詹鳳平

(中煤科工集團(tuán) 武漢設(shè)計(jì)研究院 工程設(shè)計(jì)所，湖北 武昌 430064)

煤炭開采過程中對生態(tài)環(huán)境的影響或破壞，井工礦主要為開采引起的地表沉陷、移動(dòng)變形等引起對地表植被、土壤、水體、村莊等［1］的影響或破壞。

目前，全部垮落法開采［2］是我國普遍采用的方法。在地面存在敏感目標(biāo)需要保護(hù)時(shí)，開采技術(shù)主要有水砂充填開采［3］、加壓水砂充填開采、條帶開采、充填開采等。據(jù)有關(guān)資料介紹［4］，采煤方法對地表移動(dòng)變形的影響很大。

本文在對比分析亭南礦全部垮落法開采和限厚條帶開采2 種不同開采方式對生態(tài)環(huán)境的影響程度，分析研究得出煤炭開采技術(shù)的合理選擇對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源合理利用具有重要作用，井工煤炭開采應(yīng)從煤炭開采技術(shù)的合理選擇入手，源頭上控制生態(tài)環(huán)境破壞，特別是如亭南礦此類地表村莊較多、有大型水體等環(huán)境比較敏感的井工礦開采技術(shù)的選擇尤其重要。

1 亭南礦概況

亭南煤礦位于長武縣亭口鎮(zhèn)西南部，東至彬縣縣城20km，西至長武縣城20km。礦井設(shè)計(jì)能力為0.45Mt/a，豎井單水平開拓方式，井口標(biāo)高+850m，水平大巷標(biāo)高+430m。2003年開始建設(shè)，2005年10 月建成并開始聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)。2006年4 月7 日首采的101 工作面在綜放高度10m 左右的條件下，工作面推進(jìn)到120m 時(shí)，采空區(qū)出水，水量由初期的6～7m3/h，逐漸增大到85m3/h。首采面的突然出水，給一盤區(qū)其他工作面，特別是位于盤區(qū)東北部涇河邊的工作面(107 工作面)的安全開采及合理開采厚度提出了質(zhì)疑。另外，一盤區(qū)兩翼首采面上方地表西翼是張家咀村，東翼是安華村，張家咀村房屋分散，分布范圍較廣，且有窯洞，安華村房屋密集，且有312 國道，村莊下建(構(gòu))筑物下的安全開采問題也因此凸現(xiàn)了出來。為了確保地面村莊受采動(dòng)損害程度在預(yù)計(jì)的允許范圍之內(nèi)，白堊紀(jì)洛河砂礫水不得大量涌入開采區(qū)內(nèi)，因此對亭南煤礦村莊下、白堊紀(jì)洛河砂礫巖含水層下采煤的可行性進(jìn)行了技術(shù)論證，對開采方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出［5］:盤區(qū)東北部涇河邊的工作面(107 工作面)開采厚度限制為9.0m;一盤區(qū)兩翼采區(qū)采用限厚條帶開采，西翼限厚為3～4m，東翼限厚為7m。

2 生態(tài)環(huán)境影響預(yù)測

2.1 地表沉陷影響預(yù)測模式

預(yù)測模式采用國家煤炭局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中所推薦的模式。

任意一點(diǎn)的地表移動(dòng)變形預(yù)測模式:

在充分采動(dòng)的情況下，最大移動(dòng)變形預(yù)測模式:

式中，Wcoi(x，y)為i 單元開采引起地表(x，y)點(diǎn)的下沉值，mm;W (x，y)為地表(x，y)點(diǎn)的下沉值，mm;D 為開采煤層區(qū)域;Kx為走向方向曲率值，10－3/m;Ky為傾斜方向曲率值，10－3/m;Ux(x，y)為走向方向水平移動(dòng)值，mm;Uy(x，y)為傾斜方向水平移動(dòng)值，mm;εx為走向方向水平變形值，mm/m;εy為傾斜方向水平變形值，mm/m;θo為開采影響傳播角，(°);M 為煤層開采厚度，mm;α 為煤層傾角，(°);q 為下沉系數(shù);b 為水平移動(dòng)系數(shù);r 為主要影響半徑，m，r=H/tanβ;H 為煤層埋深，m;k 為開采影響傳播系數(shù)。

2.2 地表移動(dòng)變形參數(shù)的確定

地表移動(dòng)變形計(jì)算的主要參數(shù)［6］有下沉系數(shù)q、上下山影響角正切，水平移動(dòng)系數(shù)b，開采影響傳播系數(shù)k 等。這些參數(shù)的取值主要與煤層開采方法、頂板控制方法、上覆巖層性質(zhì)、工作面寬度、重復(fù)采動(dòng)次數(shù)以及采深采厚比等因素有關(guān)。參數(shù)的確定方法:

(1)根據(jù)本區(qū)地質(zhì)條件，覆巖屬中硬巖層，而考慮到上覆巨厚硬巖層條件(厚度約300m)，以及鄰近的下溝礦在不充分采動(dòng)條件下的地表沉降實(shí)測結(jié)果，地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定的中硬偏硬條件選取，確定下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切、開采影響系數(shù)等參數(shù)。

(2)根據(jù)《陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司井上下對照圖》及《陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司亭南煤礦村莊下、洛河砂礫巖含水體下采煤可行性論證及開采方案設(shè)計(jì)》中地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)等地質(zhì)條件確定采深、采厚、傾角、上山方位角等參數(shù)。

