矿区开采沉陷地质灾害防治研究-Read

作者简介:1)张　良,男,1979年出生,2004年毕业于辽宁工程技术大学资源与环境学院地质工程系,助理工程师,719316,陕西省神木县店塔镇榆家梁煤矿地测站

收稿日期:2007-08-23

●百业科技

矿区开采沉陷地质灾害防治研究

张　良1)　张建亮2)

(陕西神华集团神东煤炭分公司地测公司)

摘　要:煤炭开采所引发的地质灾害中,以开采沉陷对人类环境的影响最为严重。文章就矿区

开采沉陷所引发的地质灾害与防治对策进行了研究,并开发了相应的建筑群保护煤柱设计软件。

关键词:开采沉陷;地质灾害;防治中图分类号:P694 文献标识码:A 文章编号:1004-6429(2007)06-0100-03

近几年来,采煤过程中顶板冒落、瓦斯和煤尘爆炸、矿井突

水等事故时有发生,给人们的生命和财产造成不可估量的危害。而在今后相当长一段时间里,煤炭仍将是我国的主要能源,这是我国的国情,它决定了我国煤炭的开采仍将持续进行。开采沉陷是指地下有用矿物采出后,开采区域周围岩体的原始应力状态受到破坏,应力重新分布,以达到新的平衡,在此过程中,岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的开裂、冒落等破坏现象。在我国,以煤炭开采沉陷引起的地质灾害尤为严重。因此研究因煤炭开采引起的岩层与地表沉陷问题,对于国民经济的可持续发展和人们生活的需要有着极其重要的意义。1　开采沉陷对环境的影响

开采沉陷引起的地表塌陷不同程度地损害了土壤、水体等人类赖以生存的基本环境质量,对人们的生产和生活造成了很多不利影响。如神木大柳塔煤矿,1996年地面塌陷只有4×104m 2,到1998年底已增大到25×104m 2,且仍在继续扩大,其危害也更加严重。1.1　地表塌陷对土地环境的影响

主要是由于地表塌陷使土地出现不同宽度、落差和密度的地表裂缝。在某些坡度大于40°以上的陡崖、断岩或凸形变坡部位,还可能出现不同规模的采动崩塌或滑坡等灾害性破坏。1.2　地表塌陷对水环境的影响

首先是地表塌陷裂缝在某种程度上改变了地面大气降水的径流与汇水条件,使部分地表水通过塌陷裂缝渗入地下,从而使地面大小河流等水系流量减小甚至干涸。其次是开采沉陷引起的塌陷裂缝,使上覆岩层含水层和松散含水层遭受一定程度的破坏,部分松散层和上覆基岩含水层中的地下水沿塌陷裂缝渗入采空区或开采煤层下方深部含水层,从而使采空区的地下水位降低,许多地表井泉等水源的水量减少甚至干涸。1.3　地表塌陷对植被的影响

地表塌陷对树林和草灌的影响不太明显,只在塌陷裂缝边缘的树木根系受到一定损伤,因为树木的根系比农作物的根系发育范围大得多,少数根系的破坏一般对树木的生长影响不大。只有发生采动滑坡的地区,其影响范围内的树木或草灌才会遭受毁灭性的损害。1.4　地表塌陷对人工环境的影响

由于一般地面建筑物、构筑物地基和基础的抗变形能力均小于采空区地表塌陷引起的地表移动变形值,特别是在重复采动下,如果不采取特殊保护措施,地表塌陷范围内的各类建筑物和构筑物都可能遭受不同程度的破坏,山西古交矿区因开采房屋受损居民达9000多户,许多村庄整体搬迁;水利设施、道路桥梁、输电通讯线路等都有不同程度的破坏,严重影响了矿区居民及煤矿的正常生活与生产。2　防止或减小地表沉陷与矿区环境治理的措施

地表沉陷及破坏的防治对策主要有两方面:一方面是采取措施减小或防止地表沉陷变形与破坏;另一方面是根据受护对象的性质和特征采取针对性的防护治理措施。2.1　防止或减小地表沉陷与破坏的措施

从开采沉陷学的理论及重复采动下的地表移动特点分析可知,防止或减小地表沉陷与破坏的措施有:

