矿区地面塌陷控制技术研究现状与发展方向

1、第12卷 第2期2001年6月中国地质灾害与防治学报文章编号:1003 8035(200102 0086 04矿区地面塌陷控制技术研究现状与发展方向赵德深,范学理(辽宁工程技术大学,辽宁阜新 123000摘要:煤矿开采引起的地面塌陷问题由来已久,属于一种人为的灾害现象,给矿区工农业生产、人民生活、环境卫生乃至经济发展及生态平衡等方面带来严重的不良影响。文章从可持续发展战略角度分析了采煤塌陷的危害与控制意义,论述了塌陷控制的研究现状及其在防灾减灾研究领域中的地位与作用,提出了建立以覆岩离层充填减沉技术为核心的综合技术系统是控制采煤塌陷的发展方向。关键词:地面塌陷;控制技术;防灾减灾中图分类号:T

2、D325 4文献标识码:A收稿日期:2000 12 12;修回日期:2001 01 09作者简介:赵德深(1957 ,男,博士,教授。多年从事矿山开采沉陷与控制技术、防灾减灾与环境治理等方面的研究.1 采煤引起的地面塌陷造成的危害及其控制意义煤炭在我国国民经济发展中占有重要地位,占一次消耗能源构成的70%以上,同时也是主要的化工原料。据统计1,到21世纪中叶以前,煤炭仍将是我国的主要能源之一。我国现已探明煤炭可采储量1145亿t 2,虽然自1999年开始对开采量进行了限产调整,但仍达到年产量10亿t,居世界之首。矿山开采引起的地面塌陷(mining subsidence问题由来已久,属于人为的

3、地质灾害之一,长期困扰和阻碍着矿区的经济发展及环境保护,所造成的危害主要表现在:1 1 地面塌陷造成耕地减少煤炭开采造成了大面积土地塌陷,平地沦为 湖泊 ,良田绝产、或因土质降低及水位下降而减产,直接威胁着12亿多人的生计大事。据不完全统计,我国因开采煤炭所造成的地面塌陷面积已达40 02万hm 23,其中75%是农田,而且还正在以每年667hm 2的速度递增。这对于矿区、特别是平原地区的矿区是一个不可忽视的问题。如不加速治理与防护,矿区范围内的农民将处于无地可耕、无房可住、无净水可用、无新鲜空气可吸、无优雅环境可游的境地。如兖州矿区全区内地势平坦,农田肥沃,但由于开采塌陷,已在兴隆庄矿界内形

4、成了数km 2的塌陷积水坑,致使耕地无法利用。随着开采的继续,这种现象将在其它矿井田内陆续出现。据统计,兖州矿区每开采1万t 煤炭会造成农田塌陷1000m 2;安徽淮北市因采煤造成的塌陷地达1 47万hm 2;徐州铜山县境内采煤塌陷地面积达9000hm 2以上,占全县耕地面积的5 87%4。此类现象在全国各矿区均有发生。1 2 采煤塌陷对地面建筑设施造成破坏地面建筑设施(包括工农用房屋、公路、铁路、桥涵、管线等属人类生存与活动的必要条件,且具有联带性质,一旦受到破坏,将会造成极大的经济损失。地下开采后,地表出现不同程度的下沉,这将引起地面建筑设施不同程度的变形与破坏,轻者需要停产维修,重者则需

5、拆迁与重建。此类问题在老矿区尤为突出。如本溪矿区彩屯矿在60年代开采时就造成矿区医院楼房严重破坏;抚顺矿区由于地面塌陷,致使挖掘机厂搬迁、电磁厂房受损、石油一厂设备正常运行能力受到限制等。此外,地面塌陷对民宅的危害日趋严重,特别是地方或个体小煤窑对国矿浅部残留煤柱的开采,由于开采行为不规范,缺乏生产图纸等资料与管理环节,对民宅通常造成破坏,引发民事纠纷,诸如此类现象严重地影响着矿区的工农关系,企业及建筑所有者的经济利益同时受到伤害。1 3 生产企业(矿区的赔偿负担加重地面建筑设施及农田的损害必然给矿区生产企业带来巨大的经济赔偿负担,如公、民建筑的维修与重建或搬迁、绝产耕地的征用与赔偿等,每年均

