煤礦開采沉陷

地下煤層被采出以后，采區(qū) 周圍巖體內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)受到了破壞。為了達(dá)到新的平衡，在采區(qū)上覆巖層重力的作用下，巖體內(nèi)部的移動和變形以垮落、斷裂、離層和彎曲沉降為主要方式。從“三下”采煤工程的需要出發(fā)，將上覆巖層按變形破壞程度自下而上分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶(圖1)。

(1)垮落帶。由采礦引起的上覆巖層破壞并向采空區(qū)垮落的范圍。地下煤層被采出以后，采空區(qū)頂板巖層垮落后的巖石是以破碎、不規(guī)則的狀態(tài)充填采空區(qū)，直到上部不垮落的巖層為止?？迓鋷Ц叨纫话銥槊簩硬沙龊穸鹊?～5倍。若用水砂充填法管理頂板時，就不產(chǎn)生垮落帶。

(2)斷裂帶?？迓鋷戏降膸r層產(chǎn)生斷裂或裂縫，但仍保持其原有層狀的范圍?？迓鋷Ш蛿嗔褞Ыy(tǒng)稱為非連續(xù)變形帶，它們之間常無明顯界線，這兩帶的總高度一般為煤層采出厚度的10～30倍，與上覆巖層性質(zhì)有關(guān)，巖性堅硬時取大值，巖性軟弱時取小值。當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮谶@兩帶總高度時，地表可能發(fā)生嚴(yán)重開裂等非連續(xù)的移動和變形。

(3)彎曲帶。斷裂帶上方的巖層產(chǎn)生彎曲下沉的范圍。彎曲帶為連續(xù)變形帶，地表只發(fā)生連續(xù)的移動和變形。

由采礦引起的采空區(qū)上方地表移動的范圍稱為地表移動盆地。形成地表移動盆地需要一定的開采面積，一般當(dāng)采空區(qū)的長和寬(沿煤層傾向的水平投影長度)都超過平均采深的0.2～0.3倍時，地表開始移動。隨著采空區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，移動盆地的面積和最大下沉值也不斷增大。此時盆地中央只有一個最大下沉點，這時移動盆地呈尖底狀，形同“碗形”，稱為非充分采動移動盆地。當(dāng)采空區(qū)的長寬尺寸足夠大(一般大于采深的1.4倍)時，移動盆地中的最大下沉值達(dá)到該條件下的極限下沉值，不再隨采空區(qū)面積的擴(kuò)大而增大。此時盆地中央可有多個最大下沉點，這時移動盆地呈平底狀，形同“盆形”，稱為充分采動移動盆地。

地表移動盆地的形狀與煤層及其覆巖的傾角密切相關(guān)。采空區(qū)為矩形時，在煤層為水平埋藏的條件下，移動盆地大致呈橢圓形并位于采空區(qū)的正上方 (圖2中（a）);在煤層為傾斜埋藏的條件下，移動盆地對采空區(qū)呈不對稱分布并向下山方向偏移(圖2中（b）)。隨著煤層傾角的增大，其不對稱性和偏移量也越來越大。

由采礦引起的地表點的移動向量取決于該點在空間和時間上與回采工作面相對位置的關(guān)系，一般指向采空區(qū)中央。為了敘述簡便，通常將地表點的移動向量分解為三個分量：垂直分量(簡稱下沉)、沿某一剖面方向的水平分量(簡稱縱向水平移動)和垂直于該剖面方向的水平分量 (簡稱橫向水平移動)。

在地表移動盆地內(nèi)各點的移動向量是不相等的，由此產(chǎn)生了變形。垂直變形可分為傾斜和曲率。水平變形可分為拉伸和壓縮。在煤層為水平埋藏的條件下，它們的分布基本上呈對稱分布，如圖3中（a）所示。在煤層為傾斜埋藏的條件下，它們的分布為不對稱的，如圖3中（b）所示。其中主要表現(xiàn)為最大下沉點不在采空區(qū)的正上方，而向下山方向偏移，指向上山方向的傾斜和水平移動增大，隨著煤層傾角的增大，這個偏差量也越來越大。

主要研究內(nèi)容包括：①由開采引起的巖層和地表移動的觀測方法、規(guī)律和預(yù)計方法;②對地面及地下建(構(gòu))筑物、鐵路、水體和井巷等煤柱的留設(shè)方法;③在建筑物下、鐵路下、水體下和承壓含水層上采煤以及井筒煤柱開采時的保護(hù)措施; ④開采沉陷區(qū)的土地復(fù)墾、環(huán)境保護(hù)。