1)留设保护煤柱。即在受护对象下方保留一块比受护面积还要大的煤柱不采,煤柱的大小应按有关规程规定的方法按本矿区求得的移动角进行设计。留设保护煤柱是以损失煤炭资源为代价以换取受护对象的安全,它的优点是可以最大限度地减小受护地表的沉陷与变形,保证受护对象的安全。缺点是使大量煤炭资源遭受永久性损失,降低了矿井投资效益。这种措施一般只适用于开采深厚比小于100的大型密集村镇和其它重要的受护对象保护。

2)充填开采。采用砂石、煤矸石等材料,利用水力、风力作为动力,及时充填采空区,以减少顶板和覆岩的下沉,从而减小地面的沉陷、变形与破坏,一般只适用于重要城市或大型水体下开采。

3)部分开采。在受护对象的保护煤柱范围内采出部分煤炭,留下部分煤炭作为支撑,使地表出现的变形在允许范围之内。部分开采方法有条带法开采和刀柱法开采两种。刀柱法的采宽和留宽都较小,工作面搬家频繁,不利于机械化作业。根据现有的资料分析,如果条带开采的采留宽度设计正确,其地表下沉值约为全部回采的2%～20%,相当于充填开采的保护效果,且应用方便,因而有广泛的应用前景。

4)协调开采。利用两个或更多的工作面按预先设计的开

・

001・2007年第6期　11月20日出版

山西科技　SH ANXI SCIE NCE AND TECH NO LOGY

采尺寸、超前比例和开采顺序进行开采,使各工作面开采产生的地表变形,例如正曲率与负曲率、

拉伸变形与压缩变形相互抵消,从而使地面实际变形小于单一工作面开采引起的变形。2.2　受护对象的防护与矿区环境治理措施2.2.1　减少土地及其附着物破坏的对策

对矿区内可能因采煤塌陷造成土地及其附着物的破坏,应根据不同情况采取对策:

(1)对矿区井田范围内的主要村镇、居民地、重要的工业、交通、水利、电力以及重点文化旅游设施,应当按规定留设保护煤柱加以保护,或采取“三下”采煤防护措施,增强受护对象抵抗采动变形的能力,使其不致受到采煤塌陷破坏。

(2)对分散的小居民点,小山村,次要的工业、交通、水利和电力设施,如简易厂房、构筑物、次要公路、水渠和低压线路等,可以不留煤柱,采用协议搬迁、易地重建或采后修复等措施加以解决。

(3)农用塌陷土地一般均应进行复垦以恢复利用,其中轻度和中度塌陷的农用地均可通过复垦恢复其原来利用类型,只有少量严重塌陷的耕地,应视其开发类型和区位条件复垦为林地或草地。

(4)荒山荒坡上的灌木林地、荒草地及其他未利用土地的塌陷地一般只采取填堵塌陷裂缝等水土保护措施。

(5)结合煤炭产业结构调整,提高煤炭生产的科技水平和集约化程度,大力发展煤层气、煤的地下汽化和洁净煤生产,减少煤矿对土地资源的破坏,改善矿区的生态环境。2.2.2　减少煤矿水资源破坏的对策

对因煤炭开采造成的水环境恶化,应采用以下治理措施:(1)水土流失严重是煤矿开采中发生的重大生态问题。处在矿区内的季节性河流,夏季暴雨来临,河水猛涨,携带大量泥沙,不仅给下游河流造成危害,而且直接威胁到两岸矿井和生活小区的安全。为此,采取生物措施与工程治理相结合的方式,进行水土流失的整治,及时填堵地表塌陷裂缝,防止地表水通过采动裂缝漏入地下,同时搞好塌陷地复垦,防止水土流失。

(2)从优化矿区水环境出发,抓好矿区的水利工程和水土保持工程,包括打坝淤地,治理小流域、兴建水库、拦洪蓄水,提高地下水位。同时认真贯彻节水措施,加强污水和矿井水的处理和利用。