6、需投入大量财力物力。如兖州矿区每年用于土地的赔偿费就高达6000多万元,近10年累计赔偿费已达20多亿元;全区需搬迁村庄253个,房屋搬迁费预计每村约5000万元,其费用之巨大不言而喻,且实际情况是村庄无处可迁。面临这一现状,兖州矿业集团正在统筹研究避免村庄搬迁和减少土地损害的对策;另如皖北矿务局,近几年征迁费用达4000多万元,约占全局总收入的1 4,几乎达到了企业无法承受的地步。1 4 矿区地面塌陷加剧了环境的污染与破坏采煤塌陷对建筑、农田等的破坏往往可以量化描述,可称为直接损害;而对矿区生态环境的破坏通常难于定量描述,可称为间接损害。然而,从社会可持续发展长远角度看,间接损害要比直接损害

7、大得多。首先表现为对地貌的破坏,如平原地区地面出现大面积塌坑,造成交通的堵塞,自然景观的毁坏,甚至造成河流改道;其次是对人类生存环境质量的破坏,如地下水的疏干,土壤质量与可利用性能下降,pH值增高,土壤中生物的生存条件变坏,生物量减少,最终造成土壤生产力降低或丧失;因水土流失造成大气粉尘量增加,与采矿其它环节联合影响大气质量,等等。综上所述,矿区地面塌陷这一人为的灾害已对人类生存环境构成了极大威胁,成为全球环境问题的重要组成部分。在人类生存中要实现人口(P、资源(R、经济(E与发展(D相互协调的可持续发展战略,对矿区地面塌陷的控制研究不仅有利于当代人的需要,而且更是子孙后代的生存之所需。2 矿

8、区地面塌陷的传统治理措施矿区地面塌陷的导因是地下的开采活动,受害的则是地貌及其上面的建筑设施。因此,对地面塌陷的治理通常要考虑采用开采措施、地面整治及抗变形措施或综合措施。2 1 开采技术措施传统的开采技术措施主要有如下几种:2 1 1 留设保护煤柱法此法多用于保护工业广场、井筒及重要建筑物或用于浅部开采。针对不同的保护对象,按要求留设一定尺寸的保护煤柱,再对煤柱外的煤炭资源予以回采。这种方法对于保护地面建筑与设施无疑是最有效的,但通常要造成煤炭资源的损失。同时,由于煤柱留设尺寸的特殊性,使得柱外采区与工作面布设难度增大,影响高效生产。虽然在矿井报废时可设法回采所留设的煤柱,但回收率也是很低的

9、。2 1 2 井下采空区充填法井下采空区充填方法是一项成熟的控制地面塌陷的措施。原苏联及波兰应用较多,我国自60年代开始引进该技术措施,主要用于厚煤层开采。如抚顺特厚煤层开采,新汶河下开采等。根据具体保护对象,可选择水砂充填、风力充填、矸石自溜充填、矸石带状充填、条带加充填等。采用此法不仅可以大大减轻覆岩的破坏程度,而且可使地面塌陷值大幅度减小。同时,矸石回填井下采空区,也做到了废物的再利用,减少了占地及对环境与空气的污染。此方法的缺点在于,开采工序增多,影响生产效率,生产成本及矿井建设投资增大。在我国应用实例较少。2 13 局部开采法局部开采法主要包括条带开采法、房柱式开采法及限厚开采法等。

