煤炭開采對地質環境的影響
——以山西省平魯區窩窩會村為例

閆冬梅

（山西省地質工程勘察院，山西太原030024）

窩窩會村位于山西省朔州市平魯區白堂鄉，村周圍分布多家煤礦，其中泰安煤礦開采區域主要在窩窩會村界范圍內。煤礦的開采引起地面塌陷，從而導致地表建筑物受損、土地裂縫等問題。

1 煤礦工作面及采空區開采概況

陽煤泰安煤業有限公司批采4#、9#、11#煤層，現開采4#、9#煤層，4#煤層僅在礦界東北角存在小面積采空，其范圍落入9#煤層的6#采空區內。本次評價根據相近采空區及工作面情況就近合并分區，工作面及采空區情況見表1。

表1 工作面及采空區情況表

2 地表移動變形預測

泰安煤礦開采煤層的傾角α=6°，屬于近水平煤層（α＜15°時即為近水平煤層），按半無限開采緩斜傾煤層地表下沉主斷面地表移動和變形值計算公式。本次采用概率積分法進行采空區地表移動變形值計算。

2.1 地表移動變形最大值

（1）地表最大下沉值。充分采動條件下地表最大下沉值按公式（1）計算，非充分采動條件下地表最大下沉值按公式（2）計算。

式中：Wcm——充分采動條件下地表最大下沉值，mm；

k1、k3——與覆巖巖性有關的系數，堅硬巖層取0.7，較硬巖層取0.8，軟弱巖層取0.9；

D1、D3——傾向及走向工作面長度，m。

（2）地表最大水平移動值。沿煤層走向上的最大水平移動值按公式（3）計算，沿煤層傾斜方向的最大水平移動值按公式（4）或（5）式計算。

式中：Ucm——充分開采的最大水平移動值，mm；

h——表土層厚度，m；

b(α)——水平移動系數，隨傾角α變化；

P0——計算系數，P0＝tanα-h/(H0-h)；當P0＜0時，取P0＝0。

（3）最大傾斜變形值可按下式計算：

式中：icm——充分開采的最大傾斜變形，mm/m。

（4）最大曲率變形值可按下式計算：

式中：kcm——充分開采的最大曲率變形，10-3/m。

（5）最大水平變形值可按下式計算：

式中：εcm——充分開采的最大水平變形，mm/m。

9#煤層開采地表移動變形基本參數及各采空區最大值見表2、表3。

表2 9#煤層地表移動變形基本參數表（傾角α=6°）

表3 各采空區地表移動最大值計算結果

本次計算選用中國礦業大學開發的“煤礦地表沉陷預測軟件（hpMSPS0）”。

2.2 地表最大下沉速度

最大下沉速度與開采深度、工作面推進速度、煤層頂板巖層性質等因素有關，可根據公式（9）計算：

式中：vcm——最大下沉速度，mm/d；

k——下沉系數，k=1.7；

Wcm——充分采動條件下地表最大下沉值，mm；

c——工作面推進速度，m/d，取3.0；

H0——平均采深，m，取160。

各工作面推進速度為3m/d，下沉最充分的點的下沉速度為：

2.3 地表移動延續時間

當無實測資料時，地表移動的延續時間T可按下列公式確定：

根據計算，9 號煤最大采深H=175m，移動延續時間T=437.5d（1.2 年），即各工作面開采沉陷后1.2 年達到穩定沉陷。

本礦9#煤層原采空區均在2008年以前開采，1.2年的地表移動延續時間，目前均已塌陷穩定；9308-9309、9401-9402、9403-9404、9106-9108 工作面在 2011～2015 年開采，地表移動延續時間為1.2 年，目前已達到穩定。

