土地沉陷灾害研究

煤矿开采引起土地沉陷灾害的研究煤炭开采产生的地表沉陷问题越来越严重。据调查，目前我国每采出1万吨煤炭的地表沉陷就多达4亩，按照我国煤炭年产量13亿吨计算，每年就有50多万亩土地遭到破坏。地表沉陷带来的破坏已经涉及到了工业、农业、交通运输、环境保护、生态平衡等各方面，是急待解决的社会问题和环境问题。兖州矿业（集团）有限责任公司针对煤矿开采引起地面土地沉陷的灾害与有关单位共同开展了研究，取得了一些有实用价值的研究成果。 1 开采与环境研究1）影响地面变形与沉降的地质因素分析山东煤田地质局在梁宝寺井田勘探成果的基础上，结合兖州煤矿设计研究院对开拓方案的初步意见，分析了影响地面变形与沉降的主要地质因素，初步评价了主要地质因素与地面变形及沉降速度、范围的关系，为将来煤矿设计、建设和生产阶段的环境保护提供了依据。影响地面变形与沉降的地质因素有四个：自然地质因素，包括煤层厚度、煤层埋藏深度、煤层倾角、松散层厚度、埋藏条件的可靠性。构造因素，包括断层、褶皱因素。岩石物理力学性质，包括岩石强度、力学性质因素、空隙。水文地质因素，包括松散层水文条件、矿井排水、地面排水。此外，开采方式以及顶板管理、重复采动等其它因素对地面变形及沉降均有影响。研究发现：地面变形及沉降的程度、范围与煤层的厚度成正比；煤层埋深与地面变形范围成正比，与地面变形及沉降的深度成反比；煤层倾角越大，岩层移动沿垂直采空区上方下落变形，另外还沿着煤层方向上的岩层面发生剪切移动和岩石下滑，使地面变形与沉降呈现出不对称的形态；当松散层的厚度大于75Wmtg的时候（Wm为地表最大下沉值、为煤层倾角），基岩移动产生的水平移动不能够到达地表。该区第三系底界普遍发育有一层比较厚的粘土岩，其隔水性能好，使松散层形成“二元结构”。随着矿井和地面排水量的增大，松散层中的孔隙水也大量排出，孔隙被严重压实，容易在井筒上形成“蓬柱状结构”，使井筒发生变形或者破坏。由于采矿因素是造成地面变形与沉降的主要原因之一，因此在勘探阶段尤其是精查阶段后期，最好要结合矿井设计方案进行地面变形与沉降的预测评价，从而为煤矿建设和生产阶段更好地开展环境保护工作提供可靠的资料。2）某矿山开采环境地质问题某矿的各种环境地质问题比较突出。最近，中国矿业大学对水体污染、矿山环境地质灾害、地下水环境异常等开展了专题研究。该流域的煤炭资源储量丰富，东部已经形成了兖州、济宁、枣滕等矿区，西部的巨野矿区正在开发建设，是华东地区重要的煤炭生产基地。煤炭开采是该流域环境地质问题中的重要影响因素，例如兖州矿区原有7对生产矿井，塌陷土地面积已经超过4000。煤矿开采以后的土地塌陷不仅改变了矿区的地形地貌，同时也改变了地表水与地下水的相互作用（补给和排泄）方式，加速了地下水的污染，因此对其进行复垦与生态重建工作是十分重要的。矿区煤矸石的堆放及煤炭运输过程中的粉尘污染极大地恶化了南四湖流域的空气质量。煤层伴生有害元素的迁移也对矿区的土壤和地表、地下水造成了一定程度的污染。但是，煤炭的开采对于减缓南四湖的退化有着积极的意义。南四湖的形成及演化受到西部黄河和东部河流泥沙淤积的重要影响。山洪和径流给湖东的丘陵带来了大量的泥沙，湖西平原的排洪河道引黄退水亦带来大量的泥沙。由于泥沙的大量淤积，使得南四湖的湖容逐渐减少。南四湖湖区的煤炭储量达到92亿t。煤炭开采引起湖区大面积的地面沉降，从而减缓了南四湖的淤积进程。据兖州矿区的资料，平均开采煤炭综合塌陷率为0.251/万t，塌陷区呈盆地状，最大下沉量68m。若煤炭采出量为储量1/3、平均下沉量按照2m来估算，则塌陷体积为15.39，即南四湖的湖容可增加这么多。此项研究提出：严格对流域内各种矿山的管理，实施综合环保计划，加强煤矸石的资源化利用和塌陷地的土地复垦与生态重建工作，改善矿区的环境。3）老采空区地基稳定性有限元模拟研究地下开采导致上覆岩体冒落、断裂和弯曲，使岩体的承载能力降低，造成老采空区上方建筑地基的承载力下降；在建筑物荷载的作用下，处于相对平衡状态的冒落带、断裂带岩体可能重新“活化”，使地基的沉陷量增大。