（环境工程专业论文）矿山地面沉陷环境影响评价体系的研究.pdf

论文题目：矿山地面沉陷环境影响评价体系的研究 专业：环境工程 硕士生：任秀芳( 签名) 缸避 指导教师：杨梅忠 ( 签名) j 避 摘要 矿产资源的开采在给人类提供巨大财富的同时，也给矿山环境系统带来了一系列 地质生态环境问题，其中因地下采空而造成的地表塌陷，更给地质生态环境带来严重 的危害。为了正确地预测煤层开采引起的地面塌陷造成的环境影响，处理好资源开发 和环境保护的关系，就需要研究地面沉陷发展的机理、计算方法及其规律，通过对地 面沉陷的研究，达到评价其对环境影响的目的本论文对地面塌陷的预测采用的是概 率积分法，该方法近几十年来成功的解决了地表移动空间问题、覆岩移动预计问题及 露天开采移动预计问题。 对于环境影响评价，虽然经过多年的实践，我国己形成了一套较为完整的环境影 响评价体系。但是，由于矿山自身的特殊性，使矿山环境影响评价工作还处于研究阶 段，还有许多需要完善的地方。近几年来我国已经出现了针对煤矿的特点，专门进行 的环境影响评价，。不过目前还不是很成熟。由于环境因子的模糊性，复杂性，本论文 对地面塌陷造成的环境影响评价采用模糊综合评价法。 由于地面塌陷评价的复杂性，对整个矿山系统评价十分困难，因此本论文以神府 矿区活鸡兔煤矿的地面塌陷为例，进行了预测分析并做了简要评价，评价的结果是该 矿区地面塌陷情况很严重，并且对环境造成了严重影响。评价结果与调查结果基本一 致 最后希望通过本论文的研究，能为矿山决策者提供参考，并起到敲响警钟的作 用。 关键词：地质生态环境；地面塌陷；概率积分法；环境影响；模糊综合评价 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：t h ee n v i r o n m e n t a le f f e c ta p p r a i s a ls y s t e mr e s e a r c ho f m i n e g r o u n d - s e t t l e m e r i t s p e c i a l t y ：e n v i r o m e n te n g i n e e r i n g n a m e：r e nx i u f a n g i n s t r u c t o r ：y a n gm e i - z h o n g ( s i g n a t l i 旧氩地冉 ( s i g n a t u r e w h i l et h eg r e a tw e a l t ht ot h eh u m a n i t yi sp l o v i d e db ym i n e r a lr e i m i n i n g , w h i c h a l s ob l i n g sas e r i e so fg e o l o g ye c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u e s t i o n st ot h em i n ee n v i r o n m e n t s y s t e m , i nw h i c hu n d e r g r o u n dp i c k st h es u r f a c ec o l l a p s ew h i c hg i v e st h eg e o l o g ye c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ts e r i o u sh a r l l l n e s s i no r d e rt o f o r e c a s tt h ef a l lo fg r o u n dc r e a t e st h e e n v i r o n m e n t a le f f e c tc a u s e db yc o a lb e dm i n i n g a n dm a d et h eg o o dr e s o u r c e sd e v e l o p m e n t a n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nr e l a t i o n sp r o c e s s e dc o r r e c t l y , s ow en e e dt o s t u d yt h e m e c h a n i s mo ft h eg r o u n ds e t t l e m e n t ，d e v e l o p m e n t , t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o da n dt h er u l e s , t h r o u g ht ot h er e s e a r c ho ft h eg r o u n ds e t t l e m 毗a n da c h i e v e dt h eg o a lt oa p p r a i s