10、该开采法在保证地面不出现波浪式下沉的前提下,选择适当的采留比,可回收煤炭资源40%60%。其中,条带法开采目前在我国应用仍然较多,主要理由是,地表下沉量很小,建筑设施可得到有效保护,这在某种意义上也维护了矿区环境。但此法的最大缺点是,既浪费煤炭资源,又影响生产效率,且使生产成本大幅度增加。局部开采法多在H/M<50建筑物下采煤时应用。2 2 地面治理措施地面治理措施即对已经产生的塌陷区域根据实际情况进行开发利用的办法,属于后期治理的土地复垦措施。主要包括复垦造田、复垦建筑、发展养殖业及开发旅游景点等内容。按该方法的施工特点可分为如下类型:2 2 1 疏排法:用于潜水位不太高的塌陷区。通过

11、建立排水系统,降低潜水位和疏排积水,以实现土地的重新利用;2 2 2 挖深垫浅法:将塌陷区的深域部分再挖深,用于水产养殖业,将取出的土方覆盖到塌陷区的浅域部分,用于农业种植或植树。从而达到对塌陷区87第2期赵德深等:矿区地面塌陷控制技术研究现状与发展方向的充分利用;2 23 回填复垦法:用露天矿剥离物、煤矸石、粉煤灰及城市垃圾等废物充填塌陷区,再覆盖一定厚度的沃土以发展农业种植,或对充填域采取夯实等地基处理方法营造民宅等生活区;2 3 4 其它方法:对于塌陷区面积大、水面较深的地域,可直接开发养殖业,或修建人工景点,发展旅游业,等等。总之,地面治理要因地制宜,充分利用所造成的塌陷区土地。2 3

12、 地面建筑设施的抗变形措施根据对地面产生变形值的预测,对地面建筑设施采取相应的吸收和抵抗地面变形措施。在这方面的研究,国内、外均有较成功的经验。如对整体性较差的建筑进行整体加固,以增加抗变形能力;对长体建筑进行切割,设变形缝,以吸收变形;在保护客体周边挖补偿沟,或设计活动基础等方法,均可在一定程度上起到保护建筑设施的目的。3 覆岩离层充填控制地面塌陷技术覆岩离层充填减缓地面塌陷方法是80年代中期由笔者开发的一项专利技术(专利号87105090 0,是一项具有我国知识产权的国际领先的科研成果。15年来,该成果已在我国抚顺、开滦、大屯、新汶、兖州、丰城等矿区陆续得到了推广应用,为生产单位累计创造经

13、济效益已达4亿多元,同时收到了巨大的社会效益。该方法实施的理论基础是煤矿区采动覆岩 拱板式平衡 力学结构5,工艺原理是通过地面钻孔向覆岩中产生的离层带中注入某种充填材料,以控制覆岩下沉的途径来实现控制地面塌陷目的(图1。与其它控制地面塌陷技术相比,其最大优点在于:3 1 不在井下采取措施,不干扰井下正常生产,无需改变现有矿井的开拓生产系统与工作面接续;3 2 工艺系统操作简单,易于掌握,既可单独采用,也可与其它措施联合使用(此时效果更佳;3 3 投入少,收益大,吨煤收益率大于20元;3 4 地面减沉效果明显,可使地表下沉系数控制在0 20 4;3 5 充填材料为粉煤灰,既做到了废物利用,减轻

14、了电厂粉煤灰占地费用,又保护了环境卫生。图1 覆岩离层充填技术原理说明图Fig.1 The demonstration of the technology toinject the grouts into separated strata4 矿区地面塌陷控制的发展方向随着世界各国对人类生存条件及环境条件重视程度的不断加强,联合国曾明确提出了全球性的四大问题 人口、资源、经济、发展间的协调问题(PRED 关系。其中,经济是基础,资源是条件,发展是核心。资源的开发可以改变环境,同时环境又制约资源的开发;资源开发程度影响着区域人口的数量和质量,人口又决定着资源开发的相对数量;资源开发是区域经济发展的