为此，兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿开展了老采空区地基稳定性的有限元模拟研究，利用建立的二维有限元数值分析模型研究建筑物的位置、大小及老采空区的采深、采厚对建筑物地基沉陷的影响。为研究建筑物重量对地基沉陷规律的影响，他们利用8台平面模型MO1MO8，分别模拟了建筑物载荷为10t/m、15t/m、30t/m和60t/m 情况下，建筑物位于采空区中央、与采空区边界上方引起的地基移动和变形。此外，为了研究不同采厚对地基沉陷规律的影响，他们还设计了采厚为2m、5m和7m三组模型，其中的冒落带和断裂带发育高度按经验公式确定。此项研究的结论是：一般说来，地下采空区的存在对建筑物地基沉陷规律有一定的影响，同时也存在对其产生影响的临界深厚比，超过这个深厚比之后，地下采空区存在与否对建筑物地基沉陷规律无影响。随着建筑物重量的增加、采深变浅、采厚增大，建筑物地基的沉陷量也增大，采空区边界效应减弱，移动变形曲线趋于对称。建筑物位于老采空区中央上方时，各移动变形曲线均具有对称性；位于采空区边界上方时，失去对称性，不均匀沉降量增加。多煤层开采条件下，建筑物位于采空区上方时，不受边界效应的影响；但建筑物位于采空区边界上方时，受边界影响较大；上下两煤层采区边界错开，建筑物地基沉陷不均匀性增大，对保护建筑物不利。2 开采地表移动的研究1）某矿前期开采的地表移动观测研究近几年来，兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿通过对前期开采地表移动的观测研究，得出了该矿独立工作面非充分开采时的初步地表移动参数。某煤矿位于济东煤田的中部，是该煤田首先开发的一对特大型矿井。井田范围内地势平坦，有自然村庄56个，京杭大运河等5条河流流经整个井田，邹城至济宁的公路穿过井田北部，还有6条高压输电线路穿过井田中部，所以开展地表移动观测研究是十分必要的。此项研究的目的是获得矿井具体地质采矿条件下倾斜长壁垮落式综采或者综放时的地表移动和变形规律，确定本矿区地表移动与变形的主要参数，为矿井“三下”采煤、留设保安煤柱、综合治理塌陷区及为整个煤田开展地表移动观测工作提供依据和参考。济二矿前期按照时间顺序开采1306、1302、4302三个工作面，其特点是开采宽度小、深度大、周边均未开采，属于长条式非充分采动。在3个工作面布置了3个观测站，共设置6条观测线、300多个测点，独立水准测量59次、全面观测13次，获得测点高呈及坐标原始数据近万个。从工作面地表移动观测站观测资料的最后整理与分析中可以看出，济二矿在前期开采条件下，进行单面开采时影响到地表的岩层移动角为71左右、边界角为60左右，主要影响角正切值为1.41.8，拐点偏移距为0.07H（H为采深），影响传播角为90-0.5（为煤层倾角），下沉系数大约为0.50.6。此项研究也指出：前期开采所求得的地表移动参数仅仅适用于类似开采条件下的计算，济宁二号煤矿各种采矿条件下适用的计算参数还有待于矿井大面积回采以后的继续观测研究分析确定。2）厚松散层条件下条带工作面开采的地表移动与变形规律某矿业（集团）公司杨村煤矿为研究条带综采放顶煤开采及在150300m特厚松散层（松散层厚占采深60%80%）情况下地表移动与变形规律，在TD302（条带）工作面上方建立了地表岩移观测站，取得了类似地质采矿条件下地表移动与变形规律，其观测结果与经验对类似地质采矿条件下保护煤柱留设、岩移参数预计及三下压煤开采都具有重要参考价值。由于TD302工作面在垂直于工作面推进方向为极不充分采动，故不再设沿工作面推进方向的观测站。在工作面上方地表泗河东堤外公路边（距切眼170m）设置一条和工作面推进方向近于垂直的南北走向线（东线），在工作面上方地表泗河东堤堤顶上设置一条和工作面推进方向近于垂直的南北走向线（西线）。