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淺談采煤沉陷破壞范圍的劃定

2023-10-07

太原分公司趙明宣

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  煤炭是我國的重要資源之一，煤炭的開采給礦山周圍的生態環境造成了嚴重影響，如破壞了土地的自然形態，地質環境嚴重惡化，水土流失和土地鹽漬化嚴重，建筑物變形等，嚴重制約了礦區及周邊地區的經濟發展。采煤沉陷區勘查及治理直接影響到礦區的經濟、社會穩定，而生態環境的可持續發展，是我國煤礦區亟待解決的一大難題。如何準確圈定采煤沉陷災害的破壞范圍，為解決礦方與周邊居民矛盾糾紛提供科學依據，已成為災害勘查單位的一項重要工作。近年來，華冶公司承擔完成了幾十個礦區的采煤沉陷勘查工作，積累了較豐富的工作經驗，逐步形成了一定的產業技術優勢，為維護受災群眾利益做出了積極貢獻，不僅促進了社會穩定，也取得了明顯的經濟效益和社會效益。
  在采煤沉陷勘查過程中，有諸多因素影響災害范圍的劃定，這是勘查工作的一個主要環節和難點。本文以山西省晉城、陽泉等地幾個村莊的采煤沉陷勘查為例，簡要介紹采煤沉陷帶來的生態環境問題及災害范圍劃定中所用到的方法及應注意的問題，以期為今后相關工作提供一定的參考。
  一、采煤沉陷對生態環境的破壞
  山西是我國重要產煤區，近十年來，已累計生產煤炭98億噸，占全國1/4，因此在山西多地已形成大面積采空區，給當地生態環境造成嚴重破壞。
  （一）對土地自然形態的破壞
  采煤過程中會形成地表移動盆地，采空區上部地層應力失衡以至于變形下沉。隨著開采面積的不斷增大，地表會形成比采空區范圍更大的沉陷盆地，盆地邊緣產生大量地裂縫。這些裂縫破壞了土地連續性，造成土壤變差甚至水土流失，大量的地裂縫造成農田減產、耕地減少。
  （二）對地面建筑的破壞
  采煤造成的地面塌陷、山體蠕動或滑坡對礦區各種服務設施及居民房屋都會造成破壞，地表不均勻沉降導致房屋建筑出現裂縫、歪斜甚至坍塌，嚴重影響居民的日常生活，對當地居民的生命財產造成嚴重威脅。
  （三）對地下水的破壞
  煤礦采煤時抽取大量的地下水，這將導致礦區附近地下水位明顯下降，出現水井干涸、泉水斷流等現象。有些地區潛水位高，塌陷較深處出現常年積水，形成湖泊和沼澤，對當地自然生態形成破壞。
  綜上所述，采煤沉陷導致礦區土地、生活設施、水循環等生態環境受到嚴重破壞，改變了礦區的生態平衡，危及到當地人民的生存和經濟發展，由此引發了一系列社會、經濟和環境問題。準確圈定采煤沉陷影響范圍并進行有效治理，對今后礦區及周邊地區的可持續發展及構建和諧社會具有重要意義。
  二、采煤沉陷影響范圍的確定方法
  煤炭地下開采引起的地表沉陷是一個復雜的物理力學過程，也是一個時間和空間的過程，更是一個復雜的采礦損害與地質災害問題。對于一般地質條件開采引起的地面沉陷移動規律，目前已經有了較深入的研究，但對一些特殊開采條件下的研究尚有不足。本文就采煤沉陷范圍確定的方法及所遇到的一些特殊情況進行探討分析。
  （一）確定采空區分布，預計影響范圍
  采空區范圍的確定一般通過資料收集和物探勘查確定。采空區范圍確定后，再根據覆巖物理學性質、采空區煤層埋藏條件、開采方法等選取合適的參數進行概率積分法計算，確定其影響范圍。
  圖1是晉城市E村采煤沉陷勘查圈定的采煤沉陷破壞范圍結果。該村位于某煤礦北側，由于煤礦開采，居民房屋出現裂縫等地質災害。工作時在村南側分別采用瞬變電磁法和氡氣測量法開展物探工作，兩種物探方法相互對比驗證，在已知采空區范圍內均有異常顯示，特征明顯，異常范圍基本一致，可以應用在采空區邊界劃定工作中。
  根據各測線物探異常，在村南劃定了采空區邊界，并對采煤引起的地表破壞范圍應用概率積分法進行了計算，以地表沉陷下沉≥10 mm線為采煤沉陷對地面磚混結構房屋的破壞范圍。
  （二）采煤沉陷破壞范圍確定中需注意的幾個問題