隨著采礦業(yè)的發(fā)生和規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，開采沉陷對人類生產(chǎn)和生活的影響以及由它所帶來的物質(zhì)損失也越來越大，由此引起人們對它的重視和研究。到19世紀(jì)末20世初，僅闡明從巖層直至地表移動的定性描述。后來根據(jù)測量的觀測結(jié)果，開始研究在地下開采影響下與地表移動的數(shù)量關(guān)系。1928年，德國H. 凱因霍斯特(H. Keinhorst)根據(jù)地表下沉觀測結(jié)果，以各開采單元的影響疊加原則提出了下沉量的計算方法。1931年，R. 巴爾斯 (R. Bals) 采用積分計算方法，發(fā)展了凱因霍斯特的理論。

第二次世界大戰(zhàn)以來，各國對開采沉陷進(jìn)行了大量的儀器觀測，積累了較豐富的資料。其中前蘇聯(lián)、波蘭、中國、英國、德國等在這方面都取得了較顯著的成就。前蘇聯(lián)重視現(xiàn)場實測和礦區(qū)具體條件的規(guī)律研究，各主要礦區(qū)分別制定了有關(guān)的保護(hù)規(guī)程或規(guī)定，給出了適合于各礦區(qū)條件的典型曲線和移動參數(shù)。1949年，С. Г. 阿威爾幸(С. Г. Авершин)從塑性理論研究巖層移動，其他學(xué)者也對各種特殊地質(zhì)采礦條件下開采沉陷規(guī)律進(jìn)行了研究。1950年，波蘭W. 布德雷克 (W. Budryk)、S. 克諾特(S. Knothe)根據(jù)實測資料，提出了高斯曲線作為下沉曲線的影響函數(shù);J.李特維尼申 (J. Litwiniszyn)根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)力學(xué)模型研究地表移動，認(rèn)為煤層單元被采出后引起地表的單元移動符合正態(tài)分布規(guī)律。1966年，英國煤炭局(Nation-al Coal Board，NCB)根據(jù)觀測資料出版了《沉陷工程師手冊》，1975年又增補(bǔ)新的觀測資料共計165條觀測線數(shù)據(jù)，修訂了手冊，給出預(yù)計因采礦影響產(chǎn)生地表下沉、傾斜及變形的方法，建(構(gòu))筑物保護(hù)措施和減小沉陷破壞的開采技術(shù)措施。

中國自20世紀(jì)50年代開始，在全國各主要煤田開展了大量的巖層和地表移動觀測工作。依據(jù)這些實測資料，在開采沉陷的基本理論研究方面已取得了一批重要成果。典型曲線法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法和概率積分法等預(yù)計方法，在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。移動盆地內(nèi)任意點沿任意方向預(yù)計的研究成果，使各種預(yù)計方法能更正確地取得預(yù)計結(jié)果。各主要礦區(qū)根據(jù)實測資料已求得適合于本礦區(qū)具體地質(zhì)采礦條件的移動參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，中國在建筑物下、鐵路下、水體下和承壓含水層上采煤、井筒煤柱開采和對開采沉陷區(qū)土地復(fù)墾、環(huán)境保護(hù)等方面技術(shù)的研究也取得了很重要的成果，每年可以從壓煤中采出2 000萬噸以上的煤炭。

煤炭開采對生態(tài)的影響主要有兩個方面:①是煤礦生產(chǎn)排污對生態(tài)環(huán)境的影響，主要表現(xiàn)為廢氣、廢水、廢渣排放對生態(tài)的影響，即污染生態(tài)影響;②是煤炭開采引起的地表沉陷對生態(tài)環(huán)境的直接破壞，即非污染生態(tài)影響。地表沉陷是地下采動破壞發(fā)育到地表的一種表現(xiàn)形式。在沉陷過程中，地表高度、坡度、水平位置發(fā)生變化。因此，對位于沉陷影響范圍內(nèi)的地下水、土地、植被、建(構(gòu))筑物等都將受到不同程度的影響。

(1)開采沉陷對土地資源的影響

采煤沉陷使地表變形，形成地表移動盆地，產(chǎn)生地裂縫和塌陷坑，破壞了原有的地表形態(tài)。地表坡度的變化，使原有的徑流發(fā)生改變，坡度大徑流量大，引起的水土流失和土壤侵蝕也越嚴(yán)重。地表裂縫的產(chǎn)生，地表水與地下水向深部滲漏，使?jié)撍幌陆?，?dǎo)致土壤濕度減小，土地變得更加干燥。同時，土壤中的營養(yǎng)元素也會隨著裂隙、地表徑流流入采空區(qū)或洼地，造成許多地

方土壤養(yǎng)分短缺，土地承載力下降。另外，當(dāng)沉陷深度超過該區(qū)地表潛水位時，土地受淹而常年積水，處于沉陷邊坡區(qū)域的土地，易發(fā)生鹽漬化，造成土地質(zhì)量退化。