测点为混凝土预制点，按煤矿测量规程要求进行系统测量。在一年半内东线共进行16次观测，其中全面观测5次；西线共进行14次观测，其中全面观测7次。东线位于工作面宽60m采段之上，最大下沉为1417mm；西线位于工作面宽40m采段之上，最大下沉为871mm。在类似地质采矿条件下通过缩小工作面采宽可以有效降低地表下沉和变形值。该区域地质采矿条件下条带工作面的压缩变形值远大于拉伸变形值。条带工作面在厚松散层薄基岩条件下影响范围远大于采深，即边界角小于45，其外影响半径远大于内半径。条带工作面开采水平移动系数偏大，东、西线分别为0.36和0.37。两条观测线均属于沿推进方向近充分采动和沿走向为极不充分采动的工作面，所以其地表移动与变形曲线的拐点均偏向两侧煤柱上方。测点移动的初始期非常短，其下沉量约占下沉总量5%以下；活跃期也较短，但其下沉量约占下沉总量70%；衰退期时间长，其下沉量约占下沉总量25%。3）工业场地松散层水平移动的观测与研究由某矿业（集团）公司兴隆庄煤矿和北京天地科技股份有限公司开采研究所完成的“工业场地巨厚松散层变形特征及其对重大建筑物影响的研究”，在同类成果中和在工业场地松散层水平移动的观测与研究方面均达到国际领先水平，已由山东省科技厅组织并通过了专家技术鉴定。该项目针对深厚松散层的工程特性以及松散层变形是华东地区矿山井筒集中破坏主要原因的问题，深入研究了工业场地巨厚松散层的变形特征以及对矿井重大建筑物的影响。课题组采用Sondex沉降仪、Sinco倾斜仪、KJF20检测仪和GJY-1检测系统等先进手段，在国内率先建立了矿井工业场地内松散层内部压缩变形和水平移动、井筒卸压槽应力应变变形、建筑物倾斜、建筑物已有裂缝扩展变化、工业场地地表沉降、含水层水动态等现场动态监测系统；首次观测到在矿井工业场地内深含水松散层的深部有集中水平移动的现象；根据观测结果，建立了松散层压缩变形的时间因素模型、水位降因素模型和地层压缩率模型；开发了专用有限元软件，率先建立了“松散层+疏水固结+井壁”的统一空间轴对称模型，数值模拟地层固结变形对井筒的破坏影响以及卸压槽和地层注浆治理的效果，认识到卸压槽可以有效降低井壁应力，提出了理论的优化地层注浆方案；研究了深部与浅部粘土的界线，分析了埋深、沉积年代和孔隙水压力对粘土性质变化的影响。该项目有助于认识巨厚松散层的性质与变形特征，有助于建立深土力学学科，可指导井筒破坏防治和对矿井重大建筑物的保护。兴隆庄矿运用此项成果指导井筒破坏治理工程中的壁后注浆工艺，使工期大为缩短，取得了显著的经济效益与社会效益。4）厚冲积层下薄煤层开采的地表移动观测研究山东科技大学和兖州矿业（集团）公司杨村煤矿在该矿16、17层煤的工作面上方地表成功设置地表移动观测站，通过对开采的地表移动变形观测资料的分析研究，总结了该地质采矿条件下地表移动变形的一般规律和特点，求得了适用于概率积分法进行预计的各种参数，为矿井安全生产以及类似条件矿区的“三下”采煤等工作提供了可靠的技术数据。这个矿的地表移动变形观测站由4条观测线组成。在煤层倾向和走向主断面上各设置了1条半盆地观测线，在非主断面上又设置了2条位于乡村道路上与煤层走向斜交约30的辅助观测线。所有测点均用混凝土预制，而且按照规程及设计的要求在开采之前完成埋设工作。观测站共设置工作测点105个，间距20m，控制点8个，其中走向线全长1040m，位于3607工作面一侧。工作面倾斜方向中心偏下山方向117.4m；倾斜线全长798m，位于煤层下山方向一侧、3605工作面走向正中央；第一辅助线长340m，第二辅助线长240m。开采之前全面观测，用钢尺独立两次丈量各个测点之间的距离，支距采用T2经纬仪配合特制的支距尺进行，并且用测距仪观测边长，与钢尺丈量的结果对比，平差后得出各个测点之间的准确距离；高程以三等水准测量要求施测。采后观测始于地表开始移动（地表下沉达到10mm）以后，边长丈量采用往返测，误差小于2mm，并且辅助激光测距仪检验；高程以四等水准的测量要求井下观测，每次高程闭合差均小于10mm。