煤礦開采沉陷巖層移動(dòng)基本規(guī)律

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(dòng)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(shí)，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(jiān)硬時(shí)取大值，巖性軟弱時(shí)取小值。當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮谶@兩帶總高度時(shí)，地表可能發(fā)生嚴(yán)重開裂等非連續(xù)的移動(dòng)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(dòng)和變形。

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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(jì)算方法。1931年，R. 巴爾斯 (R. Bals) 采用積分計(jì)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(duì)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(shí)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(dòng)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(dòng)，其他學(xué)者也對(duì)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(shí)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(dòng)，認(rèn)為煤層單元被采出后引起地表的單元移動(dòng)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(jì)165條觀測線數(shù)據(jù)，修訂了手冊，給出預(yù)計(jì)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(dòng)觀測工作。依據(jù)這些實(shí)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(jì)方法，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)沿任意方向預(yù)計(jì)的研究成果，使各種預(yù)計(jì)方法能更正確地取得預(yù)計(jì)結(jié)果。各主要礦區(qū)根據(jù)實(shí)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(dòng)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(duì)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。

主要研究內(nèi)容包括：①由開采引起的巖層和地表移動(dòng)的觀測方法、規(guī)律和預(yù)計(jì)方法;②對(duì)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(shí)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)。

由采礦引起的采空區(qū)上方地表移動(dòng)的范圍稱為地表移動(dòng)盆地。形成地表移動(dòng)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(shí)，地表開始移動(dòng)。隨著采空區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，移動(dòng)盆地的面積和最大下沉值也不斷增大。此時(shí)盆地中央只有一個(gè)最大下沉點(diǎn)，這時(shí)移動(dòng)盆地呈尖底狀，形同“碗形”，稱為非充分采動(dòng)移動(dòng)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(shí)，移動(dòng)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(shí)盆地中央可有多個(gè)最大下沉點(diǎn)，這時(shí)移動(dòng)盆地呈平底狀，形同“盆形”，稱為充分采動(dòng)移動(dòng)盆地。

地表移動(dòng)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(shí)，在煤層為水平埋藏的條件下，移動(dòng)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(dòng)盆地對(duì)采空區(qū)呈不對(duì)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(duì)稱性和偏移量也越來越大。

由采礦引起的地表點(diǎn)的移動(dòng)向量取決于該點(diǎn)在空間和時(shí)間上與回采工作面相對(duì)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(diǎn)的移動(dòng)向量分解為三個(gè)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(dòng))和垂直于該剖面方向的水平分量 (簡稱橫向水平移動(dòng))。

在地表移動(dòng)盆地內(nèi)各點(diǎn)的移動(dòng)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(duì)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(duì)稱的，如圖3中（b）所示。其中主要表現(xiàn)為最大下沉點(diǎn)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(dòng)增大，隨著煤層傾角的增大，這個(gè)偏差量也越來越大。

煤炭開采對(duì)生態(tài)的影響主要有兩個(gè)方面:①是煤礦生產(chǎn)排污對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，主要表現(xiàn)為廢氣、廢水、廢渣排放對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)土地資源的影響

采煤沉陷使地表變形，形成地表移動(dòng)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(shí)，土壤中的營養(yǎng)元素也會(huì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(gè)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)影響植物的生長。

d.山區(qū)礦區(qū)。在山區(qū)，開采沉陷對(duì)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(duì)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(tái)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響

沉陷對(duì)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(dòng)，一般對(duì)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(shí)，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(dòng)影響范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生歪斜，會(huì)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(yùn)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(duì)野生動(dòng)物也產(chǎn)生一定影響。這是因?yàn)橐吧鷦?dòng)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(dòng)物的棲息環(huán)境，因而，使一些野生動(dòng)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(huì)導(dǎo)致礦區(qū)原有野生動(dòng)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(shí)的綜合學(xué)科，具有明顯的理論性和工程實(shí)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(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目系列叢書。