et h e e n v i r o n m e n t a le f f e c t t h ep r e s e n tp a p e ru s e st h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nt of o r e c a s tt h ef a l lo f g r o u n d i nt h er e c e n ts e v e r a ld o z e n sy e a r s , t h es u r f a c em i g r m i o ns p a c ep r o b l e m , c a pr o c k m i g r a t i o ne s t i m a t eq u e s t d o na n do p e n - a i rm i n i n gm i g r a t i o ne s t i m a t eq u e s t i o n 骶a l ls o l u t e d s u c c e 豁b yt h i sm a t h o d m a n yy e a r s ，a d t h o u g he n v i r o n m e n t a le f f e c ta p p r a j s a li sp r a c t i c e da n das e to fm o r e c o m p l e t ee n v i r o n m e n t a le f f e c ta p p r a i s a ls y s t e mh a v ef o r m e di n0 1 1 1 c o u n t r y , b u t , a sar e s u l to f t h e 删c i l l a r i _ t yo fo u rm i n e , t h em i n ee n v i r o n m e n t a le f f e c ta p p r a i s a lw o r ka l s ot ob ea lt h e r e s e a r c hs t a g e , a u da l s oh a v es o m em a n y p l a c e sn e e d e dt ob ec o n s u m m a t e d n o wo u rc o u l 蜘r y a l r e a d ya p p e a r e dc a b t i e so ns p e c i a l l ye n v i r o n m e n t a le f f e c ta p p r a i s a li nv i e wo f t h ec o a lm i n e c h a r a c t e r i s t i c , t h o u g hw a sn o tv e r ym a t u r ei nr e c e n ty e a r s a sar e s t i to ft h ef u z z i n e s sa n d c o m p l e x i t yo ft h ee n v i r o n m e n tf a c t o r , t h ef u z z yj u d g m e n tm e t h o di su s e df o re n v i r o n m e n t a l e f f e c ta p p r a i s a lw h i c hc r e a t e db y 恤f 酊lo f g r o u n di nt h ep r e s e n tp a p e r a sar e s u l to ft h ec o m p l e x i t yo ft h ef a l lo fg r o u n da p p r a i s a l i ti se x t r e m e l yd i 伍c u nt o a p p r a i s et h ee n t i r em i l l es y s t e m t h e r e f o r et h ep r e s e n tp a p e rt a k et h eh u o j i t uc o a lm i n ef a l l o fg r o u n di ns h e n f um i n i n ga i e aa s 锄e x a m p l e , h a sc a r r i e do nt h ef o r e c a s ta n a l y s i sa n dh a s m a d et h eb r i e f a p p r a i s a l ，t h ea p p r a i s a lr e s u l ti st h ef a l lo f g r o u n ds i t u a t i o ni nt h i sm i n i n g 脚r e a i sv e r ys e r i o u s , a n dh a sh a dt h es e r i o u si n f