此项研究根据井下回采工作面的地质采矿技术条件和实测地表移动变形，对比分析邻近矿井的地表移动变形规律，初步得到了厚冲积层下薄煤层开采的地表移动变形特点：地表下沉系数大。无论是16还是17煤开采的影响，地表下沉系数均比邻近矿井大。其主要原因在于煤系地层比较松软，井下开采以后地表容易下沉。井下开采以后，地表一直未观测到裂缝。相邻矿井在开采厚煤层的时候，地表均出现了裂缝，而且一般呈现台阶状下沉，地表盆地边缘形成多级台阶的现象。其主要区别在于开采方法和强度的不同。在同等条件下，薄煤层开采引起的地表下沉速度明显比厚煤层开采时小，说明地表下沉速度不仅与开采方法、工作面推进速度有关，还与开采强度密切相关。3 采煤引起土地沉陷破坏的研究1）采煤沉陷土地破坏程度的分级研究目前，我国国有重点煤矿93%以上的产量来自于井工开采，在为社会发展提供了资源的同时也导致了大面积的地表沉陷，对土地资源造成了不同程度的破坏，形成了大量的废弃土地。根据土地复垦规定、关于加强生产建设项目土地复垦管理工作的通知（国土资发2006225号）和国土资发200781号等文件的要求，必须对被破坏的土地采取整治措施，进行土地复垦，使之恢复到可供利用的状态。对采煤引起的沉陷土地破坏程度进行评价能够为沉陷破坏土地在复垦方向的选择、复垦对策的制定、复垦工艺以及复垦工程的实施等提供基础数据。所以，合理评定采煤沉陷土地的破坏程度具有十分重要的意义。据此，煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院开展了采煤沉陷土地破坏程度的分级研究。受到采深、采厚、采煤方法以及煤层产状等地质采矿因素的影响，地表移动和破坏的形式是不完全相同的。一般当采深与采厚比大于30的时候，地表的移动和变形在时空上是连续的和渐变的，具有明显的规律性；当采深与采厚比小于30或者遇到比较大的地质构造的时候，地表的移动和变形在时空上是不连续的，也没有严格的规律，地表可能会出现比较大的裂缝或者塌陷坑。调查研究发现，在高潜水位矿区，例如淮北、徐州、兖州和枣庄等地，主要表现为下沉盆地积水，严重影响土地的使用，造成矿区耕地大量减少；在内蒙古和山西等低潜水位矿区，主要表现为裂缝、台阶、塌陷坑和滑坡等非连续变形发育，使地表水流失，土壤微气象变得更为干燥，农作物减产，也使得耕作土更加容易被风和水等侵蚀，致使土地利用价值降低。在研究采煤扰动下沉陷土地破坏程度影响因素的基础上，他们选取了地表下沉、倾斜变形、水平变形和沉陷以后的潜水位埋深作为评价因素，并且对各个评价因素进行了分级量化研究，根据地表破坏程度将采煤沉陷土地分为轻微、轻度、中度和重度破坏。其结果对于合理评价采煤沉陷土地破坏程度、选择最优的复垦方向、制定最佳的复垦对策和复垦工艺都具有一定的指导意义。2）煤矿上覆岩移破坏研究有创新煤炭科学研究总院北京开采研究所承担的国家自然科学基金“九五”重点项目“煤矿上覆岩移动破坏研究”，在采场、覆岩、地表三者结合统一的基础研究方面和在浅部开采及覆岩破坏规律等方面均取得了创新性的进展，整体上达到了国际先进水平，某些方面居于国际领先水平。该课题针对兖州矿区的实际，对水底下和村庄下采煤的技术成果具有实用价值，已经通过了由中国工程院能源与矿业学部主任范维唐等6人组成的专家委员会的评审和国家自然科学基金委员会的验收。煤矿上覆岩移动破坏的规律是采矿工程的关键基础理论，有着广泛的工程应用价值。它包括采场矿山压力与支护、岩层和地表变形沉陷控制与建筑物保护，主要应用于采煤方法、支护选型、巷道系统布置、沉陷区地下水渗透、井巷及建筑物保护等方面。此项课题的研究成果主要体现在以下几点：推进了采动覆岩运动的理论研究，完善了采动覆岩组合结构运动的新概念，提出了采动覆岩组合结构与应力场动态关系的新概念，提出了采动覆岩组合结构与应力场关系预测的新方法。