煤礦開采地面沉陷變形預測及防治對策

李學軍，張天文，孟杰

（1.寧夏回族自治區礦產地質調查院（自治區礦產地質研究所），寧夏銀川 750021；2.寧夏德坤巖土工程有限公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

隨著煤礦的大面積開采，引發了較多的環境地質問題，并且顯得愈發突出，給礦區的生態環境造成了較大危害，而礦區生態環境的惡化及環境地質災害問題已經成為影響礦區社會穩定和經濟發展及自然生態環境改善的重要因素[1]。

煤礦區最常見的環境地質問題有土地毀損、次生災害、環境污染、水土環境破壞四大類型。主要表現為地表塌陷、地面沉降、地面開裂、水土流失、泥石流、含水層結構破壞、地下水位下降、水體污染、煤（矸石） 自燃對大氣污染、植被退化、土地沙化、矸石壓占土地、地貌景觀改變等環境地質問題，采空區沉陷是煤礦區最常見的環境地質問題之一。本文以羊場灣煤礦為例，通過對礦區采空區地表沉陷狀況進行調查，對沉陷區范圍，影響程度進行評估，結合采掘接續計劃，對中遠期開采地面沉陷變形進行預測，并提出治理恢復措施[2]。

1 基本概況

羊場灣煤礦位于寧夏回族自治區靈武寧東鎮境內的碎石井礦區，區域內煤炭資源儲量豐富，地質構造屬中等，開采技術條件優越。煤礦核定生產能力為1200 萬t/a。一號井11、12 采區已開采結束，目前主要開采13、15 采區上組煤2 煤層，采用斜井和立井混合開拓方式。二號井目前主要開采2 煤層和6 煤層，采用單水平上下山開拓方式。采用走向長壁后退式采煤、綜合機械化采煤放頂的工藝，工作面頂板采用全部自然垮落法管理，采空區頂板隨采隨落[3]。

2 礦山環境地質現狀評估

羊場灣煤礦投產以來，隨著井下煤炭資源持續開采，在11、12 采區、二號井大部及20 線南幾個采區地表已形成了較大面積的采空沉陷區。礦井北部煤層淺埋區域，沉陷區范圍略大于采空區范圍。其余大部區域，沉陷區分布及平面形態與采空區布置范圍基本接近。經調查，在采空區邊緣已產生較多地裂縫，說明采空區地層已發生拉伸變形，產生地面塌陷。該區地表變形一般以整體沉陷為主，在塌陷區邊緣煤壁支撐區產生地裂縫，塌陷區地形總體顯負地形特征，相對原生地貌形態而言，形成高低不平的塌陷區，對塌陷區內的地形標高和地表形態產生了較為較大影響，并使上述區域的原生地形地貌景觀發生了較大變化。總之，煤礦開采活動對采空區的地形、地貌、生態景觀造成較為嚴重的影響[4]，如圖1 所示。

圖1 礦區地裂縫及沉陷盆地照片Fig.1 Photos of ground fissures and subsidence basins in mining areas

經調查，羊場灣井田現已形成采空區面積2707.18 hm2。開采形成的塌陷區面積為2977.62 hm2，地面塌陷最大值為3.03 m。地裂縫主要分布在采區和塌陷范圍的邊緣及各煤柱附近，裂縫寬度5 ～80 cm，長度0.5 ～80 m，裂縫可見深度達0.8 ～2.6 m；塌陷臺階的高度0.3 ～0.8 m。在地質環境恢復及治理過程中，該礦雖已對部分裂縫及時進行了填埋，但現狀條件下發現局部地段仍有地裂縫地質災害存在。

3 塌陷區地表變形特征分析及預測

3.1 塌陷區地表變形特征分析

地面沉陷是煤礦開采后最為典型的地質災害，地表沉陷變形量的大小與采深、采厚、采煤方法、頂板管理方法、開采范圍大小、開采時間、覆巖的工程地質性質、松散層厚度及水文地質等因素有著密切的關系。煤層開采所造成的地表沉陷及變形是隨時間、空間而不斷變化的復雜的四維空間問題，在時間和空間上具有某種函數關系。地表沉陷是巖體移動的外在表現，巖體移動是地表沉陷的內因。地面變形范圍及程度與煤層采深、采厚、煤層傾角、覆巖性質、工作面走向長度和傾斜長度、工作面推進速度、開采方法及頂板管理方式等因素關系密切。煤層采深越深，地表移動時間越長。煤層傾角發生變化，地面變形范圍也有較大差異[5]。

根據該礦130201 工作面對地表移動觀測及研究資料，從傾向和走向的移動和變形規律來看，工作面中部下沉量最大，工作面邊界的上方區域傾斜量及整體變形曲率最大，工作面的邊界及工作面邊界上方相應范圍的水平位移最大[6]。

羊場灣井田屬特厚煤層及煤層群開采，采礦類型及條件復雜。根據該礦實際觀測統計，當煤層深厚比＜30 時，在采煤工作面推進時，超前于采掘工作面5 ～8 m 的地表出現明顯的破壞拉張地裂縫，每組裂縫的間距約4 ～12 m。當工作面經過，隨時間推移，先前出現的裂縫又出現了合攏現象。待采煤結束一段時間后，沿采空區外邊線地表出現較多較大的，平行與采空區邊緣范圍的拉張裂縫并形成大小、深淺不同的塌陷坑，給地表形態及完整性造成破壞，形成不同規模的地表沉（塌） 陷盆（洼）地。當地表沉陷盆地達到穩定后，盆地中心位置的地表下沉量最大[7]。