本預(yù)測的主要參數(shù)取值見表1、表2，其中全部垮落法開采沉陷預(yù)測參數(shù)取沉陷影響大值，其結(jié)果為最不利情況下的沉陷狀況。

表1 全部垮落法開采沉陷預(yù)測參數(shù)

表2 條帶開采沉陷預(yù)測參數(shù)

2.3 地表移動(dòng)變形預(yù)測結(jié)果

由亭南礦開采范圍內(nèi)地表沉陷等值線圖可查得，全部垮落法開采地表最大下沉陷值出現(xiàn)在Q1預(yù)測區(qū)，約12.22m;條帶開采地表最大下沉陷值也出現(xiàn)在Q1 預(yù)測區(qū)，約11.14m。

結(jié)合亭南礦開采煤層賦存地質(zhì)特點(diǎn)、采煤地表移動(dòng)變形特征、井田地表自然坡度以及同一礦區(qū)鄰近大佛寺、下溝、水簾、火石咀等煤礦采煤對地表土地資源的損害情況，擬將采煤地表損害程度劃分為輕度影響區(qū)、中度影響區(qū)和嚴(yán)重影響區(qū)［7］3 種類型，輕度影響區(qū)主要特征是采煤地表變形移動(dòng)量小(下沉量小于1000mm)且沉陷區(qū)地勢平坦(坡度小于15°)區(qū)域;中度影響區(qū)主要特征是采煤地表變形移動(dòng)量較小(下沉量小于1000mm)且沉陷區(qū)地勢坡度相對較大(15～25°)區(qū)域和地表變形移動(dòng)量較大但沉陷區(qū)地勢相對平坦 (坡度小于10°)區(qū)域;嚴(yán)重影響區(qū)主要特征是采煤地表變形移動(dòng)量較大且發(fā)生地地勢陡峭(坡度大于25°)區(qū)域。全部垮落法開采、條帶開采2 種開采方式對采區(qū)地表生態(tài)影響范圍見表3～5。

表3 不同開采方式下地表受開采影響情況 km2

表4 全部垮落法開采地表沉陷影響程度面積統(tǒng)計(jì) km2

表5 條帶開采地表沉陷影響程度面積統(tǒng)計(jì) km2

輕度影響區(qū)主要分布在采區(qū)井田邊界、保護(hù)煤柱的邊界處。由表3 可知，采用全陷、條帶開采輕度影響區(qū)面積分別為1.1km2，2.19km2。輕度影響區(qū)土地?fù)p害程度較低，土地使用功能多可自然恢復(fù)，必要時(shí)可對裂縫進(jìn)行人工填充修整［8］。

中度影響區(qū)分布相對破碎;中度影響區(qū)土地?fù)p害程度較大，如不采取人工恢復(fù)措施，土地使用功能難以恢復(fù)到沉陷前水準(zhǔn)，且自然恢復(fù)的周期相對較長，對土地利用的影響持續(xù)時(shí)間較長、影響較大，預(yù)計(jì)中度影響區(qū)的耕地可能會(huì)減產(chǎn)15% 左右［9］。采用全陷、條帶開采中度影響區(qū)面積分別為3.08km2，6.15 km2，中度影響的耕地面積分別約為1.18 km2，2.37km2(見表4、表5)，耕地產(chǎn)量按3724kg/hm2計(jì)算［10］，預(yù)計(jì)全陷、條帶開采采區(qū)中度影響區(qū)農(nóng)作物減產(chǎn)量分別約為65.9t，132.4t。

嚴(yán)重影響區(qū)主要分布在各采區(qū)黃土谷坡區(qū)域，影響區(qū)土地?fù)p害的主要原因是這些區(qū)域地勢陡峭，采動(dòng)易導(dǎo)致坡體失穩(wěn)，沉陷裂縫較平坦區(qū)寬深且難以自然恢復(fù)，更為嚴(yán)重的可能在這些區(qū)域產(chǎn)生滑坡、崩塌，采煤過程中需要密切關(guān)注這些區(qū)域地表移動(dòng)變形情況，采取必要的工程措施和生物措施對該區(qū)進(jìn)行治理，如削坡卸載、錨桿錨噴固定、封坡育林等，嚴(yán)重影響區(qū)對耕地的影響表現(xiàn)為減產(chǎn)，預(yù)計(jì)在該區(qū)段范圍內(nèi)的農(nóng)作物會(huì)因此而減產(chǎn)30%左右［9］。采用全陷、條帶開采嚴(yán)重影響區(qū)面積分別為6.50km2，2.34km2，嚴(yán)重影響區(qū)耕地面積分別為2.50 km2，0.90km2(見表4、表5)，預(yù)計(jì)全陷、條帶開采采區(qū)嚴(yán)重影響區(qū)減產(chǎn)分別為279.3t，100.5t。

4 結(jié)論

條帶開采對地表生態(tài)環(huán)境影響較小，嚴(yán)重影響區(qū)域較小，對地表植被的生長、耕地農(nóng)作物生產(chǎn)影響較小;全部垮落法開采方式下，可引起生態(tài)環(huán)境影響區(qū)農(nóng)作物減產(chǎn)約345.2t;條帶開采方式下，生態(tài)環(huán)境影響區(qū)農(nóng)作物減產(chǎn)約232.4t，條帶開采生態(tài)環(huán)境影響區(qū)農(nóng)作物減產(chǎn)量較全部垮落法開采少112.8t。因而，條帶開采對地表生態(tài)環(huán)境的影響相對較小，煤炭開采技術(shù)的合理選擇對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源合理利用具有重要意義。

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