l u e n c et ot h ee n v i r o n m e n t t h ea p p r a i s a lr e s u l ti s b a s i cc o n s i s t e n tw i t hi n v e s t i g a t i o nr e s u l t f i n a l l y , ih o p ei 啪p r o v i d et h e 圮侥撇f o rt h em i n ep o l i c y - m a k e ra n ds o u n dt h ea l a r m b e l lt h o u g ht h ep r e s e n tp a p e rr e h a s h k e yw o r d s ：g e o l o g ye c o l o g i c a le n v i r o n m e n tg r o u n d - s e t t l e m e n tp r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o n e n v i r o n m e n t a le f f e c t i o n f u z z yq t m l i t ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：如杏菩日期：枷司6 彦 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位做作者躲廨 指导教师躲袁乌劫移 砂1 年占其参e t 1 绪论 m l _ _ _ _ 自i i | 目| _ _ _ _ 一 1 1 选题的背景 l 绪论 矿产资源的开采在给人类提供巨大财富的同时，也给矿山环境系统带来了一系列 的地质生态环境问题。其中因地下采空而造成的地表沉陷，更给地质生态环境带来严 重的危害，而且这种危害具有区域性，在矿产资源开采处，尤其是煤炭资源开采处， 程度不同的都有发生。 我国煤炭开采的特点，是以井下开采为主，井下开采量约占原煤总产量的9 7 左 右，并且随着技术改造的加快，开采方法绝大多数是长壁工作面全陷法管理顶板开 采，这就不可避免地导致地表产生大面积的沉陷。主要表现为地下煤层采出后，采空 区岩体周围岩体内原有的应力状态失去平衡，出现应力集中现象，经过一段时间后， 应力集中超过岩石的强度，顶板岩层开始断裂、冒落，形成冒落带。冒落带上部岩层 也随后断裂，再上部岩层发生弯曲，随着采空区的逐渐增大，地表开始移动，形成沉 降波，致使地表发生破坏，其破坏形式分为连续的和非连续的两种【l j 据初步统计，目前我国有近5 0 个矿区出现严重地面沉陷现象。如阳泉矿区沉陷面 积达6 0 多平方公里，焦作矿区沉陷5 2 平方公里，抚顺矿区沉陷3 0 平方公里。平顶山 矿区沉陷2 0 平方公里。徐州矿区地表沉陷体积约相当于煤层采出体积的6 0 - 7 0 ，陷 落面积为煤层开采面积的1 2 倍，达5 0 0 0 多公顷【2 l 。 2 0 0 5 年1 1 月4 日的华商报大篇幅报道了陕西省神木县境内煤炭掠夺式开采煤矿掏 空4 万亩田，同时由于煤炭的大规模开采造成境内多处地表塌陷，塌陷区内许多村民 的房屋出现裂缝并倒塌，为了保证村民安全，政府和企业对采空区内的村民进行了搬 迁。 地面沉陷是煤矿区最显著的地质灾害表现形式，对生态环境、社会环境和工程环 境都会产生不多不良的影响。 1 2 研究的意义及目的 煤炭是我国的主要能源，在国民经济发展中占有重要的地位，2 0 0 0 年煤炭在一次 性能源消费中占6 7 。然而，由于长期以来煤矿矿山追求短期的经济效益，对矿山的 环境保护问题重视不够，造成了严重的环境污染，特别是在煤炭行业不景气的时候， 煤矿更是没有精力顾及环境保护，加之管理监督不善，使煤矿环境状况更加恶化。尤 其是过度及不合理地开采与开发，已对矿山及其周围环境造成了严重的污染并诱发出 西安科技大学硕士学位论文 了多种环境地质灾害。主要表现为由于露天矿和井下矿煤炭的开采，煤矿每年都从地 表或地表深处开采出大量的煤炭和岩石，这不可避免地会造成地面塌陷【3 】。 我国的煤炭资源十分丰富，但赋存分布却不均。加之东部一些老矿区的资源衰 竭，近年来我国能源基地开发战略已逐步西移。陕北以其具有丰富的煤炭资源、优良 的煤质和良好的开发条件，决定了在2 1 世纪将成为我国煤炭生产的重要基地。所生产 的商品煤以其特低灰、特低硫、特低磷的特性也将在国内外市场上具有较强的竞争力 州。随着陕北煤炭资源的逐步开发，大面积的开采后必然引起地表塌陷对环境造成影响 1 4 】。 神府矿区位于陕西省最北端的榆林地区神木县北部，煤层埋藏浅，随着煤层的逐 步开挖，必然会导致地面沉陷，对生态、社会和工程环境造成一系列的影响。 为了正确地预测煤层开采引起的地面沉陷造成的环境影响，处理好资源开发和环 境保护的关系，就需要研究地面沉陷发展的机理、计算方法及其规律。通过对地面沉 陷的研究，达到评价其对环境影响的目的。 鉴于此本次毕业论文选择矿山地面沉陷的环境影响评价体系作为研究对象，通过 本次工作要寻求一个矿区开采沉陷预测评估的模型，探讨其对环境的影响。