王冠儒,胡海峰
(太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西太原030024)
煤礦開采對地表的破壞與礦區(qū)地形、地質(zhì)、覆巖性質(zhì)、煤層賦存特征以及采煤方法等因素密切相關[1~3]。
不同的采煤方法其工作面、采區(qū)面積和煤炭資源回收率不同,頂板管理方法也不同,因而其覆巖和地表的塌陷范圍及破壞程度也不同。山西省國有煤礦多采用長壁式大冒頂采煤法,采區(qū)煤炭回采率為70%~85%,地表塌陷速度快,地表的最大下沉量可達到采厚的60%~80%。鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦大多采用刀柱式、巷柱式、冒落式采煤法,采區(qū)不規(guī)則,采空區(qū)面積小,因而地表塌陷面積多數(shù)都小于開采面積(塌采比小于1)。
地表塌陷是由于采空區(qū)煤層頂板冒落和上覆巖層由下而上的塌陷所致,因而開采深度(H)愈小、開采厚度(M)愈大,地表塌陷愈劇烈;采深愈大、采厚愈小,地表塌陷愈輕微。故一般用開采的深厚比(H∶M)評價地表塌陷的破壞程度。在長壁大冒頂?shù)拈_采中,硬覆巖條件下,一般以H∶M<30為嚴重塌陷;H∶M在30~80之間為中度塌陷;H∶M>80為輕度塌陷。在一定開采深厚比的條件下,若采深較大,地表塌陷面積也較大(圖1)。
煤礦地表移動觀測和研究表明,在平地、水平煤層開采條件下,地表移動形成盆地并對稱于采空區(qū)(圖1),當?shù)匦蔚孛埠兔簩觾A角發(fā)生變化時,將會影響地表塌陷區(qū)的對稱性和形態(tài)。如圖2所示,當煤層傾角(α)較大時,地表塌陷盆地將偏向煤層的下山方向。當?shù)乇頌榍鹆昊蛏絽^(qū)時,地表不會出現(xiàn)塌陷盆地,但此時塌陷區(qū)能見到采 動裂縫崩塌和滑坡等破壞現(xiàn)象。
如果開采煤層的上覆巖層堅硬且整體性好,則開采之后難于冒落,即地表下沉系數(shù)偏小,塌陷破壞程度較輕微;反之如果覆巖較松散、軟弱,則開采之后容易冒落,且冒落的巖體塊度和碎脹系數(shù)小,因而地表下沉系數(shù)較大,破壞程度也較嚴重。如果采動覆巖內(nèi)存在貫通性斷裂構(gòu)造,則斷裂部位的塌陷區(qū)地表容易形成較大的裂縫和臺階狀塌陷,同時因斷層位置的不同會影響地表塌陷的范圍和面積。
如果礦區(qū)地下水位較高,潛水埋藏較淺,則當平坦地區(qū)塌陷盆地的下沉量大于潛水位的埋深時,塌陷盆地就會積水,形成積水塌陷區(qū)。反之,如礦區(qū)地下水位較低,潛水埋深大于塌陷盆地的最大下沉量時,則塌陷區(qū)一般就不會積水。
開采沉陷對土地的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面。
2.1.1 土地的標高、坡度和地形發(fā)生變化[4]原來大面積的平坦耕地,在開采沉陷影響下可變?yōu)閮A斜洼地。山西大多礦區(qū)由于地處黃土高原和山嶺地帶,地面坡度和地形變化本來就很大,因而開采沉陷引起的地面標高、坡度變化對地形的影響不明顯,不會出現(xiàn)平地那樣的沉陷洼地;而且該地區(qū)由于潛水位低、地面降水量小,一般也不會出現(xiàn)地面積水問題。
2.1.2 土地出現(xiàn)水平或臺階狀塌陷裂縫與塌陷槽[5~7]這是山區(qū)煤炭生產(chǎn)普遍存在的沉陷損害之一。地表裂縫和塌陷主要影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和基本建設對土地的利用,加大了土地耕作、水土保持和地基處理的費用與難度。山西大部分礦區(qū)的采動裂縫和槽形塌陷非常發(fā)育,特別在開采深厚比小于80的厚表土層地區(qū)和深厚比小于50的薄表土層淺部采區(qū),塌陷和裂縫對土地造成的破壞更為嚴重。
2.1.3 土地出現(xiàn)采動坍塌和滑坡 這是山區(qū)開采沉陷產(chǎn)生的特殊環(huán)境問題。采動坍塌與滑坡不僅會改變原有的地形與地貌,還會直接損害土地的利用價值,威脅人身和財產(chǎn)安全,是一種災害性的沉陷環(huán)境問題。如西山煤電公司西曲礦懸?guī)r溝滑坡使下方小煤窯的工房被壓塌,儲煤場和運輸?shù)缆繁欢氯戏酱笃匾虬l(fā)生大寬度、大落差的密集裂縫群而遭到破壞。幸虧滑坡發(fā)生在凌晨3時左右,工地無人作業(yè),新建工房尚無人居住,且小窯坑口在滑坡的另一側(cè),否則將造成嚴重的人身傷亡。
