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[摘要]针对煤矿开采对矿区环境、地表破坏的影响,以减轻危害程度为目标,根据深陷原因,提出了防治和控制开采沉陷的技术措施
[关键词]开采沉陷;原因;沉陷控制
1 背景
煤炭的开发为经济快速持续发展提供了基本保证,然而煤炭的大规模开采对矿山及其周围环境造成了严重的破坏日益突出,开采沉陷造成的矿区环境灾害主要有土地塌陷或积水,农田减产或绝产、道路塌陷、房屋变形破坏等,在矿山开发过程中形成的地表沉陷、植被破坏、土地荒漠化、水源枯竭等一系列问题,不仅破坏了矿区的生态环境,甚至对当地居民生存环境构成了威胁。采空区沉陷致使滑坡、崩塌、地裂、沉陷等地质灾害频繁发生,时刻影响矿井的正常生产和矿区人民的正常生活秩序。随着煤炭形式的好转,各集团公司都加大了环境的防治和治理,对煤炭事业来说,功在当代,利在千秋,如何准确分析和确定影响煤矿区开采沉陷发生和发展的重要因素是今后有效开展煤矿区开采沉陷防治工作所必须解决的课题,具有重要意义。
2 主要影响因素
在煤矿区,影响开采沉陷的因素有很多,来自于不同方面。一般认为有:地质因素、水文因素、环境因素、采矿因素、时间因素等
2.1 地质因素
2.1.1 煤层的厚度、埋深及倾角的影响
(1)煤层厚度:开采煤层的厚度影响着地表下沉量的大小。显然,如果其他条件相同时,煤层越厚,则地表下沉量越大,这是因为需要充填的采空区体积较大。
(2)开采深度的影响:随着开采深度的增加,地表各项变形值减小。这是由于开采深度的增加,地表移动盆地范围增大,地表移动盆地变得平缓,因此,地表各项变形值是与采深成反比关系的。
(3)煤层倾角的影响:煤层倾角的大小对地表移动特征有明显的影响。对于倾斜煤层,地表沉陷盆地移向采空区较深的一端。在水平及缓倾斜煤层(0～35°)开采条件下,地表下沉盆地为对称的碗形和盘形。在煤层倾角大于35。以上,地表下沉盆地为四周非不对称的碗形和盘形。当煤层倾角大于54°后,下沉盆地剖面形状又转化为比较对称的碗形或兜形。
2.1.2 覆岩结构
在大面积开采影响下,覆岩的移动和破坏有以下五种基本形式:
(1)覆岩为坚硬岩层、中硬、软弱岩层或其互层,不存在极坚硬岩层,开采后容易冒落,煤层顶板随采随冒,不形成悬顶,能被冒落岩块支撑并继续发生弯曲下沉而达地表。覆岩的“三带”变形明显,地表则产生缓慢的连续性变形。但若开采深度较小时,地表产生非连续变形。
(2)覆岩中大部分为极坚硬岩层,煤层顶板大面积暴露,矿柱支承强度不够时,覆岩产生切冒型变形,造成突然塌陷的非连续型变形。
(3)覆岩中为极软弱岩层或第四纪地层,矿层顶板即使是小面积暴露,也会在局部地方沿直线向上发生冒落,并直达地表。这时,覆岩产生抽冒型变形,地表出现漏斗状塌陷坑。
(4)覆岩中仅在一定位置上存在层状极硬岩层,矿层顶板局部或大面积暴露后发生冒落,但冒落发展到该极硬岩层时便形成悬顶,不再发展到地表。这时,覆岩产生拱冒型变形,地表则发生缓慢的连续型变形。
(5)覆岩中均为厚层状极坚硬岩层,矿层顶板局部或大面积暴露后形成悬顶,不发生任何冒落而发生弯曲变形,地表则发生缓慢的连续型变形即发生离层型变形。
2.1.3 地质构造
地质构造,尤其是断层的存在使矿区地质条件复杂化,地表移动和变形表现出特殊的规律性。
2.1.4 岩石质量指标
岩石质量的优劣直接影响着岩体的变形特性和变形量的大小,岩石质量越好,岩体的刚性越大。
2.2 水文因素
岩石是颗粒或晶体相互胶结或粘结在一起的聚积体,而地下水又是地质环境中最活跃的因素,水一岩共同作用其实质是一种从岩石微观结构变化导致其宏观力学特性改变的过程,这种复杂作用的微观演化过程是自然界岩体强度软化直到破坏的关键所在。
2.3 采矿因素
对于矿山开采形成的未处理的采空区,其稳定性除了与上面所介绍的因素有关,还取决于采矿因素及采空区的几何参数有关。
3 沉陷的防治技术途径
3.1 全部充填开采。在煤炭采出后顶板尚未冒落之前,用固体材料对采空区进行密实充填,使顶板岩层仅产生少量下沉,以减少地表的下沉和变形,达到保护地面建、构筑物或农田的目的。其中水沙充填是充填采煤法中减少地表下沉效果作好的方法,其次是风力充填和研石自溜充填。但充填采矿法需要专门的充填设备和设施,还需要有充足的充填材料。矿井初期投资大,吨煤成本相应的增加。