(3)有计划地采取深层或矿区外远程供水。2.2.3　减少矿区地表滑坡等地质灾害的对策

减少矿区地表滑坡等地质灾害的对策,从经济的、有效的角度考虑,减、压、填、挡、排、护应是防治滑坡和崩塌等突发性地质灾害的主要工程措施。

减———即削减滑坡裂缝至滑坡头部载荷,尤其是裂缝前裂隙发育、易发崩滑部位的滑坡土体方量。减缓坡面坡度、减小滑坡下滑力。

压———即在滑坡剪出口附近填方压脚,增大滑坡抗滑段的抗滑能力。

填———即夯填滑坡裂缝、落水洞,防止雨水沿裂缝、落水洞向坡内下灌。

挡———即支挡工程。在坡体下部,设置挡土墙,增大坡体抗滑能力,提高滑坡的整体稳定性。

排———即排除滑体上的地表水。在滑坡后缘及坡面修筑地表排水沟,阻止大气降水进入滑坡体内。

护———即坡面加固防护处理,防止地表水(雨水)渗入坡体。

3　设计建筑群保护煤柱的程序开发

到目前为止,建筑物下、铁路下和水体下采煤已经成为采矿工作中的日常课题,而对大部分需要保护的对象不再留设保护煤柱。但是,对于一些重要的建筑物和对人民生活具有重大意义的大型水利建筑工程,还需要或暂时需要留设保护煤柱。我们通过对常用的垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法的比较之后,采用VC ++平台开发了“垂线法”留设建筑群保护煤柱的应用程序,从而解决了用“垂线法”留设保护煤柱时方法易于掌握而计算相对复杂的难题。通过本程序,设计人员只需输入必要的参数和受护对象边界点坐标,就可以计算出保护煤柱边界点坐标、面积、体积和压煤量,同时自动绘制出保护煤柱示意图,并且可以将图形交换为C AD 等图形文件插入相应的图件之中。

在对保护煤柱的各边界点坐标计算过程中,都要涉及两条直线段求交点的问题。为此,我们在总结各类求交算法优缺点的基础上,提出了改进的直线段求交点算法,并编制相应的子程序BOO L P ointO fIntersection (double xa ,double ya ,double xb ,double yb ,double xc ,double yc ,double xd ,double yd ,int iMethod ,double 3xO ,double 3yO )以供调用。

该算法以两条直线段的端点坐标为基本参数,附加一个控制求交方式的参数iMethod ,同时引入测量中的方位角概念,加

入适当的角度误差限制变量来判断两条直线段之间的关系,实现了对矢量图形系统中任意两条直线段以控制坐标数据类型和求交方式的求交。iMethod 的取值范围为0、1、2和3,具体含义为:整形数据求交,iMethod =0或1;实型或双精度型数据求交,iMethod =2或3。允许延长线求交点,iMethod =0或2;不允许延长线求交点,iMethod =1或3。算法的描述如下:

步骤1:根据参数iMethod 的值,确定求交数据类型。并给出角度限差变量的值;

步骤2:求取两条直线段的方位角;

步骤3:根据方位角来判断两条直线段之间的关系。如果平行,求交失败,函数返回值FA LSE ,转步骤5。否则,求出交点坐标并传入引用参数,转步骤4;

步骤4:根据iMethod 的值来判断是否允许延长线求交点,确定函数返回值;

步骤5:算法结束。4　结束语

随着煤炭工业的发展和人类活动的加强,地表沉陷灾害必将进一步加剧,特别是在重复采动的移动期,所以除对受护对象实施工程治理措施的同时,还应对重要建筑物和可能出现滑坡或崩塌的地区建立监测系统,对受监测对象的动态作出更准确的跟踪预报,以便在紧急状态下,提前采取应急措施,减少地表沉陷灾害。同时进行大规模植树种草,绿化矿区,改善生态环境,减少沉陷损害。

参考文献

[1]　何国清,杨　伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:

中国矿业大学出版社,1994.[2]　刘　梅,曾　勇.矿区开采沉陷地质灾害与防治对策研究

[J ].江苏环境科技,2005,18(3):29-32.[3]　孙果梅,况明生,曲　华.陕西省主要地质灾害发育特点

与防治对策[J ].宝鸡文理学院学报(自然科学版),2005,

25(1):65-68.(校对:刘　芳)

(英文摘要下转第113页)

张　良,等:矿区开采沉陷地质灾害防治研究

2007年第6期　11月20日出版