3.2 塌陷區地表變形量預測

羊場灣礦井為井下開采，隨著新的采空區的大面積形成，采空沉陷的范圍將不斷擴大。根據羊場灣煤礦開采煤層厚度與覆巖結構特征，未來隨著開采規模不斷擴大，尤其是采厚較大的多個煤層重復開采，煤層開采結束，大面積放頂后，由工作面頂部至地層淺部形成垮落帶、裂隙帶和整體下沉移動帶[7]。覆巖的變形及移動最終會波及地表，地表最終形成沉降盆地。地表移動盆地的發生、發展及最終形成在空間和時間上具有一定的規律，盆地中心區域則以垂向下沉為主，而水平方向上的位移和傾斜移動量則相對較小。靠近盆地邊緣區域及外側邊緣區域（煤壁支撐區） 的傾斜位移及水平位移變形量較盆地中心區域更為明顯[8]。

由于該井田可采煤層較多，中遠期采用多煤層依次開采的方式，即出現多煤層的重復采動，從而導致對覆巖及地表的持續擾動。另外，下部煤層的開采活動，對上部開采已形成并達到穩定的地層再次擾動，又使已達到穩定的沉陷區再度“活化”。因此預測評估中遠期井下開采對地形地貌的環境地質影響嚴重。

根據該礦采區劃分及工作面采掘接續計劃，將首采上層煤2 煤層作為一個大層，埋深按1 煤埋深計，煤層厚取2 煤厚度，傾角8°～20°，平均取14°，估算整個礦區范圍內首采上煤層和疊加下煤層（14、15 煤） 重復開采時可能造成的地表移動與最大變形量。按照《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》 （2017 版） 中推薦的公式進行計算[9]。

（1） 下沉系數計算。

計算結果，單層開采條件下的下沉系數為0.88；多煤層重復開采條件下的下沉系數為0.93。

（2） 水平移動系數計算。

式中：α 為煤層傾角，b=0.3。

計算結果bc=0.34 ～0.35。

（3） 影響傳播角及主要影響角正切。

根據經驗，影響傳播角θ在基巖中為70°，松散巖類為θ=45°。近期和中遠期開采地表最大變形量計算結果見表1。綜合評估現狀采礦塌陷及其伴生地裂縫災害的影響程度為嚴重[10-11]。

4 礦山地質環境保護與治理恢復

為防止發生因礦山建設和生產活動造成礦山地質環境問題或地質災害，改善礦山的地質環境及生態環境，促進礦山地質環境問題治理工作制度化、規范化，需要對開采礦山開展地質環境的保護和治理恢復工作。

（1） 為防止地面塌陷及地表主體工程的損毀，在井田邊界、地質構造帶、地面建（構） 筑物（村莊、道路、輸水輸電線路）、主要井巷、區段及工業場地，依據井下巷道布置《煤炭工業礦井設計規范》 《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》 （2017 版） 和《煤礦防治水細則》留設煤柱。

（2） 加固地下巷道等方式，對地面建筑密集區采取保護性開采；嚴格按照開發利用方案確定的采煤順序開采，調整采煤方式，優化工作面布局，科學管理頂板，減輕對環境的影響，減少損毀土地范圍。對已發生地面沉陷區及時進行充填等防治措施；對分布在礦區內的工程設施，實施工程防治措施和監測預警，隨時觀測地表變形情況，對形成地面塌陷坑區應及時回填。

（3） 完善監測系統，加強對沉陷區地表變形的實時監測。對采煤沉陷造成的范圍以及地裂縫應及時巡查，隨時觀測地表變形情況，對形成地面塌陷坑（群） 應及時回填。沉陷區域地表應保證排水暢通，防止地表積水倒灌。尤其是位于排水沖溝內的地裂縫在雨季對礦井安全影響很大，必須采區有效措施加強防范和治理。

對輕度破壞區，輕微裂縫地帶采用就地填補工程措施為主，生物措施恢復為輔的方法。根據開裂程度選用人工或機械作業，裂縫深度全部用沙土回填。距地表1 m 范圍處開始每隔0.3 m 左右分層夯實。回填料均來源于塌陷區井下，嚴禁從場區外外運建筑垃圾廢渣等廢棄物回填。達到合適標高后再覆蓋黃土，保證治理后不低于原土地生產力。

（4） 通過對土地進行平整不僅消除因開采塌陷產生的附加坡度，而且借此機會對土地現狀進行改善，提高產生力。

（5） 對塌陷區的復墾應在采煤結束，沉陷穩定后進行。礦山閉坑后經過拆除回填、土地治理后并進行種植草籽綠化，達到與周圍地形地貌協調、恢復植被的要求。對于尚未達到穩定的沉陷區域，應高出周圍地面10 cm 左右，待其沉實穩定后掌握與四周地面一致即可[12-13]。

5 結語

采空區沉陷在煤礦開采中不可避免，給礦區的地表和生態環境造成嚴重影響，在煤礦開采過程中必須采取有效措施進行預防。按照采掘接續計劃，對羊場灣煤礦中遠期開采引起的地面沉陷變形影響進行分析和預測，提出相應的防治對策及保護措施，為礦區采煤沉陷區治理提供參考，以期實現良好的社會效益、經濟效益和環境效益。