3.2 条带开采。根据煤层和上覆岩层组合条件,按一定的采留比,在被开采的煤层中采出一条,保留一条。由于条带开采仅是部分地采出地下煤炭资源,保留了一部分煤炭以煤柱形支撑上覆岩层。从而减少覆岩移动,控制地表的移动和变形,实现对地面建、构筑物的保护。但该方法采出率低、巷道掘进多,工作面效率低。
3.3 扭岩离层带充场。根据采空区上方覆岩移动形成三带的岩移特性,在煤炭采出后一定时间间隔内,用钻孔往。离层带空间高压注浆,充填,加固离层带空间,将采动的砌体梁结构加固为稳定性较好的连续梁结构,使离层带的下沉空间不再向地表传递,以减少或减缓地表下沉,保护地面建、构筑物或农田。但该技术难度大,再近一步研究。
3.4 限厚开采。根据矿区地形、水文地质条件和建、构筑物抗变形能力,以不产生地表积水和满足建筑物所要求的保护等级为依据,确定可开采的煤层厚度,开采是仅回采这一厚度的煤,其余各煤层均不开采,以实现减少下沉保护地面建、构筑物及土地的目的。但该技术采出率低,仅在薄煤层中应用有一定的使用价值。
3.5 协调开采。厚煤层分层开采时,合理设计各工作面的开采间距,相互位置与开采顺序,使开采一个煤层(工作面)所产生的地表变形和开采另一个煤层江作面)所产生的地表变形相互抵消或抵消一部分,以减少采动引起的地表变形,保护地面建、构筑物。但该技术要保持一定的错距,因此组织生产难度较大。我国尚未开展这种工业性实验。
4 结束语
开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接原因,有效控制和减轻地面沉陷程度是避免开采沉陷环境灾害的基本途径。充填采煤法是减少地表下沉效果作好的方法,各个煤矿应该应用根据自己的实际情况和条件合理应用防止和控制开采沉陷技术和土地复垦技术,矿区生态复垦技术等多学科知识,对地表塌陷进行综合治理和开发利用,才能更好地保护地表、矿区的环境、农民的利益。
参考文献
[1]乔振峰,煤矿开采沉陷防治及控制措施[J],科技创新导报,2008,(14)
[2]郭志,岩体变形和破坏机制[c],岩体工程地质论文集,北京:地质出版社,1985
[3]史培军,中国自然灾害、减灾建设与可持续发展[J],自然资源学报,1995,10(3):267-268
[4]国家煤炭工业局,建筑物、水体、铁路及主要巷道保护煤柱留设与压煤开采规程[s],北京:煤炭工业出版社,2000
[关键词]开采沉陷;原因;沉陷控制
1 背景
煤炭的开发为经济快速持续发展提供了基本保证,然而煤炭的大规模开采对矿山及其周围环境造成了严重的破坏日益突出,开采沉陷造成的矿区环境灾害主要有土地塌陷或积水,农田减产或绝产、道路塌陷、房屋变形破坏等,在矿山开发过程中形成的地表沉陷、植被破坏、土地荒漠化、水源枯竭等一系列问题,不仅破坏了矿区的生态环境,甚至对当地居民生存环境构成了威胁。采空区沉陷致使滑坡、崩塌、地裂、沉陷等地质灾害频繁发生,时刻影响矿井的正常生产和矿区人民的正常生活秩序。随着煤炭形式的好转,各集团公司都加大了环境的防治和治理,对煤炭事业来说,功在当代,利在千秋,如何准确分析和确定影响煤矿区开采沉陷发生和发展的重要因素是今后有效开展煤矿区开采沉陷防治工作所必须解决的课题,具有重要意义。
2 主要影响因素
在煤矿区,影响开采沉陷的因素有很多,来自于不同方面。一般认为有:地质因素、水文因素、环境因素、采矿因素、时间因素等
2.1 地质因素
2.1.1 煤层的厚度、埋深及倾角的影响
(1)煤层厚度:开采煤层的厚度影响着地表下沉量的大小。显然,如果其他条件相同时,煤层越厚,则地表下沉量越大,这是因为需要充填的采空区体积较大。
(2)开采深度的影响:随着开采深度的增加,地表各项变形值减小。这是由于开采深度的增加,地表移动盆地范围增大,地表移动盆地变得平缓,因此,地表各项变形值是与采深成反比关系的。
(3)煤层倾角的影响:煤层倾角的大小对地表移动特征有明显的影响。对于倾斜煤层,地表沉陷盆地移向采空区较深的一端。在水平及缓倾斜煤层(0～35°)开采条件下,地表下沉盆地为对称的碗形和盘形。在煤层倾角大于35。以上,地表下沉盆地为四周非不对称的碗形和盘形。当煤层倾角大于54°后,下沉盆地剖面形状又转化为比较对称的碗形或兜形。
2.1.2 覆岩结构
在大面积开采影响下,覆岩的移动和破坏有以下五种基本形式:
(1)覆岩为坚硬岩层、中硬、软弱岩层或其互层,不存在极坚硬岩层,开采后容易冒落,煤层顶板随采随冒,不形成悬顶,能被冒落岩块支撑并继续发生弯曲下沉而达地表。覆岩的“三带”变形明显,地表则产生缓慢的连续性变形。但若开采深度较小时,地表产生非连续变形。