15、条件,不同发展阶段有不同的资源开发重点。可见,资源开发并不是孤立的事物,它可以造成一系列的连锁反应。开采塌陷问题属于资源开发过程中出现的灾害之一,对其进行有效控制是促进PRED 协调、保证可持续发展战略实施的重要组成部分,在防灾减灾学科的研究领域中具有重要地位。笔者认为,开采塌陷控制应在如下方面开展更多的工作。4 1 减少资源损失,实现煤炭的可持续性开采煤炭属于一次性、不可再生能源,从可持续发展高度看,应做到充分、有效利用,既要满足当代人的需要,又要不影响子孙后代使用资源的权利。在我国目前状态下,为了使开采不致于造成地面的严重塌陷,多采用开采技术的方法予以控制。如前述的留设保护煤柱法、局部开采

16、法等。显然,这两种方法均会造成煤炭资源的巨大损失,局部开采法通常要使50%的煤炭损失于地下,虽然在矿井报废时可对这些煤炭进行回采,但其开采强度之大、条件之难及回收率之低亦不言而喻。因此,从可持续发展观点看,应尽量避免这种浪费资源的开采形式,寻求有效措施,使煤炭资源得到充分利用。采空区充填是减小地面塌陷的有效方法,但由于应用条件(倾斜厚煤层开采的制约及生产成本的增加(约88中国地质灾害与防治ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO2001年30%,目前在我国应用不多。纵观我国煤炭开采实践,为充分利用煤炭资源,应尽量采用长壁全陷式采煤方法,再选择其它方法或开发新

17、技术来控制地面的塌陷。特别是对于新开发的矿区,在矿区总体设计与规划时就应充分考虑这一点。4 2 井上下合理布局与增强建筑设施抗变形能力相结合井上下合理布局主要是指地面建筑设施与井下回采工作面的相对位置关系,这对新开发的矿区或拟开发矿区尤为重要。矿区地面移动规律表明,位于地面塌陷盆地不同位置的建筑设施将经受不同地面变形的影响,建筑设施长轴方向不同,其变形特征也不同。因此,在城镇建筑规划时,应考虑与井下回采工作面的相对位置关系,使之处于合理位置。尤其要避免建筑设施长轴方向与回采工作面呈斜交状态。并且应根据地面变形预测值,对建筑设施适当采取结构加固或吸收变形措施,以免受到损坏。在老矿区,地面建筑格局

18、早已存在,要实现井上下合理布局已不是易事,此时更主要的则应是合理布设回采工作面尺寸与推进方向,同时对受护对象进行加固维修等措施来实现安全采煤。4 3 研究开发新的减塌陷技术体系开采实践表明,采取任何一种单一的方法都很难达到有效控制地面塌陷的目的,因此,有必要研究开发新的控制地面塌陷的综合技术体系。例如,覆岩离层充填减沉方法就是一种新的行之有效的技术,但在与其它措施的联合应用方面缺少研究成果。如能在这方面多做些工作,相信会获得更完善的综合技术体系,有效控制地面塌陷。5 结束语矿区地面塌陷是防灾减灾研究领域中的重要内容之一,它不仅影响区域性经济发展与环境,而且更重要的是对全球的生态平衡起到了反向作

19、用。地面塌陷的控制已越来越受到人们的重视。相信通过研究者、生产者乃至全社会的不断努力,定会为人类的生存营造更和谐的环境做出贡献。参考文献:1 刘天泉.矿山采动影响工程学及其应用J.煤炭学报,1997.(增.2 吴春来,陈怀珍.中国煤炭转化的发展趋势浅析J.煤炭学报,1997.(增.3 董兆祥.矿区环境地质问题的预测与防治M.北京:地质出版社,1997. 5.4 胡振琪,等.采煤沉陷地的土地资源管理与复垦M .北京:煤炭工业出版社,1996.10.5 赵德深.煤矿区采动覆岩离层分布规律与地表沉陷控制研究D,辽宁工程技术大学,2000.7.The research actuality and development aspect of the technologyto control the land collapse in mining areaZHAO De shen,FAN Xue li(Liaoning Technical University,Fuxing 123000,ChinaAbstract :Land collapse is the man made geological hazard during the mining.The collapsi