以神府煤 矿为例，希望通过对矿区地面沉陷规律的研究及对其环境影响进行系统的评价，能起 到警惕甚至更希望能减少我国其他矿区地面沉陷对环境造成的影响。 1 3 研究现状 矿产资源的开发利用，促进了国民经济的发展。但随着矿产资源开发规模的不断 扩大，特别是长期无序不合理开发，诱发了相当严重的矿山环境问题，改变甚至破坏 了人类的生存环境。因此如何科学合理的对矿山环境问题作出评价，是矿山环境研究 的一个重大课题i ”。 许多矿业发达国家( 如美国、加拿大、澳大利亚、南非、俄罗斯) 和一些经济技术 比较发达的国家( 如日本、德国、英国等) 都高度重视矿业与环境的关系。他们把e i a 制度赋予法律的形式，实现矿业开发与环境治理一体化进行，e i a 伴随矿业发展的整 个过程，在矿业e i a 中，强调公众参与的作用，重视项目实施中和实施后的环境验证 与评价，强调区域环境的可持续发展。 目前我国对矿山环境的影响评价体现在对矿区及周边地区的环境现状进行评价， 通过环境调查与监测，按照我国现行的环境质量指标和标准，确定污染区、污染因 子。为环境规划和整治提供科学依据。在e i a t 作中，主要对地面水、地下水、大气、 噪声和土壤等自然物理环境方面的评价工作做得较多，对生态系统的影响预测方面的 工作做得较少。近几年来，我国开始重视矿山环境影响评价，相继出现了一些环境影 响评价方面的研究。比如，从煤矿区开发的地质特征出发，根据采煤技术特点，提出 2 1 绪论 了煤矿区域环境影响评价原则和基本内容，应用有限单元法预测地表形态变化，并就 可能引发的次生地质灾害进行环境影响评价。总之，矿山在项目建设过程中或建成后 显现出来许多环境问题。加强矿山的环境影响评价已刻不容缓。 经过多年的环境影响评价实践，我国己形成了一套较为完整的环境影响评价体 系。但是，由于矿山自身的特殊性，使矿山环境影响评价工作还处于研究阶段，还有 许多需要完善的地方。在未来的发展中，矿山环境影响评价工作应将战略评价纳入环 境影响评价中，并在环境影响评价中利用地理信息系统技术、三维可视化技术、虚拟 现实技术等，实现矿山开发可能引发的环境现象的动态模拟，以便直观形象地观察矿 山生产所产生的环境影响，最终促进经济、环境和社会协调发展。 1 4 研究方法 矿区的地面沉陷属于环境地质问题，对于这个问题的研究应遵循以下原则1 6 】： ( 1 ) 应从地质学和地质环境的角度研究地面沉陷灾害的发生、发展及演化机制和变 化规律。 ， ( 2 ) 从环境科学的角度，研究地面沉陷对矿区的水环境、大气环境、土壤环境和生 态环境等的破坏机理和相互影响，提出有针对性的预防和治理措施。 总之，研究矿区地面沉陷的根本任务，是以地质学和环境学为理论依据，以保障 矿区可持续发展和矿区环境保护为目标，研究地面沉陷的发生、发展机制和环境影 响，提出预防和治理措施以及改造利用途径，争取获得良好的经济、环境和社会效益 【4 】。 当今科学技术飞速发展，新的学科不断涌现，为地球科学的研究提供了新的思想 方法，现代三论、各种非确定方法、非线性复杂现象学科不断的被移植到地学领域， 并取得了可喜的成果。同时，现代科学技术革命的条件下，学科阃的界限不断消除， 很难确定正在产生的知识领域和新的研究方法的恰当位置。开采沉陷土体变形机理及 预测研究是涉及开采沉陷学、工程地质学、水文地质学、环境科学和矿业工程等多门 学科的边缘问题，对这一问题必须有科学的综合的研究手段，才能正确预测开采沉陷 对环境作用的近期和长远后果 7 1 。 综合以上所述，把传统的思维观和近代科学技术结合起来，充分利用新的理论方 法，先进的测试技术及计算机技术来研究开采沉陷土体变形机理中的问题。最后通过 开采沉陷情况对环境的影响进行评价 3 西安科技走擘硕士学位论文 2 1 地面沉陷的产生机制 2 地面沉陷灾害的特点 由于矿产资源开采而引起的地面沉陷极大加剧了地质环境和生态环境的恶化。 在神府东胜矿区，地面沉陷不仅造成了巨大的经济损失，而且直接影响到煤炭的 生产，制约了矿区的发展，一般来说，地面沉陷的形成有三个过程：覆岩破坏的过 程，围岩的破坏和移动过程，塌陷后的稳定过程。 地面沉陷的过程是十分复杂的，并且涉及岩层的结构、构造、岩性、成分等许多 因素，加之现场观察和测量极为困难，矿层压力的变化和岩层的移动状况难于详细观 测，因而至今尚未形成公认的通用的地面沉陷机制理论。比较流行的几个假说分别 为：拱形冒落论和压力拱假说，悬臂梁( 板) 冒落论和冒落岩块肿胀充填论，冒落岩块铰 结论，砌体梁平衡说。拱形冒落论和压力拱假说基本上符合坚硬且结构简单的覆岩地 层，但这两个假说实际上只适用于解释掘进坑道和跨度较小的采空区的沉陷，却很难 解释大面积采空区覆岩破坏和冒落的实际情况。悬臂梁( 板) 冒落论将工作面和采空区上 方的顶板看成梁或板，初次冒落后，一端固定在前方的岩石上，只发生弯曲而不折 断，当悬臂梁( 板) 的长度悬伸很大时，便发生周期性的折断，造成周期性的冒压，符合 大面积回采所引起的顶板冒落情况。冒落岩块碎胀充填论认为，冒落的岩块可以自然 的碎胀，充填采空区的空间，因而限制了顶板冒落的发展，趋向于稳定状况。