(2)覆岩中大部分为极坚硬岩层,煤层顶板大面积暴露,矿柱支承强度不够时,覆岩产生切冒型变形,造成突然塌陷的非连续型变形。
(3)覆岩中为极软弱岩层或第四纪地层,矿层顶板即使是小面积暴露,也会在局部地方沿直线向上发生冒落,并直达地表。这时,覆岩产生抽冒型变形,地表出现漏斗状塌陷坑。
(4)覆岩中仅在一定位置上存在层状极硬岩层,矿层顶板局部或大面积暴露后发生冒落,但冒落发展到该极硬岩层时便形成悬顶,不再发展到地表。这时,覆岩产生拱冒型变形,地表则发生缓慢的连续型变形。
(5)覆岩中均为厚层状极坚硬岩层,矿层顶板局部或大面积暴露后形成悬顶,不发生任何冒落而发生弯曲变形,地表则发生缓慢的连续型变形即发生离层型变形。
2.1.3 地质构造
地质构造,尤其是断层的存在使矿区地质条件复杂化,地表移动和变形表现出特殊的规律性。
2.1.4 岩石质量指标
岩石质量的优劣直接影响着岩体的变形特性和变形量的大小,岩石质量越好,岩体的刚性越大。
2.2 水文因素
岩石是颗粒或晶体相互胶结或粘结在一起的聚积体,而地下水又是地质环境中最活跃的因素,水一岩共同作用其实质是一种从岩石微观结构变化导致其宏观力学特性改变的过程,这种复杂作用的微观演化过程是自然界岩体强度软化直到破坏的关键所在。
2.3 采矿因素
对于矿山开采形成的未处理的采空区,其稳定性除了与上面所介绍的因素有关,还取决于采矿因素及采空区的几何参数有关。
3 沉陷的防治技术途径
3.1 全部充填开采。在煤炭采出后顶板尚未冒落之前,用固体材料对采空区进行密实充填,使顶板岩层仅产生少量下沉,以减少地表的下沉和变形,达到保护地面建、构筑物或农田的目的。其中水沙充填是充填采煤法中减少地表下沉效果作好的方法,其次是风力充填和研石自溜充填。但充填采矿法需要专门的充填设备和设施,还需要有充足的充填材料。矿井初期投资大,吨煤成本相应的增加。
3.2 条带开采。根据煤层和上覆岩层组合条件,按一定的采留比,在被开采的煤层中采出一条,保留一条。由于条带开采仅是部分地采出地下煤炭资源,保留了一部分煤炭以煤柱形支撑上覆岩层。从而减少覆岩移动,控制地表的移动和变形,实现对地面建、构筑物的保护。但该方法采出率低、巷道掘进多,工作面效率低。
3.3 扭岩离层带充场。根据采空区上方覆岩移动形成三带的岩移特性,在煤炭采出后一定时间间隔内,用钻孔往。离层带空间高压注浆,充填,加固离层带空间,将采动的砌体梁结构加固为稳定性较好的连续梁结构,使离层带的下沉空间不再向地表传递,以减少或减缓地表下沉,保护地面建、构筑物或农田。但该技术难度大,再近一步研究。
3.4 限厚开采。根据矿区地形、水文地质条件和建、构筑物抗变形能力,以不产生地表积水和满足建筑物所要求的保护等级为依据,确定可开采的煤层厚度,开采是仅回采这一厚度的煤,其余各煤层均不开采,以实现减少下沉保护地面建、构筑物及土地的目的。但该技术采出率低,仅在薄煤层中应用有一定的使用价值。
3.5 协调开采。厚煤层分层开采时,合理设计各工作面的开采间距,相互位置与开采顺序,使开采一个煤层(工作面)所产生的地表变形和开采另一个煤层江作面)所产生的地表变形相互抵消或抵消一部分,以减少采动引起的地表变形,保护地面建、构筑物。但该技术要保持一定的错距,因此组织生产难度较大。我国尚未开展这种工业性实验。
4 结束语
开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接原因,有效控制和减轻地面沉陷程度是避免开采沉陷环境灾害的基本途径。充填采煤法是减少地表下沉效果作好的方法,各个煤矿应该应用根据自己的实际情况和条件合理应用防止和控制开采沉陷技术和土地复垦技术,矿区生态复垦技术等多学科知识,对地表塌陷进行综合治理和开发利用,才能更好地保护地表、矿区的环境、农民的利益。
参考文献
[1]乔振峰,煤矿开采沉陷防治及控制措施[J],科技创新导报,2008,(14)
[2]郭志,岩体变形和破坏机制[c],岩体工程地质论文集,北京:地质出版社,1985
[3]史培军,中国自然灾害、减灾建设与可持续发展[J],自然资源学报,1995,10(3):267-268
[4]国家煤炭工业局,建筑物、水体、铁路及主要巷道保护煤柱留设与压煤开采规程[s],北京:煤炭工业出版社,2000