兗州礦區采煤塌陷地現狀分析

秦 勝，田莉雅，張 劍，張秀蘭

(1.兗礦集團環保節能處，山東 鄒城 273500；2.兗礦集團鐵路運輸處，山東 鄒城 273500)

我國煤炭產量95%以上為井工開采，這種開采方式會破壞煤層覆巖的應力平衡狀態,導致覆巖從下至上發生冒落、裂隙(縫)和彎曲下沉，使采空區上方地表發生大面積塌陷，并在地表產生大量的裂縫、裂隙，造成了東部平原礦區土地大面積積水受淹或鹽漬化，加劇了西部礦區水土流失和沙漠化，破壞了礦區的土地資源。

1 采煤塌陷地分布特征

地表塌陷按其形態分為兩大類：第一類是漏斗狀塌陷坑和臺階狀斷裂，主要為開采淺部急傾斜煤層或開采深度與煤層開采厚度之比小于20的緩傾斜煤層所引起的；第二類是地面平緩的塌陷盆地，主要為開采深部急傾斜煤層或開采深度與煤層開采厚度之比大于20的緩傾斜煤層所引起的。塌陷形成過程一般從開始下沉到最終穩定需1～3a，地表塌陷最大深度約為煤層開采深度的0.7～0.8倍(個別礦區由于開采引起地下含水層或流沙層疏干甚至可大于1.0倍)；塌陷體積約為煤層開采體積的0.6～0.7倍，塌陷面積約為煤層開采水平投影面積的1.2倍。

兗州礦區自第一對礦井南屯煤礦投產以來，隨著其他礦井的陸續建成和投產，至2006年底，已累計采出原煤50246.22×104t，塌陷土地8952.38hm2，綜合萬噸塌陷率為0.178hm2/104t。塌陷土地面積隨原煤產量的變化而變化，總體趨勢是不斷增加，但隨年份變化差異較大，最小萬噸塌陷率為1977年的0.071 hm2/104t，最大萬噸塌陷率為1982年的0.486 hm2/104t，近幾年，萬噸塌陷率有所下降，2006年，只有0.141 hm2/104t。兗州礦區年塌面積與原煤產量的關系圖見圖1，累積塌陷面積與累積煤炭產量動態關系圖見圖2。

2 采煤塌陷地類型特征與危害

2.1 采煤塌陷地類型特征

兗州礦區地勢平坦，煤系地層上覆厚層的新生界松散沉積物，巖性以亞砂土、亞黏土、黏土、淤泥質為主，可塑。采空區地面塌陷在地表上表現為凹陷盆地形態，而非漏斗狀或臺階狀，多為低緩開闊的勺形洼地，其四周略高，中間稍低，中心深度一般為0.5～9.0m，平均為5m，塌陷幅度大。邊緣與非塌陷區逐漸過渡，其間沒有明顯的界線。凹陷盆地平面形態多為近長條形，其次為方形、近圓形，長度一般為300～2000m，寬度一般為200～800m，這主要是由于煤礦開拓巷道多為長方形布局而形成的。部分地段因采區相連，若干個塌陷坑連為一體，形成大的塌陷區。

圖1 兗州礦區年塌陷面積與原煤產量的關系(1977～2006年)

圖2 兗州礦區累積塌陷面積與累積煤炭產量動態(1977～2006年)

2.2 采煤塌陷地的危害

充州礦區煤炭開采強度大，開采引起的地表塌陷移動和變形量大、范圍速度快。礦區內地勢平坦、村莊密集、人口稠密、土地肥沃。國家鐵路干線京滬鐵路、兗菏鐵路橫貫礦區，公路四通八達，高壓線、河流和地表建筑物分布全礦區。開采塌陷引起地表形態的破壞、建(構)筑物、鐵路橋涵、河堤、高壓線路管道損壞和經濟損失，己經成為制約礦區發展的重要因素。

(1)塌陷對農業的危害

受煤炭開采影響，地表形成塌陷。造成地面積水，使大面積良田因此而荒廢絕產，村莊由此而不得不搬遷。另一方面新建村莊的占壓土地。受災村莊的搬遷需重新占用采空區以外的耕地來修建住房以及建設其他公共設施，因此，造成了對土地資源的進一步侵占和破壞。

(2)塌陷對煤礦生產的影響

采煤塌陷在地表主要表現為非連續變形(塌陷坑、地裂縫、臺階和滑坡等)，使煤層圍巖中含水層的水以及開采影響范圍內的地表水潰入井下，從而導致災害性透水事故和使淺層地下水位下降或喪失，給煤礦繼續生產帶來安全隱患。