实际 上，悬臂梁( 板) 冒落论和冒落岩块碎胀充填论可以相互配合，解释长臂式采矿工作和大 面积覆岩破坏的情况。冒落岩块铰结论认为工作面上覆岩层塌落时，其上部的规则移 动带的岩块互相保持一定的联系，铰合成多环节的铰链，在采空区上方规则的下沉； 上覆岩层下部的不规则跨落带可以进一步分成底部的杂乱无章跨落的部分，以及其上 的跨落较为规则，保持原方向的部分。砌体梁平衡说则主张在工作面区，断裂带的影 响较大。断裂带破断之后的岩块，形状如同砖石结构的砌体，所形成的平衡结构称为 “砌体粱”。实际上是一种拱的结构。在开采之后，上覆断裂带的岩层分为三个区；即 矿壁支撑区、离层区和重新支撑区。每层的结构是靠各个破断岩块之间，由于水平挤 压力所引起的摩擦力来保持平衡的 4 2 地面沉陷灾害的特点 2 2 地面沉陷的机理 地下空间开发之前，地层中岩体处于自然应力状态，在较大程度情况下，可以认 为这种状态为没有剪应力存在的理想状态，即主应力近似相等，并且都是压应力。在 较大埋藏深度处岩体内任意取一小立方体岩块，此时，岩块处于三向受力状态，如图 2 1 所示 图2 i 地下岩体内应力状态 由于上覆岩层重量的压力形成垂直应力最，导致岩块发生三个方向的移动和变 形，即垂直方向的压缩和侧向的膨胀。但是，由于侧向受相邻岩体的限制，其变形只 能为零，则形成了岩块的侧向应力以，以。因此，存在 5 l = 癣 疋= 艿，= 了兰f _ 皖= 了兰【_ 归， i 一al 一a 式中，为覆岩平均容重，日为岩层中开挖空间上覆岩层厚度，为泊松比。对 于大多数岩石来说，a 值通常在o 2 _ _ o 3 之间，即岩体内应力状态中由于自重产生的 水平应力约为垂直应力的2 5 0 a r - 4 3 。并且都是压应力。假设岩块处于塑性状态，则 有以= d ，= 正= ，好。通常，地下岩体处于弹塑性状态 由于岩层重力的作用或由地质构造形成的压力造成岩石体积与形状的变化，岩石 体积压缩而聚集的弹性能为只；( 1 - 2 _ , u ) ( 1 + i 了t ) 2 一) , 2 h 2 6 【l m e 由岩石形状改变而聚集的弹性能为c = 旦i 者：；：专! 等式中g 为剪切弹性模量。由 上面两式可以看出随着开挖地层距地面深度灯的增加，处于弹性状态的岩层聚集的弹 性能将随h 成平方关系增加。这种弹性能在一定的条件下释放出来后，则会造成岩体 的移动和变形。 5 西安科技大学硕士学位论文 由于开采地下矿藏、地下工程的挖掘或含水层的破坏都会在地下形成开挖空间， 改变了地层岩体内原有的自然应力场，应力将重新分布，已达到新的平衡状态。这 时，开挖空间四壁产生减压区，开挖空间内部压应力消失，岩层聚集的弹性能将被释 放出来，造成岩石被压碎并向开挖空间内突出，同时开挖空间顶、底部产生减压区， 压应力为拉应力所代替，从而引起周围岩石被破坏，造成开挖空间附近地层移动与变 形。开挖空间上部顶板岩层在自重及其上覆岩层重力作用下，发生向下弯曲，地面列 车的运行和振动也将加剧这种移动过程。当岩体内部拉应力超过岩石强度极限时，顶 板岩层断裂、破碎和跨落。地下开挖空间底板岩层由于应力松弛而出现隆起。在岩石 破碎而跨落的岩层带上面，坚硬岩层通常以岩梁或悬臂梁的形式沿层面法线方向和沿 层面方向移动。在整个岩层移动与变形过程中，存在着岩石跨落、突出、片帮、底板 隆起、断裂、离层、裂隙、沿层面滑移、弯曲等破坏形式。这种岩层移动与变形过程 发展到地表以后，通常在地表形成一个比地下开挖空间大得多的下沉盆地，造成地表 下沉、倾斜变形、曲率变形、水平移动及水平变形等，还可能造成非连续变形，例如 地表出现裂缝，台阶状塌陷盆地、漏斗状塌陷坑、槽形塌陷坑、沿层面发生局部或整 体滑移等地表破坏形式。 2 3 地面沉陷的形式 2 3 1 基本形式 地面沉陷，指的是当采空区的面积扩大到一定范围之后，沉陷发展到地表，使地 表产生塌落和变形的现象。地面沉陷基本上包括下列三种形式： ( 1 ) 沉陷盆地。受到采动影响的区域，地表的标高下降，在采空区的上方形成面积 远大于采空区的沉陷区域，称为地表沉陷盆地或地表移动盆地。沉陷盆地在刚达到充 分采动时呈现出碗形；而超充分采动时呈盘形。地表沉陷盆地的形成，改变了原来的 高度、坡度和水平位置，给区域内的建筑物、道路、河渠和生态环境带来了不同的影 响和破坏，使农田减产和绝收。 ( 2 ) 裂缝和台阶。由于地下开采所产生的裂缝主要产生于沉陷盆地的外边缘，其宽 度为几毫米至几十厘米，深度可达几至几十米，甚至有的与采空区相通。裂缝两侧有 时产生落差，形成台阶甚至类似地堑式的张开裂口和环形的破坏堑沟。 ( 3 ) 沉陷坑。在开采急倾斜煤层、浅部的倾斜煤层或采深很小或采厚很大的情况 下，用房柱式采煤或硐室式水力采煤时，由于采厚不均匀，造成覆岩破坏的高度不一 致。也会在地表产生沉陷坑及漏斗陷坑。 6 2 地面沉陷灾害的特点 地表出现的沉陷盆地、裂缝和台阶以及沉陷坑，对于其上的建筑物、道路和沟渠 影响较大，尤其是裂缝和台阶以及沉陷坑，其危害更为严重。因此，在建筑物和铁路 下采煤时，应当尽量避免出现大的裂缝、台阶和沉陷坑。 2 3 2 地面沉陷盆地 地面沉陷盆地是在工作面不断向前推进的过程中逐渐形成的。