煤礦開採沉陷

主要研究內容包括：①由開採引起的岩層和地表移動的觀測方法、規律和預計方法;②對地面及地下建(構)築物、鐵路、水體和井巷等煤柱的留設方法;③在建築物下、鐵路下、水體下和承壓含水層上採煤以及井筒煤柱開採時的保護措施; ④開採沉陷區的土地復墾、環境保護。

隨着採礦業的發生和規模的逐漸擴大，開採沉陷對人類生產和生活的影響以及由它所帶來的物質損失也越來越大，由此引起人們對它的重視和研究。到19世紀末20世初，僅闡明從岩層直至地表移動的定性描述。後來根據測量的觀測結果，開始研究在地下開採影響下與地表移動的數量關係。1928年，德國H. 凱因霍斯特(H. Keinhorst)根據地表下沉觀測結果，以各開採單元的影響疊加原則提出了下沉量的計算方法。1931年，R. 巴爾斯 (R. Bals) 採用積分計算方法，發展了凱因霍斯特的理論。

第二次世界大戰以來，各國對開採沉陷進行了大量的儀器觀測，積累了較豐富的資料。其中前蘇聯、波蘭、中國、英國、德國等在這方面都取得了較顯著的成就。前蘇聯重視現場實測和礦區具體條件的規律研究，各主要礦區分別制定了有關的保護規程或規定，給出了適合於各礦區條件的典型曲線和移動參數。1949年，С. Г. 阿威爾幸(С. Г. Авершин)從塑性理論研究岩層移動，其他學者也對各種特殊地質採礦條件下開採沉陷規律進行了研究。1950年，波蘭W. 佈德雷克 (W. Budryk)、S. 克諾特(S. Knothe)根據實測資料，提出了高斯曲線作為下沉曲線的影響函數;J.李特維尼申 (J. Litwiniszyn)根據隨機介質力學模型研究地表移動，認為煤層單元被採出後引起地表的單元移動符合正態分佈規律。1966年，英國煤炭局(Nation-al Coal Board，NCB)根據觀測資料出版了《沉陷工程師手冊》，1975年又增補新的觀測資料共計165條觀測線數據，修訂了手冊，給出預計因採礦影響產生地表下沉、傾斜及變形的方法，建(構)築物保護措施和減小沉陷破壞的開採技術措施。

中國自20世紀50年代開始，在全國各主要煤田開展了大量的岩層和地表移動觀測工作。依據這些實測資料，在開採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、負指數函數法和概率積分法等預計方法，在生產實踐中得到了廣泛的應用。移動盆地內任意點沿任意方向預計的研究成果，使各種預計方法能更正確地取得預計結果。各主要礦區根據實測資料已求得適合於本礦區具體地質採礦條件的移動參數。在此基礎上，中國在建築物下、鐵路下、水體下和承壓含水層上採煤、井筒煤柱開採和對開採沉陷區土地復墾、環境保護等方面技術的研究也取得了很重要的成果，每年可以從壓煤中採出2 000萬噸以上的煤炭。

地下煤層被採出以後，採區 周圍巖體內部應力平衡狀態受到了破壞。為了達到新的平衡，在採區上覆岩層重力的作用下，巖體內部的移動和變形以垮落、斷裂、離層和彎曲沉降為主要方式。從“三下”採煤工程的需要出發，將上覆岩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。由採礦引起的上覆岩層破壞並向採空區垮落的範圍。地下煤層被採出以後，採空區頂板岩層垮落後的岩石是以破碎、不規則的狀態充填採空區，直到上部不垮落的岩層為止。垮落帶高度一般為煤層採出厚度的2～5倍。若用水砂充填法管理頂板時，就不產生垮落帶。

(2)斷裂帶。垮落帶上方的岩層產生斷裂或裂縫，但仍保持其原有層狀的範圍。垮落帶和斷裂帶統稱為非連續變形帶，它們之間常無明顯界線，這兩帶的總高度一般為煤層採出厚度的10～30倍，與上覆岩層性質有關，巖性堅硬時取大值，巖性軟弱時取小值。當地層厚度小於這兩帶總高度時，地表可能發生嚴重開裂等非連續的移動和變形。

(3)彎曲帶。斷裂帶上方的岩層產生彎曲下沉的範圍。彎曲帶為連續變形帶，地表只發生連續的移動和變形。

由採礦引起的採空區上方地表移動的範圍稱為地表移動盆地。形成地表移動盆地需要一定的開採面積，一般當採空區的長和寬(沿煤層傾向的水平投影長度)都超過平均採深的0.2～0.3倍時，地表開始移動。隨着採空區面積的不斷擴大，移動盆地的面積和最大下沉值也不斷增大。此時盆地中央只有一個最大下沉點，這時移動盆地呈尖底狀，形同“碗形”，稱為非充分採動移動盆地。當採空區的長寬尺寸足夠大(一般大於採深的1.4倍)時，移動盆地中的最大下沉值達到該條件下的極限下沉值，不再隨採空區面積的擴大而增大。此時盆地中央可有多個最大下沉點，這時移動盆地呈平底狀，形同“盆形”，稱為充分採動移動盆地。

地表移動盆地的形狀與煤層及其覆巖的傾角密切相關。採空區為矩形時，在煤層為水平埋藏的條件下，移動盆地大致呈橢圓形並位於採空區的正上方 (圖2中（a）);在煤層為傾斜埋藏的條件下，移動盆地對採空區呈不對稱分佈並向下山方向偏移(圖2中（b）)。隨着煤層傾角的增大，其不對稱性和偏移量也越來越大。

