[科普中国]-煤矿开采沉陷

煤矿地下采矿引起岩层移动和地表沉陷的现象和过程，又称“矿山岩层及地表移动”。矿产被采出以后，采区周围岩体内部原有的力学平衡状态受到了破坏，使岩层发生了移动、变形和破坏。当开采面积达到一定范围之后，移动和破坏将波及到地表。位于开采影响范围内的房屋建筑、铁路、河流和井巷等就要产生变形或损坏。开采沉陷学科就是观测、研究这些移动和变形的规律以及防治这些变形和破坏给人们生产或生活带来的有害影响。

研究内容主要研究内容包括：①由开采引起的岩层和地表移动的观测方法、规律和预计方法;②对地面及地下建(构)筑物、铁路、水体和井巷等煤柱的留设方法;③在建筑物下、铁路下、水体下和承压含水层上采煤以及井筒煤柱开采时的保护措施; ④开采沉陷区的土地复垦、环境保护。

发展史随着采矿业的发生和规模的逐渐扩大，开采沉陷对人类生产和生活的影响以及由它所带来的物质损失也越来越大，由此引起人们对它的重视和研究。到19世纪末20世初，仅阐明从岩层直至地表移动的定性描述。后来根据测量的观测结果，开始研究在地下开采影响下与地表移动的数量关系。1928年，德国H. 凯因霍斯特(H. Keinhorst)根据地表下沉观测结果，以各开采单元的影响叠加原则提出了下沉量的计算方法。1931年，R. 巴尔斯 (R. Bals) 采用积分计算方法，发展了凯因霍斯特的理论。

第二次世界大战以来，各国对开采沉陷进行了大量的仪器观测，积累了较丰富的资料。其中前苏联、波兰、中国、英国、德国等在这方面都取得了较显著的成就。前苏联重视现场实测和矿区具体条件的规律研究，各主要矿区分别制定了有关的保护规程或规定，给出了适合于各矿区条件的典型曲线和移动参数。1949年，С. Г. 阿威尔幸(С. Г. Авершин)从塑性理论研究岩层移动，其他学者也对各种特殊地质采矿条件下开采沉陷规律进行了研究。1950年，波兰W. 布德雷克 (W. Budryk)、S. 克诺特(S. Knothe)根据实测资料，提出了高斯曲线作为下沉曲线的影响函数;J.李特维尼申 (J. Litwiniszyn)根据随机介质力学模型研究地表移动，认为煤层单元被采出后引起地表的单元移动符合正态分布规律。1966年，英国煤炭局(Nation-al Coal Board，NCB)根据观测资料出版了《沉陷工程师手册》，1975年又增补新的观测资料共计165条观测线数据，修订了手册，给出预计因采矿影响产生地表下沉、倾斜及变形的方法，建(构)筑物保护措施和减小沉陷破坏的开采技术措施。

中国自20世纪50年代开始，在全国各主要煤田开展了大量的岩层和地表移动观测工作。依据这些实测资料，在开采沉陷的基本理论研究方面已取得了一批重要成果。典型曲线法、负指数函数法和概率积分法等预计方法，在生产实践中得到了广泛的应用。移动盆地内任意点沿任意方向预计的研究成果，使各种预计方法能更正确地取得预计结果。各主要矿区根据实测资料已求得适合于本矿区具体地质采矿条件的移动参数。在此基础上，中国在建筑物下、铁路下、水体下和承压含水层上采煤、井筒煤柱开采和对开采沉陷区土地复垦、环境保护等方面技术的研究也取得了很重要的成果，每年可以从压煤中采出2 000万吨以上的煤炭。

岩层移动基本规律地下煤层被采出以后，采区 周围岩体内部应力平衡状态受到了破坏。为了达到新的平衡，在采区上覆岩层重力的作用下，岩体内部的移动和变形以垮落、断裂、离层和弯曲沉降为主要方式。从“三下”采煤工程的需要出发，将上覆岩层按变形破坏程度自下而上分为垮落带、断裂带和弯曲带(图1)。