一般当工作面推进 的距离相当于开采深度的1 4 至l 2 时，开采影响到地表，造成地表塌陷。然后随着工 作面继续推进，地表沉陷范围不断扩大，下沉值不断增加，在地表上就形成了比开采 工作面大得多的沉陷盆地。地面沉陷又可分为充分采动沉陷和非充分采动沉陷。充分 采动所指的是：地下煤层采出后，地面沉陷的下沉值到达了在该地质采矿条件下应有 的最大值，此时的沉陷称为充分采动沉陷。此后尽管开采工作面的范围不断增大，但 地表下沉值不再增大，形成平底的沉陷盆地( 如图2 2 ) 。刚达到充分采动时，地面沉陷 盆地内只有一个点达到最大下沉值，此时的开采称为临界开采，地面沉陷盆地呈碗形 ( 图2 2 a ) ；地面沉陷盆地内有多个点达到最大下沉值时，则形成超临界开采，对应于 超充分采动，沉陷盆地呈盘形( 图2 2 b ) 。 、二过豸：7 “一一一7 一 ， _ 一f 7 i l l 参。 。r 1 二一ii 建i t l l i i 够 幺! _ _ _ 一 _ - 一1 - + 一 - j l - 一3 一 。一一一：一一一一一一一一一f 一一 1 ，z ：粤! 、 、 ，7l 、 一_ _ 七1 - _ _ _ ( b ) 图2 2 充分采动所形成的地面沉陷盆地示意剖面图( 据纪万斌，1 9 9 4 ) a 刚达到充分采动时的地面沉陷盆地；b 超充分采动所形成的地面沉陷盆地。 w o 沉陷量；6 0 边界角；v 3 充分采动角 7 、一，、一 西安科技大擘硕士学位论文 通常当采空区的长度和宽度都达到和超过平均开采深度的1 2 - - 1 4 倍时，地表可 以形成充分采动沉陷，此时形成碗形的地面沉陷盆地。 当采空区的长度和宽度都小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，称为非充分 采动，非充分采动地面沉陷盆地呈碗形( 图2 3 ) 。若工作面沿一个方向达到临界开采尺 寸，另一方向未达到临界开采尺寸，也属于非充分采动的范围，此时形成浴盆形的地 面沉陷盆地。在实际工作中，往往很难区分这两种地面沉陷盆地的类型，不过，这并 不影响评价结果。如果一定要确定出其类型，可以根据沉陷的范围和地下采动的尺寸 来细分。 一。纛藉i 魁 f 、鬻二2 - 一一p 1 ： i 葺= = 二万 工皇! i - i 二：一_ 图2 3 水平煤层非充分采动时的地面沉陷盆地示意图 ( 据纪万斌，1 9 9 4 ) 如边界角；舶充分采动角 2 4 煤矿地面沉陷的一般规律 煤矿采空塌陷与煤层厚度、倾角、采深、采厚、上覆岩层性质及开采方式等有密 切关系。 水平及缓倾斜煤层，在采深和采厚的比值大于3 0 时，地面变形和移动在时空上是 连续的、渐变的，有一定的规律性；当采深和采厚比值小于3 0 时，地表的变形和移动 在时空上往往是不连续的，规律性差，若再遭遇大的地质构造影响，地面往往会出现 较大裂缝和塌陷坑。急倾斜或浅部缓倾斜煤层，开采时地面多出现串珠状塌陷坑，也 可出现漏斗状塌陷坑。浅部开采急倾斜煤层或厚煤层，多形成漏斗状塌陷坑和台阶状 裂缝；开采深部急倾斜煤层或缓倾斜煤层，往往发生大面积平缓的下沉盆地，影响范 围大。 若采空塌陷发生在低山丘陵地区或山区，其地面变形位移规律基本一致，但多呈 不对称台阶状塌陷或山体开裂，极易诱发滑坡、崩塌灾害的发生 3 2 地面沉陷灾害的特点 采空塌陷的最大深度一般约为采煤厚度的6 5 0 。- - 8 0 ，二次及二次以上复采区采 空塌陷从强度到致灾均具有叠加性。地方煤矿通常出于安全考虑或挖肥减瘦，采空塌 陷区往往会出现凹凸不平的不规则形态，虽规模一般较小，但致灾明显 9 西安科技大擘硕士学位论文 3 煤矿矿山地面沉陷对环境的影响 近几年来，随着我国采矿业的发展，尤其是大量个体作业者进行的采煤采矿活动 由于盲目开采及滥采，使得采空沉陷在各处频频发生，日趋严重。采空塌陷随采矿的 增加而呈直线上升，采的越多，沉陷强度就越大，范围越广，塌坑越多。地面塌陷已 经成为煤矿区危害范围最广，危害程度最大，延续时间最长的一种工程地质灾害，对 人类的自然、社会和生态环境造成了严重的影响。 3 1 对自然环境的破坏和危害 采煤沉陷对地形地貌、土地资源、水资源、旅游资源和地质生态环境造成破坏和 危害。 ( 1 ) 对地形地貌的破坏 采煤沉陷使地表变形，形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑，破坏了原有的 地表形态，使地形地貌的稳定性下降，从而使土地质量降低或完全丧失使用价值，也 使地质生态环境质量下降。 形成地表移动盆地。地下煤层采出后，煤层以上的围岩体开始下沉变形，当这 种沉降波及到地表后，地表就从原有的标高下沉，在采空区上方形成一个比采空区面 积更大的洼地，一般称为地表移动盆地。这种洼地的出现，破坏了土地的原有形态， 轻者地表起伏不平，给耕种和灌溉造成困难；重者地表下沉到潜水面以下，引起地面 长期积水，无法耕种。有时地表沉陷还会破坏地下含水层结构，使地下水位下降，出 现地表干旱。 移动盆地的沉陷量和沉陷范围大小与采深和煤层厚度呈现正相关，采深越大，煤 层越厚，地表破坏越严重。 产生地裂缝。