发展了采动覆岩破坏的理论研究，初次揭示了露头区浅部开采的覆岩破坏变异规律，完善了露头煤柱设计的新理论，完善了兖州矿区厚煤层综合机械化放顶煤开采的覆岩破坏规律，开展了孔隙岩体与渗流特征理论的研究，并取得了结果。完善了采动引起的地表沉陷规律及预测理论研究，提出了地表沉陷机理及动态力学模型，提出了综合机械化放顶煤开采时地表沉陷预测的新方法。专家评审组的结论是：本项目围绕主题开展了研究，圆满地完成了研究的内容，达到了预期的效果，综合评价为A。3）煤矿开采沉陷对高压输电线路影响的研究绝大多数矿区都不同程度存在高压输电线路压煤的问题。我国虽然在建筑物、水体和铁路下的压煤开采问题上进行了深入研究并获得了一系列科研成果，但对于高压输电线路这种特殊构筑物下的压煤开采研究较少。为此，兖州矿业（集团）公司南屯煤矿开展了开采沉陷对高压输电线路影响机理的研究，以利于在此基础上提出高压输电线路压煤开采的技术保障措施。地下开采引起的岩层和地表移动是造成地表高压输电线路运行工况改变的主要原因。过大地表移动变形会导致高压输电线路各种运行参数超限诱发安全隐患，严重时可能造成输电线路破坏。通常可采用地表下沉、倾斜、水平移动、水平变形和曲率等五个指标对地表移动变形过程进行描述。考虑到高压输电线路为导线连接的点状构筑物组成，杆塔与地表接触面积较小，地表水平变形和曲率变形对其影响程度较轻，因此主要分析采动区地表下沉、倾斜和水平移动对高压输电线路安全运行的影响机理。地表下沉引起杆塔基础下沉，两者下沉量基本一致。杆塔基础之间下沉差异直接改变杆塔所在档的档间高差。杆塔基础底面的不均匀沉降导致杆塔内部产生附加应力，当杆塔构件内力在附加应力作用下超过材料许可应力时就使得杆塔构件破坏。同时，地表下沉导致地下潜水位相对上升，在高潜水位矿区可使地面潜水位接近或高于杆塔基础底面，地基土的泡水软化及低温下的冻胀均会威胁赶趟基础的稳定性。杆塔基础底面积小、高度大，属于杆状构筑物，对倾斜变形非常敏感。地表倾斜通过地基与杆塔基础间相互作用传递到杆塔。杆塔倾斜导致的倾覆力矩增加以及档距和高差变化改变了输电线路的运行工况，从而产生悬垂串倾斜、横担变形及导线弧垂超标等安全问题。地表水平移动使得杆塔基础发生水平方向的位移。相邻档杆塔水平移动量的差异导致档距改变。水平移动方向的不一致使杆塔和横担受到扭力矩作用，过大的扭力矩导致杆塔转角超限或横担变形。4）煤炭开采对高压线路的影响及治理研究兖州矿区井田范围内共有高压线路23条，近期受到煤炭开采影响的线路有9 条，其中南屯煤矿2条、济宁二号煤矿和济宁三号煤矿7条，合计压煤3624万t。在采动过程中可能造成地表积水、杆塔倾斜、结构根开偏差、绝缘子串顺线路倾斜角超过线路安全运行允许指标，使导线弧垂和应力发生变化，甚至有杆塔倾覆、导线断股和导线对地距离不够的可能，必须采取切实可行的技术措施来对高压线路进行保护。兖州矿业（集团）有限责任公司110kV三井I线由南至北贯穿济宁三号煤矿的首采区。该线自济宁二号煤矿变电所馈出，导线型号为LGJ-120，避雷线型号为GJ-35，杆塔类型为钢筋混凝土门型杆。三井I线地表及线路杆塔的最大下沉值达到2.4m，超过该地区的最高潜水位，将造成地表下沉盆地积水，线路基础强度难以得到保证，同时还会产生如前述的危害及后果。保护措施主要有：对导线采取紧线或者增加延长环调节导线的松紧度，若导线过紧则采取炮接的办法；对拉线采取调整UT线夹、紧线或者重打拉线，若瓷瓶倾斜则采用串线的方法调整；对杆塔，若倾斜超标则采取挖开基础、利用千斤顶等方法调整；对杆塔积水，采用堆砌毛石或者矸石填埋；加装抱桶，改造横担；改变运行方式；做好塌陷区杆塔下沉及倾斜实测；加强巡检，实施状态调整；采取尽量减轻地面塌陷的采煤方法。以上部分方法在南屯煤矿的塌陷区应用证明行之有效，三井I线的治理也取得了很好的效果。但工作量大，且也有一定局限性，例如地表下沉过快过深，致使来不及调整或已无法满足杆塔对地安全的距离，他们正在研究更加科学有效的方法，来解决煤炭开采对高压线路的影响。