  利用概率積分法可以計算出采煤沉陷破壞范圍，但采煤沉陷破壞范圍除了受到覆巖物理學性質、煤層埋藏條件、開采方法等因素影響外，還受一些其他因素影響，如古空區、地質構造及地形起伏等都會導致計算的災害范圍與調查情況出現較大偏差，為后續災害的處理和問題解決帶來困難，因此需要對此引起足夠重視并進行深入研究。
  1.古空區對災害范圍確定的影響
  古空區的存在會給采煤沉陷破壞范圍的判定帶來困難，由于古空區一般缺乏資料，其采掘范圍的確定難度較大，回采率及變形破壞程度不易判斷。
  在古交市A村的勘查中，村東煤礦開采下組煤，引起該村房屋較大面積的受損，僅根據村東煤礦的采空區位置，無法解釋距離采空區較遠房屋的至災原因。通過走訪調查及資料收集可知，該村附近存在上組煤古空區，已基本處于穩定狀態。但村東煤礦開采下組煤時，已采到古空區下方，疏干了古空區積水，使其復活。根據三下采煤規程，對下組煤采空區上覆巖層形成的導水裂縫帶高度進行計算。
式中：Hm—垮落帶高度；
Hli—導水裂縫帶高度；
∑M—煤層累計采厚，下組煤平均厚度3.99 m。
  計算結果表明：下組煤采空區形成上覆巖層的垮落帶和導水裂縫帶分別達到10.57 m和49.95m，
而上組煤與下組煤垂距不足41 m，因此，可推斷下組煤采煤沉陷造成古空區積水下排疏干，導致了上組煤采空區上覆巖層變形沉陷影響到了村民房屋。根據調查，村東煤礦開采過程中曾出現大量涌水也印證了這一推斷。
  2.地質構造對災害范圍確定的影響
  當巖體內存在斷層等地質構造時，地層由原來的連續體被切割成大小不同的塊體，其力學強度遠低于周圍巖體強度，并容易引起應力集中。因此，當有斷層存在時，地表沉陷或塌陷的幅度較大。
  高平市B村位于山西省沁水煤田的中南部，勘查區為黃土覆蓋區，處于晉城～獲鹿褶斷帶的東部邊緣。根據采空區范圍進行采煤沉陷計算，破壞范圍如圖2虛線所示，一些受損較嚴重的房屋并未進入破壞范圍。通過實地調查，在村東側存在一處逆斷層，落差30～60m，斷層面附近地層較破碎，且采空區上距第四系黃土層較近，因此不能以其他正常區域地層巖性及厚度選取計算參數來進行預計。根據該區實際情況，按破碎巖體及松散層選取參數計算，得到破壞范圍如圖2實線所示，該范圍基本反映了實際受災范圍。
  3.地形對災害范圍確定的影響
  地形較平坦地區可直接按概率積分方法進行計算，如果在山區，計算誤差會較大。特別是在山坡角度大于15°且地表為松散層時，除造成沉陷以外，往往會引起采動滑移。
  晉城市D村位于太行山脈西麓，沁水煤田的東南邊緣。勘查區內地形西北高東南低，山坡地表為黃土層及松散層，平均坡角大于15°。根據收集到的資料及物探成果，村西部200m處與村東南50m處均存在采空區。調查可知，山坡靠山腳處有大量的擠壓隆起，許多村民家中院墻被推動向山下彎曲變形，山坡分布有張性裂縫，可初步判斷災害是由于采煤沉陷及其引起的采動滑移體造成，受損范圍遠大于計算的采煤沉陷范圍，如圖3。由此可見，盡管預計沉陷范圍的概率積分法推導嚴密，但由于未深入觸及巖層移動的力學本質，這使其存在某種不適應性。在山區，采掘活動引起采動滑移時，山區地表平均傾角一般大于15°，且存在黃土等覆蓋層，滑移產生的影響范圍為移動角減小5～10°后的范圍。
  因此，在這種情況下，僅根據采空區范圍計算下沉10 mm等值線，并不能真實反映破壞范圍。實地調查的破壞范圍應在村委和蓄水池附近，即計算范圍外推約111 m處才與調查的破壞范圍相符，此處外推的范圍與移動角減小10°計算的影響范圍相當。另外，采空區地表位于山頂等較高位置時，采空區沉陷導致其上部及邊緣有大量的裂縫及塌陷坑，雨季的降水難以沿溝谷排出而是直接沿裂縫進入地下，使山體含水量急劇增加，積水沿裂隙向周邊坡腳的流動對坡體及房屋地基的穩定性也會造成影響，個別坡體上居民屋內及院內會出現地面隆起并涌水。所以在確定采煤沉陷破壞范圍時，地形因素也應予以考慮研究。
  綜上，采煤沉陷區對周圍生態環境的破壞不僅僅是形成沉陷盆地，還包括以其為誘因的山體滑移、古空區復活、地下水污染及流失等。因此，我們在選定生態環境恢復治理靶區時，需要謹慎圈定采煤沉陷的破壞范圍，有的放矢，以免在環境恢復治理過程中造成不必要的損失或導致治理的不徹底。