开采缓倾斜煤层时，在移动盆地的外边缘区，地表可能出现裂 缝。裂缝的发生及其宽度、深度与表土的塑性和粘性大小以及表土受到的拉伸变形的 大小密切相关。塑性大的粘性土，一般在地表拉伸变形值超过6 - - l ( h n m m 时才产生地 裂缝；塑性小的砂质粘土或岩石，当地值变形值达到2 - - 3 m m m 时，就产生地裂缝。 地表裂缝破坏了土地的连续性，给土地耕种带来了困难，并且水土流失也比较严重。 出现塌陷坑。一般多出现在开采急倾斜煤层时。开采缓倾斜煤层时，只是在某 些特殊的地质条件下才有可能出现。塌陷坑按形态可分为漏斗状和槽状两种。地表塌 陷坑使地表腐殖土溃入井下或流失，破坏了土地的营养成分。 台阶状塌陷盆地。在开采急倾斜煤层的条件下，当采深与采厚之比值较大时， 地表可能出现一种台阶状平底塌陷盆地。这种塌陷盆地的范围很大，盆地中央部位平 l o 3 煤矿矿山地面沉陷对玩境的影响 坦，边缘部位形成多级台阶。 ( 2 ) 破坏土地资源 采空塌陷造成地表变形，严重地影响了土地的自然形态，破坏了土地的营养成 分，使土地在物理性状上呈现为沼泽地或干旱地，在化学性质上表现为土壤酸化或营 养物淋失，从而使土地质量降低或完全丧失使用价值。据初步统计，目前我国有近5 0 个矿区出现严重地面沉陷现象。如阳泉矿区地面沉陷面积达6 0 多k m 2 ，焦作矿区沉陷 5 2 k i n 2 ，抚顺矿区沉陷3 0 k m z ，平顶山矿区沉陷2 0 k m 2 。至1 9 9 1 年底，我国由于采煤造 成的沉陷面积以达到1 5 0 万亩。据有关统计资料表明，我国每年开采万吨煤就造成平 均3 亩地的塌陷区，由个别地方高达1 5 1 亩，其中有一半是可耕地。因此，至1 9 9 1 年 底，毁田已达7 5 万亩。如果按现在年开采量1 l 亿吨计算，每年塌陷面积就增加3 3 万 亩，而可耕地塌陷面积就增加1 6 5 万亩。可见，采煤塌陷对土地资源的破坏是巨大 的，而由此又引起系列的社会问题。 我国矿区遍布各地，由于各矿区在地势地貌、区域气候以及地下水位等方面的差 异，地表塌陷给农田带来的损害是不同的。 西北、东北和华北的山地、丘陵地区。分布在这一地区的矿区，塌陷区的地貌 没有明显的变化，不积水，地表变形主要表现为漏斗式塌坑或裂缝。在局部地区，可 能产生大裂缝、表土滑坡或地下水枯竭等损害。因此，对农作物、耕地的影响不大。 对塌坑或裂缝可以就地填土掩盖，平整后即可恢复耕种。 黄河以北的平原地区。此地区的地下水位较深，年降雨量较少。地表塌陷后， 盆地中央可能存在少量积水，如开滦矿区，塌陷区内积水面积只占塌陷总面的的9 ， 对这点宝贵的水面，只要不是捧弃废渣的需要，可不必强求复回。如果将此种水面辟 为水田、鱼塘或人工湖，则可美化矿区、调节气候，增加经济效益。 黄淮海平原的中东部地区。这一地区地势平坦，潜水位高，是我国粮棉重要产 区。这里分布着我国许多大型煤矿，如徐州、淮南、淮北、枣庄等矿区，那里的地表 塌陷区比比皆是，对农田破坏十分严重。如徐州矿务局，已塌陷的耕地约为8 万亩以 上，其中常年积水的耕地占2 5 ，有的积水深达3 5 m 。再如淮北矿务局，每年塌陷耕 地约5 5 0 0 亩，其中常年积水的耕地约3 5 ，最大水深达l o m 。因此，这地区是农田破 坏最严重的地区，几乎使农业绝产或半绝产。 ( 3 ) 破坏水资源 采煤塌陷不仅改变了地表水、地下水的径流条件，而且改变了水质，造成水污 染。 地表塌陷的存在，破坏了地下含水层的结构，改变了地下水流量和流向，地下水 位大幅度下降，导致水源地干涸，可灌溉农田变为旱地。她表、地下水系统的改变， 致使工农业生产用水和生活用水受到严重影响。 西安科技大学硕士学位论文 地表移动盆地常使地表低洼的平地矿区常年大面积积水，水深几米到十凡米不 等，有的地方水深甚至达1 5 m 以上，地表积水常因大量矿山污水、废水的排放而受到 污染，成为污垢、病菌汇集之地。而污染的地面积水又常常放过来沿井巷、岩石裂隙 倒灌入地下采空区，使地下含水层受到污染，形成恶性环流。各矿区及其附近水源、 水体被污染后，对人类和生物的危害甚为严重；使农作物减产，甚至绝收；使鱼类及 水生生物大量死亡，给水产养殖业带来恶运；使人体产生急性或慢性中毒，或成为各 种流行病的滋生地，使人类的安全健康和生物的生存受到严重的威胁。 一 3 2 对社会经济环境的破坏和危害 对社会经济系统的破坏包括对地面建筑物、交通运输、输电和通信线路、工程设 施等的破坏，以及由于耕地破坏、农业减产或绝收而造成的农村社会问题。 ( 1 ) 对地面建筑物的破坏 地下开采引起的地表变形( 下沉、倾斜、弯曲、扭曲) ，水平方向的移动变形( 水平 移动、拉伸与压缩变形) ，以及地表平面内的剪应变形3 类。不同性质的地表移动与变 形，对建筑物影响也不同。地表产生的移动和变形，破坏建筑物和地基之间的初步平 衡状态，伴随着力与平衡的重新建立，使建筑物中产生附加应力，而导致建筑物发生 变形，直至损害和破坏。由于在移动盆地范围内各点和移动变形性质和大小各一样， 对建筑物损害性质和程度也不一样。在移动盆地中央，地表主要表现为垂直下沉，如 不积水，对建筑物的损害较轻。