開采沉陷對植物與農(nóng)作物的影響可概括為直接影響與間接影響2個方面。
2.2.1 直接影響 開采沉陷對植物與農(nóng)作物的直接影響是位于采動裂縫、坍塌和滑坡上的植物與農(nóng)作物的根系被暴露或拉斷,有的甚至直接被埋沒或跌落在裂縫與塌陷坑中。這種影響可直接造成農(nóng)作物如玉米、小麥、谷子等枯死,影響樹木的正常生長以及果實的產(chǎn)量,嚴重的可致枯死。
2.2.2 間接影響 由于采動地表的沉陷和裂縫,使土壤的結(jié)構(gòu)、濕度和溫度發(fā)生了變化,水土與肥料可沿裂縫流失,從而導致植物與農(nóng)作物的生長環(huán)境惡化,并在一定時期內(nèi)不同程度地影響植物的生長和農(nóng)作物的產(chǎn)量。
根據(jù)西山礦區(qū)地表沉陷的現(xiàn)場調(diào)查,開采沉陷對耕地和農(nóng)作物(包括果樹)的影響大致可分為4級[8](表1)。
表1 西山礦區(qū)開采沉陷對耕地和農(nóng)作物的影響等級劃分
山西石炭二迭系煤田大多位于山區(qū)丘陵地帶,山地和丘陵區(qū)地下煤層開采沉陷使地表產(chǎn)生了裂縫,個別較陡的坡體還可能發(fā)生滑坡[9],因而位于裂縫和滑坡部位的植被將直接受到破壞。另外,地表開采沉陷裂縫可加速雨水和地表徑流的滲漏,使地下水位降低,從而影響植被對水分和養(yǎng)分的吸取。特別是在某些裸巖區(qū)土層較薄的地區(qū),由于補給條件和保水性能都很差,地表裂縫和地下水位的降低會導致植被的枯萎甚至死亡。
山地丘陵區(qū)地表開采沉陷將引起原有地表坡度的改變。另外,對沉陷裂縫如不及時填堵治理,經(jīng)多年雨水沖刷后,可能會形成沖溝、雨裂等地貌,使地貌變得更加支離破碎。這樣會加劇水土流失,加速土壤的貧化,使土壤肥力下降,使本來貧瘠的土地更加貧瘠,對植被和農(nóng)作物的生長產(chǎn)生潛在性和長期性的影響。
對較平坦的礦區(qū),如潞安礦區(qū),采煤塌陷區(qū)出現(xiàn)明顯的地表塌陷盆地,盆地內(nèi)一般不會發(fā)生積水,個別潛水位較高的地區(qū),可能產(chǎn)生積水塌陷地和季節(jié)性積水塌陷地。礦區(qū)上組煤層平均開采厚度達6 m,開采深度250 m以上,深厚比一般大于40,地面第四系黃土層厚達30~60 m,底部有較好的黏土隔水層,年降雨量可達500 mm以上,水土保持條件較好。采煤塌陷雖然使地表出現(xiàn)起伏不平的凹陷和裂縫,地下水位也有所降低,對植被和農(nóng)作物的生長影響不大,但是地表塌陷對農(nóng)田水利灌溉設施和灌溉條件破壞嚴重,必須重新平整土地,修復水利設施才可恢復灌溉,因而采煤塌陷對水澆地的農(nóng)作物影響較大。
為了保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和土地資源,最大限度地充分合理開采地下煤炭資源,保證礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,必須采取有效的措施解決開采土地沉陷問題及煤礦生態(tài)環(huán)境問題。首先要進一步深入研究開采沉陷對土地資源和生態(tài)環(huán)境的影響規(guī)律,積極推行“三下”采煤新技術,為治理采動損害提供科學依據(jù)。其次要加大土地復墾力度,結(jié)合礦區(qū)土地破壞規(guī)律,合理規(guī)劃,開展土地復墾,同時結(jié)合土壤改良措施,推廣先進的種植技術,提高礦區(qū)復墾土地的生產(chǎn)效益。另外,針對礦區(qū)出現(xiàn)的和可能出現(xiàn)的環(huán)境問題,需要積極開展礦區(qū)的生態(tài)重建工作,加強礦區(qū)水資源的保護,防止水土流失和土壤惡化,從而使礦區(qū)的土地、水及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境得到進一步的改善。
土地和水資源是地球上一切生命的源泉,是人類生存的物質(zhì)基礎。如果土地和水資源遭到破壞,整個生態(tài)系統(tǒng)都將受到影響,人的生活和生存就要受到威脅,更談不上經(jīng)濟和社會的持續(xù)發(fā)展。因此,必須采取有效的措施解決開采土地沉陷問題及煤礦生態(tài)環(huán)境問題。
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