为防止地面塌陷及地表主体工程的损毁，在井田边界、地质构造带、地面建（构） 筑物（村庄、道路、输水输电线路）、主要井巷、区段及工业场地，依据井下巷道布置《煤炭工业矿井设计规范》 《建筑物水体铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》 （2017 版） 和《煤矿防治水细则》留设煤柱。

（2） 加固地下巷道等方式，对地面建筑密集区采取保护性开采；严格按照开发利用方案确定的采煤顺序开采，调整采煤方式，优化工作面布局，科学管理顶板，减轻对环境的影响，减少损毁土地范围。对已发生地面沉陷区及时进行充填等防治措施；对分布在矿区内的工程设施，实施工程防治措施和监测预警，随时观测地表变形情况，对形成地面塌陷坑区应及时回填。

（3） 完善监测系统，加强对沉陷区地表变形的实时监测。对采煤沉陷造成的范围以及地裂缝应及时巡查，随时观测地表变形情况，对形成地面塌陷坑（群） 应及时回填。沉陷区域地表应保证排水畅通，防止地表积水倒灌。尤其是位于排水冲沟内的地裂缝在雨季对矿井安全影响很大，必须采区有效措施加强防范和治理。

对轻度破坏区，轻微裂缝地带采用就地填补工程措施为主，生物措施恢复为辅的方法。根据开裂程度选用人工或机械作业，裂缝深度全部用沙土回填。距地表1 m 范围处开始每隔0.3 m 左右分层夯实。回填料均来源于塌陷区井下，严禁从场区外外运建筑垃圾废渣等废弃物回填。达到合适标高后再覆盖黄土，保证治理后不低于原土地生产力。

（4） 通过对土地进行平整不仅消除因开采塌陷产生的附加坡度，而且借此机会对土地现状进行改善，提高产生力。

（5） 对塌陷区的复垦应在采煤结束，沉陷稳定后进行。矿山闭坑后经过拆除回填、土地治理后并进行种植草籽绿化，达到与周围地形地貌协调、恢复植被的要求。对于尚未达到稳定的沉陷区域，应高出周围地面10 cm 左右，待其沉实稳定后掌握与四周地面一致即可[12-13]。

5 结语

采空区沉陷在煤矿开采中不可避免，给矿区的地表和生态环境造成严重影响，在煤矿开采过程中必须采取有效措施进行预防。按照采掘接续计划，对羊场湾煤矿中远期开采引起的地面沉陷变形影响进行分析和预测，提出相应的防治对策及保护措施，为矿区采煤沉陷区治理提供参考，以期实现良好的社会效益、经济效益和环境效益。