而在移动盆地边缘，则是各种变形应力的集中区；对 建筑物破坏程度最为严重。 据史同广等对北宿矿地表建筑物下煤柱的开采观测来看，砖木结构建筑物的损害 临界值为倾斜度i = 3 m m m ，水平变形乎= 2 m m m ，曲率k = o 2 x l o 3 m 。实践证明，建筑 物损害程度除与地表移动变形有关外，还与建筑物的结构、跨度、高度、平面形态、 建筑质量、材料质量和使用年限诸因素有关，所以是一个非常难以预测的问题。 ( 2 ) 对交通运输、输电和通信线路的破坏 对公路、铁路以及桥涵等交通设施的破坏。矿区除了一般的公路外，运煤专用 铁路较多。因此，采煤沉陷对公路、铁路的正常运输造成的危害也较大，表现在公路 路面下沉，甚至积水，铁路路基陷落，铁轨弯曲或悬空。采煤沉陷对桥涵的损害，往 往比对公路或铁路本身的损害要大，因为桥涵整体性强，稳定性要求严格，单位长度 造价高，所以一旦受损，万万难以修复，甚至完全报废，造成巨大损失。 对输电、通信线路的破坏。采煤沉陷引起的地表移动，会使输电、通信线路杆 塔歪斜，线路松弛度变化。对高压输电线路来说，不仅陷落本身容易遭受破坏，而且 周围人畜生命也受到很大的威胁。 对地下管道的破坏。矿区的地下管道主要包括供水管道、供气管道、农业灌溉 1 2 3 煤矿矿山地面沉陷对玩境的影响 管道3 种。采煤沉陷对地下管道的破坏形式主要表现在3 个方面：一是由于沉陷改变 了管道的原有坡度，造成管道流通不畅，降低了输送效率；二是由于土体变形，对管 壁产生拉、压、剪等附加应力，当其值超过管道所能承受的极限强度时，管壁就会破 裂而损坏；三是管线处在高潜水位区时，由于沉陷使地下潜水位相对上升到管道标高 附近，甚至超过管道标高，给管道维修造成很大的困难。 ( 3 ) 对水利工程设旅的危害 对河流堤坝的危害。当地下煤层开采时，受采动影响的堤坝，将发生下沉和水 平位移。水平位移能破坏坝体的完整性，使之出现张裂带和破碎带，从而降低了堤坝 的强度和防渗能力。坝体的下沉，降低了坝顶高程，降低或丧失了堤坝拦截汛期洪峰 的能力。以上两种情况均会造成溃堤和洪水泛滥的后果，这对堤坝附近人民的生命财 产安全是一个很大的威胁。 对引水渠的危害。采煤沉陷对引水渠的不利影响表现在两个方面：一是渠水渗 漏；二是引水渠下沉。渗漏是由地表裂缝造成的，裂缝主要发生在移动盆地的边缘附 近。随着裂缝的发生和发展，渠道将与采空区发生水利联系，从而导致通过移动盆地 边缘区的引水渠发生渗漏问题。渠体下沉主要发生于移动盆地的中都，这个部位是整 体下沉，且下沉量最大，向边缘逐渐减少。由于地表下沉造成渠堤高度相应减小，甚 至会变成洼地，从而使渠水慢流影响正常运营。 ( 4 ) 采煤沉陷造成的社会问题 采煤沉陷损坏大片农田，由良田沃土成为废弃地，使农业决产或半决产，从而使 人口增加与土地减少的矛盾日益加重，造成这些农民的生活困难，给当地政府和企业 增加了困难。农民到矿上闹事时有发生，不仅影响了煤矿的正常生产，而且给社会增 添了不安定因素。随着地下采空率的提高，许多村庄下的煤柱便成为下一步开采的对 象，会更多地涉及到民房损坏赔偿和村庄的搬迁问题。据统计，一个年产l o o o 万吨的 煤矿，矿区要涉及3 0 0 k m 2 左右，平均有村庄3 0 0 个，涉及到l o 万人口，而一般矿井 储量的1 0 - - - 3 0 都是在村庄下面。由此，造成的民房损坏和村庄搬迁问题，不仅造 成巨大的经济问题，而且会引起一系列社会问题，将是一项艰巨的社会系统工程。 3 3 对生态环境的破坏和危害 采矿塌陷使生态环境的各生态因子都不同程度的受到破坏和影响，有时甚至改变 整个生态系统的类型，从而恶化生态环境。 煤炭塌陷使地表受到破坏，在干旱山区使地表水土流失，可灌溉农田变为旱地： 而平原区使大片土地沦为积水洼地或沼泽，沉陷区由原来的干旱陆地农业生态环境转 交为水生生态环境。这两种情况都因采煤塌陷而改变了生境条件，使农作物生长受到 危害，造成农业减产或绝收；使鱼类及水生生物大量死亡，给水产业带来巨大损失。 西安科技大学硕士学位论文 1 生境条件的恶化，使自然界，人类和生物和谐的食物链和食物网发生短缺，破坏了生 态平衡，最终危及人类的生存和发展。 总之，采矿塌陷使森林、草原、天然植被遭受破坏，使地形地貌沉陷开裂，使水 体、大气遭受污染，恶化了整个生态环境，改变了生境条件，破坏了正常的食物链和 食物网。生态环境的恶化，进一步导致新的自然灾害，水土流失，土地盐渍化、沼泽 化、沙漠化、最终危及人类社会的发展，从而使自然生态系统和社会经济系统进入恶 性循环，引起更大的危害。 近年来，随着我国矿业尤其是个体采矿的不断发展，我国的采矿塌陷灾害频频发 生。从各省的统计数字上看，造成采空塌陷最多的是个体业，其次是集体企业，再后 是国营企业。从全国来看，采空塌陷和采矿量呈直线关系，采的越多，塌陷越严重， 给社会经济系统和自然生态环境造成的危害也就越大。因此，必须用生态经济的观点 来处理和协调好资源开发和环境保护这对矛盾，使资源开发和环境保护协调发展，以 取得最好的经济效益、社会效益和环境效益。 1 4 4 开采沉陷环境影响评价体系的研究 4 开采沉陷环境影响评价体系的研究 4 1 环境影响评价的特点和原则 环境是