(3)塌陷對地面建筑物的破壞

地表產生的移動與變形，破壞建筑物與地基之間的初始平衡狀態。伴隨著力系平衡的重新建立，使建筑物中產生附加應力，從而導致建筑物發生變形，直至損害和破壞。

(4)塌陷對交通運輸的危害

地面塌陷對公路、鐵路的正常運輸造成的危害較大，表現在公路路面下沉，甚至積水，鐵路路基陷落，鐵軌彎曲或懸空。

(5)塌陷對河流堤壩的危害

塌陷影響的堤壩，將發生下沉和水平位移。水平位移能破壞堤體的完整性，使之出現張裂帶和破碎帶，從而降低了堤壩的強度和防滲能力。

(6)塌陷對社會和生態環境的影響

塌陷使大片土地淪為積水洼地或沼澤，原有的自然植被、農作物將無法生存。采空區上方陸生生態植物將明顯減少，甚至消失。陸生植物和農作物將被水生植物替代，塌陷區由原來的平原陸地農業生態環境轉變為水生生態環境。塌陷使當地居民失去了部分土地，人口增加與土地減少的矛盾日益加重，造成這些地區的農民生活困難，給當地政府增加了負擔，給社會增添了不安定因素。

3 采煤塌陷的影響因素分析

3.1 煤層條件

主要指煤層的埋藏深度、厚度及傾角。在通常情況下，同一礦區煤層厚度大、埋藏深度淺的采空區，在地表形成的塌陷規模和危害程度較大，變形擴展到地表所需時間也相對較短。若煤層厚度較均勻且較小，在開采深度較大的采空區，采空頂板冒落變形發展到地表所需時間較長，產生的地面塌陷及危害程度相對較輕。

3.2 開采深度與開采條件

開采深度是巖石和地面移動的最主要因素之一。當其他所有條件相同時，隨著開采深度的增加，地面移動將具有更平緩和更平靜的性質，開采影響反映到地面所經歷的時間也更長，地面移動進行得越發緩慢些。

開采條件是產生采空區上方塌陷的主要原因，條帶開采時q(下沉系數)為0.03～0.15，水砂充填時q為0.06～0.20，長壁頂板自由塌落開采時q為0.60～0.80。

3.3 頂板巖性特征

煤層開采后，頂板巖性與其組合結構不同，巖移塌陷的情況也會不同。當上覆巖層強度高，分層厚度大時，礦層頂板局部或大面積暴露后易形成懸頂，冒落塌陷過程所需時間長，地表不變形或變形甚微；當上覆巖層厚度較薄，強度也相對較弱時，礦層頂板隨采隨垮，其上覆巖層不易形成懸頂，發生彎曲下沉與變形，產生地面塌陷時，不但速度快，塌陷規模也相對較大。

4 采煤塌陷地復墾條件分析

4.1 配套復墾資金

采煤塌陷地的復墾開發，關系到塌陷區居民生產、生活，一直受到當地政府及各部門的高度重視。塌陷區居民對于復墾政策“誰復墾，誰受益”也大力支持并積極參與復墾工程。兗州礦區是我國華東地區主要的煤炭生產基地，目前，領導階層己充分認識到由于采煤而帶來的一系列生態環境問題，已投入大量資金整治煤礦塌陷地。

4.2 礦區矸石資源的可利用性

利用煤矸石回填地表塌陷地是煤礦因地制宜治理采煤塌陷的一種綜合利用措施。回填方式有兩種，一是直接將矸石鋪蓋在填充區域上，壓實后作為其他用處;二是將原地表耕層土挖起來，填入矸石，再在其上覆蓋原來的耕作土壤，覆土層厚度約0.5～0.8m，恢復為農業用地。煤矸石是煤炭開采加工過程中排出的，由煤層中的夾石和混入煤中的頂底板巖石以及少量的煤構成。煤矸石的主要成分有C、H、O、S、Fe、Pb、Ca等常量元素，由于成煤環境不同，也常會有Cu、Hg、Se、Mn等微量有害元素。通過對兗州礦區的煤矸石化驗，分析利用煤矸石回填塌陷區在技術上的可行性，結果如下:

(1)煤石化學成分分析

化學成分是評價研石性質決定其利用途徑的重要指標，煤研石的化學成分隨其成煤地層巖石的種類和礦物組成不同而變化。現將其主要成分與黃土成分比較，結果如表1所示。

表1 兗州礦區煤矸石化學成分分析

從表1可以看出，煤矸石化學成分與黃土成分相似，用來作為回填復墾原料，不會導致土地質量下降。

(2)煤矸石有害元素對土壤和地下水的影響

煤矸石含有一定量的有毒有害元素，掌握這些元素的含量可以分析矸石回填塌陷地可能對土壤和地下水形成的影響，從而有效地防止矸石回填可能形成的二次污染，結果如表2所示。

表2 兗州礦區煤矸石有害元素含量分析 單位：mg/kg

從表2可以看出，煤矸石中各元素含量與當地土壤的背景值基本一致。煤矸石的化學成分與黃土母質相似，各有害元素的含量與當地土壤的背景值基本一致，所以利用煤矸石回填采煤塌陷地覆土造田基本不會對周圍水體和土壤形成二次污染。

4.3 復墾投入——產出分析

兗州礦區己經對現有的采煤塌陷地進行了一定的治理，在沉陷地積水較深的區域建立了無土栽培蔬菜大棚，蔬菜上市后，因其口感好、無污染和品種新取得了很好的市場信譽，發展前景看好。在一些地方修建了漁塘，也取得了一定的收入，需在以后的過程中積累經驗，不斷提高漁塘的產量。表3為兗州礦區沉陷地復墾整理工程部分投入及產出情況。

表3 兗州礦區沉陷地復墾整理工程部分投入及產出情況

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