3 采煤對地面建筑物及土地的影響分析

3.1 對地面建筑物的影響分析

泰安煤礦9#煤層開采已造成地表塌陷面積共計378.73hm2，其中：1#采空區和2#采空區塌陷面積為95.41hm2，9308-9309 工 作 面 、9401-9404 工 作 面 、9106-9108 工作面及4#采空區塌陷面積為180.95hm2，5#采空區和6#采空區塌陷面積為102.37hm2。

地表塌陷范圍內有4家房屋受9106工作面2011年開采所致，其余村莊建筑物均不受地表塌陷影響。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，這4家的房屋破壞等級為Ⅰ-Ⅱ級，屬輕微損壞，應進行簡單維修或小修即可。

3.2 對土地的影響分析

3.2.1 地表沉陷形式

根據本礦現有工程已開采9#煤層采空區位置，通過調查采空區內沉陷影響，本區為低山丘陵地貌，表土黃土覆蓋層較厚，沉陷表現形式為地表裂縫、沉陷盆地和輕微的錯位沉陷臺階，沉陷區不會出現積水現象。

地表移動盆地：受采動影響地表從原有標高向下沉降，引起地表高低、坡度和水平位置變化，在采空區上方地表形成一個比采空區面積大的地表移動盆地。

裂縫及臺階：在地表移動盆地的外邊緣區，地表受拉伸變形超過抗拉強度。

3.2.2 沉陷土地損毀程度標準

采煤破壞土地的等級劃分采用《土地復墾方案編制規程-井工煤礦》（TD/T1031.3-2011）沉陷土地損毀程度標準，詳見表4和表5來進行土地損毀的預測。影響區內土地破壞等級劃分結果為輕度、中度和重度破壞。

表4 旱地損毀程度分級標準

表5 林地、草地損毀程度分級標準

4 環境治理的對策與措施

4.1 地面塌陷的治理措施

4.1.1 塌陷坑的治理措施

（1）地面塌陷較淺且沒有積水的塌陷地，地面下沉量不大，地貌沒有太大的變化，只要在地表進行修復平整，就可以恢復原有的耕地。

（2）地面塌陷較深且局部有少量積水的地方，地表下沉量較大，地表積水容易引起土地的鹽堿化，因此采取先排水再填平的措施。

（3）關閉的礦井塌陷區，基礎設施比較完好，在可以耕種的地方，拆除地面建筑物，恢復耕地，在不能耕種的地方，利用原有的廠房設施，發展其他副業。

（4）電廠附近的塌陷且沒有積水的地方，可以利用電廠排出的粉煤灰來填充塌陷地，這種方法簡單可行，而且經濟合理。

4.1.2 裂縫的治理措施

（1）目前地表還沒有建筑物，但是已經被規劃為建筑用地的土地，如果受采煤影響地表出現裂縫，最好另行選址，如果不能另行選址，建筑物就要避開地裂縫帶10～30m之外。

（2）受場地條件限制無法避讓的建筑，對其地基及上部結構進行加固，提高建筑物地基的整體穩定性。對于普通的民用建筑物，一般可以利用淺埋式鋼筋混凝土加固地基，高層的或比較重要的建筑物，可使用箱型地基。

（3）對于裂縫地帶內已有的建筑物，建筑物如果橫跨地裂縫，采取拆除的辦法；對于正交跨在地裂縫上的建筑物，可采取部分拆除的方法，以免建筑物整體都受到地裂縫的破壞。

地裂縫的治理還可以采取局部或暫時性回填的方法，同時在煤炭開采時要留設防護煤柱，達到支撐地表的目的。

4.2 土地資源占用與破壞的保護措施

土地資源的占用與破壞的主要治理措旋，是實現土地資源的復墾和生態系統的重建。本區的土地資源占用與破壞的表現形式主要為地面塌陷，保護措施主要是針對塌陷的土地進行回填，作為農業用地或建設用地。

4.3 采空區上建筑物的保護措施

（1）加強地基土層與建筑物界面特性的分析。

（2）加強采空區控制房屋變形的砌體結構設計。

（3）采空區房屋的加固。