(2)開采沉陷對植物的影響

地表大面積塌陷，影響植物的生長發(fā)育，甚至造成綠色植物的大幅度的減少。土地塌陷對植物的影響情況與礦區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)、區(qū)域氣候、地下潛水位高低等自然要素和采礦條件有關(guān)，可按地形、地貌和潛水位高低大致劃分為4個影響區(qū)類:

a.高潛水位的平原礦區(qū)。通常高潛水位平原礦區(qū)地面沉陷后，地表會出現(xiàn)積水。位于常年積水區(qū)的土地不能耕種，綠色植物大幅度減少;位于季節(jié)性積水的土地會減少種植茬數(shù)或造成嚴(yán)重減產(chǎn)。

b.低潛水位的平原礦區(qū)。在潛水位較低的平原礦區(qū)，由于開采沉陷使地勢變低和抬高潛水位，一方面在雨季很容易出現(xiàn)洪澇，使土地沼澤化;另一方面，在旱季潛水蒸發(fā)變得強(qiáng)烈，地下水易于攜帶鹽分上升到地表，使土地鹽堿化。土地出現(xiàn)沼澤化和鹽堿化，使作物生長明顯受到抑制，在一些重鹽堿土上甚至寸草不生。在草原地帶，由于潛水位上升影響牧草的生長發(fā)育，積水區(qū)會變成沼澤地，使牧草絕產(chǎn)。

c.丘陵礦區(qū)。在丘陵地區(qū)，當(dāng)?shù)叵麻_采使地表上凸部分下沉?xí)r，將減小地面凸凹不平的程度，有利于植物生長;當(dāng)?shù)叵麻_采使地表下凹部分下沉?xí)r，將增大地面的凸凹不平的程度，不利于植物生長;另外，在干旱的丘陵地區(qū)，如果地下開采引起地表裂縫發(fā)育，將使地表水易于流失，土壤變得更為干燥，亦會影響植物的生長。

d.山區(qū)礦區(qū)。在山區(qū)，開采沉陷對植物的影響情況主要與區(qū)域氣候和地質(zhì)條件有關(guān)。一般情況下，山區(qū)開采沉陷對植物影響不大。但在某些干旱的山區(qū)，由于開采沉陷引起的地表裂縫、臺階、塌陷坑、滑坡等破壞形式，地表水流失嚴(yán)重，土壤微氣候變得更為干燥，土地更容易被風(fēng)、水等侵蝕，也嚴(yán)重影響植物生長，造成農(nóng)作物減產(chǎn)。

(3)開采沉陷對水資源的影響

一方面由于開采沉陷，地表出現(xiàn)下沉、裂縫、塌陷坑等破壞形式，這些破壞在一定程度上改變了地面降水的徑流與匯水條件，使地表水通過裂縫滲入地下，引起河流水系的流量減少，嚴(yán)重時地表水系甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象;另一方面沉陷過程中，煤系上覆巖層受到破壞，巖層裂隙增多，煤系上覆巖層的含水層在水位和流向上受到干擾，地下水沿著發(fā)育的裂隙加速向采空區(qū)或深部巖體滲漏，使水位降低，嚴(yán)重時導(dǎo)致地下水疏干，井泉干涸。由于水源的破壞，直接影響到礦區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和居民生活用水。

(4)開采沉陷對地表建(構(gòu))筑物的影響

沉陷對地表建(構(gòu))筑物的影響，一般有以下幾種情況:

a.地表大面積、平緩、均勻的下沉和水平移動，一般對建筑物影響不大，但當(dāng)下沉量很大而地下潛水位又很高時，由于沉陷后盆地積水很深，排水困難，將使建筑物長期浸泡在水中而導(dǎo)致破壞;

b.地表傾斜使采動影響范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生歪斜，會使管道、公路和鐵路的坡度改變。道路坡度的變化使車輛的運行阻力增大或減小，以致交通事故增加;

c.地表曲率變化破壞建筑物基礎(chǔ);

d.水平變形使建筑物表面產(chǎn)生裂縫，使地下管道被拉斷，公路路面開裂，鐵路的軌距和軌縫等發(fā)生變化。

除以上影響之外，開采沉陷有可能對野生動物也產(chǎn)生一定影響。這是因為野生動物的生長繁殖要有適宜的環(huán)境條件，由于開采沉陷使礦區(qū)的自然景觀發(fā)生劇變，影響綠色植物的生長發(fā)育，改變了動物的棲息環(huán)境，因而，使一些野生動物由于不適應(yīng)環(huán)境的變化或由于缺少食物而死亡或遷移。一般說來，開采沉陷會導(dǎo)致礦區(qū)原有野生動物的種群和數(shù)量下降。2100433B

內(nèi)容介紹

礦山開采沉陷及其防治，ISBN：9787564615796，作者：郭廣禮

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《礦山開采沉陷監(jiān)測及預(yù)測新技術(shù)》是一門涉及采礦、力學(xué)、地質(zhì)、測繪、土建、環(huán)保等知識的綜合學(xué)科，具有明顯的理論性和工程實踐性?！兜V山開采沉陷監(jiān)測及預(yù)測新技術(shù)》由吳侃、汪云甲、王羅權(quán)等編著，是環(huán)保公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目系列叢書。