由採礦引起的地表點的移動向量取決於該點在空間和時間上與回採工作面相對位置的關係，一般指向採空區中央。為了敍述簡便，通常將地表點的移動向量分解為三個分量：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)和垂直於該剖面方向的水平分量 (簡稱橫向水平移動)。

在地表移動盆地內各點的移動向量是不相等的，由此產生了變形。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，它們的分佈基本上呈對稱分佈，如圖3中（a）所示。在煤層為傾斜埋藏的條件下，它們的分佈為不對稱的，如圖3中（b）所示。其中主要表現為最大下沉點不在採空區的正上方，而向下山方向偏移，指向上山方向的傾斜和水平移動增大，隨着煤層傾角的增大，這個偏差量也越來越大。

煤炭開採對生態的影響主要有兩個方面:①是煤礦生產排污對生態環境的影響，主要表現為廢氣、廢水、廢渣排放對生態的影響，即污染生態影響;②是煤炭開採引起的地表沉陷對生態環境的直接破壞，即非污染生態影響。地表沉陷是地下采動破壞發育到地表的一種表現形式。在沉陷過程中，地表高度、坡度、水平位置發生變化。因此，對位於沉陷影響範圍內的地下水、土地、植被、建(構)築物等都將受到不同程度的影響。

(1)開採沉陷對土地資源的影響

採煤沉陷使地表變形，形成地表移動盆地，產生地裂縫和塌陷坑，破壞了原有的地表形態。地表坡度的變化，使原有的徑流發生改變，坡度大徑流量大，引起的水土流失和土壤侵蝕也越嚴重。地表裂縫的產生，地表水與地下水向深部滲漏，使潛水位下降，導致土壤濕度減小，土地變得更加乾燥。同時，土壤中的營養元素也會隨着裂隙、地表徑流流入採空區或窪地，造成許多地

方土壤養分短缺，土地承載力下降。另外，當沉陷深度超過該區地表潛水位時，土地受淹而常年積水，處於沉陷邊坡區域的土地，易發生鹽漬化，造成土地質量退化。

(2)開採沉陷對植物的影響

地表大面積塌陷，影響植物的生長髮育，甚至造成綠色植物的大幅度的減少。土地塌陷對植物的影響情況與礦區的地形、地貌、地質、區域氣候、地下潛水位高低等自然要素和採礦條件有關，可按地形、地貌和潛水位高低大致劃分為4個影響區類:

a.高潛水位的平原礦區。通常高潛水位平原礦區地面沉陷後，地表會出現積水。位於常年積水區的土地不能耕種，綠色植物大幅度減少;位於季節性積水的土地會減少種植茬數或造成嚴重減產。

b.低潛水位的平原礦區。在潛水位較低的平原礦區，由於開採沉陷使地勢變低和抬高潛水位，一方面在雨季很容易出現洪澇，使土地沼澤化;另一方面，在旱季潛水蒸發變得強烈，地下水易於攜帶鹽分上升到地表，使土地鹽鹼化。土地出現沼澤化和鹽鹼化，使作物生長明顯受到抑制，在一些重鹽鹼土上甚至寸草不生。在草原地帶，由於潛水位上升影響牧草的生長髮育，積水區會變成沼澤地，使牧草絕產。

c.丘陵礦區。在丘陵地區，當地下開採使地表上凸部分下沉時，將減小地面凸凹不平的程度，有利於植物生長;當地下開採使地表下凹部分下沉時，將增大地面的凸凹不平的程度，不利於植物生長;另外，在乾旱的丘陵地區，如果地下開採引起地表裂縫發育，將使地表水易於流失，土壤變得更為乾燥，亦會影響植物的生長。

d.山區礦區。在山區，開採沉陷對植物的影響情況主要與區域氣候和地質條件有關。一般情況下，山區開採沉陷對植物影響不大。但在某些乾旱的山區，由於開採沉陷引起的地表裂縫、台階、塌陷坑、滑坡等破壞形式，地表水流失嚴重，土壤微氣候變得更為乾燥，土地更容易被風、水等侵蝕，也嚴重影響植物生長，造成農作物減產。

(3)開採沉陷對水資源的影響

一方面由於開採沉陷，地表出現下沉、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，嚴重時地表水系甚至出現斷流現象;另一方面沉陷過程中，煤系上覆岩層受到破壞，岩層裂隙增多，煤系上覆岩層的含水層在水位和流向上受到干擾，地下水沿着發育的裂隙加速向採空區或深部巖體滲漏，使水位降低，嚴重時導致地下水疏幹，井泉乾涸。由於水源的破壞，直接影響到礦區工農業生產用水和居民生活用水。

(4)開採沉陷對地表建(構)築物的影響

沉陷對地表建(構)築物的影響，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，一般對建築物影響不大，但當下沉量很大而地下潛水位又很高時，由於沉陷後盆地積水很深，排水困難，將使建築物長期浸泡在水中而導致破壞;

b.地表傾斜使採動影響範圍內的建(構)築物產生歪斜，會使管道、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築物基礎;

d.水平變形使建築物表面產生裂縫，使地下管道被拉斷，公路路面開裂，鐵路的軌距和軌縫等發生變化。

除以上影響之外，開採沉陷有可能對野生動物也產生一定影響。這是因為野生動物的生長繁殖要有適宜的環境條件，由於開採沉陷使礦區的自然景觀發生劇變，影響綠色植物的生長髮育，改變了動物的棲息環境，因而，使一些野生動物由於不適應環境的變化或由於缺少食物而死亡或遷移。一般説來，開採沉陷會導致礦區原有野生動物的種羣和數量下降。