(1)垮落带。由采矿引起的上覆岩层破坏并向采空区垮落的范围。地下煤层被采出以后，采空区顶板岩层垮落后的岩石是以破碎、不规则的状态充填采空区，直到上部不垮落的岩层为止。垮落带高度一般为煤层采出厚度的2～5倍。若用水砂充填法管理顶板时，就不产生垮落带。

(2)断裂带。垮落带上方的岩层产生断裂或裂缝，但仍保持其原有层状的范围。垮落带和断裂带统称为非连续变形带，它们之间常无明显界线，这两带的总高度一般为煤层采出厚度的10～30倍，与上覆岩层性质有关，岩性坚硬时取大值，岩性软弱时取小值。当地层厚度小于这两带总高度时，地表可能发生严重开裂等非连续的移动和变形。

(3)弯曲带。断裂带上方的岩层产生弯曲下沉的范围。弯曲带为连续变形带，地表只发生连续的移动和变形。

地表移动基本规律由采矿引起的采空区上方地表移动的范围称为地表移动盆地。形成地表移动盆地需要一定的开采面积，一般当采空区的长和宽(沿煤层倾向的水平投影长度)都超过平均采深的0.2～0.3倍时，地表开始移动。随着采空区面积的不断扩大，移动盆地的面积和最大下沉值也不断增大。此时盆地中央只有一个最大下沉点，这时移动盆地呈尖底状，形同“碗形”，称为非充分采动移动盆地。当采空区的长宽尺寸足够大(一般大于采深的1.4倍)时，移动盆地中的最大下沉值达到该条件下的极限下沉值，不再随采空区面积的扩大而增大。此时盆地中央可有多个最大下沉点，这时移动盆地呈平底状，形同“盆形”，称为充分采动移动盆地。

地表移动盆地的形状与煤层及其覆岩的倾角密切相关。采空区为矩形时，在煤层为水平埋藏的条件下，移动盆地大致呈椭圆形并位于采空区的正上方 (图2a);在煤层为倾斜埋藏的条件下，移动盆地对采空区呈不对称分布并向下山方向偏移(图2b)。随着煤层倾角的增大，其不对称性和偏移量也越来越大。

由采矿引起的地表点的移动向量取决于该点在空间和时间上与回采工作面相对位置的关系，一般指向采空区中央。为了叙述简便，通常将地表点的移动向量分解为三个分量：垂直分量(简称下沉)、沿某一剖面方向的水平分量(简称纵向水平移动)和垂直于该剖面方向的水平分量 (简称横向水平移动)。

在地表移动盆地内各点的移动向量是不相等的，由此产生了变形。垂直变形可分为倾斜和曲率。水平变形可分为拉伸和压缩。在煤层为水平埋藏的条件下，它们的分布基本上呈对称分布，如图3a所示。在煤层为倾斜埋藏的条件下，它们的分布为不对称的，如图3b所示。其中主要表现为最大下沉点不在采空区的正上方，而向下山方向偏移，指向上山方向的倾斜和水平移动增大，随着煤层倾角的增大，这个偏差量也越来越大。

沉陷对矿区生态环境的影响煤炭开采对生态的影响主要有两个方面:①是煤矿生产排污对生态环境的影响，主要表现为废气、废水、废渣排放对生态的影响，即污染生态影响;②是煤炭开采引起的地表沉陷对生态环境的直接破坏，即非污染生态影响。地表沉陷是地下采动破坏发育到地表的一种表现形式。在沉陷过程中，地表高度、坡度、水平位置发生变化。因此，对位于沉陷影响范围内的地下水、土地、植被、建(构)筑物等都将受到不同程度的影响。

(1)开采沉陷对土地资源的影响

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。地表坡度的变化，使原有的径流发生改变，坡度大径流量大，引起的水土流失和土壤侵蚀也越严重。地表裂缝的产生，地表水与地下水向深部渗漏，使潜水位下降，导致土壤湿度减小，土地变得更加干燥。同时，土壤中的营养元素也会随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地，造成许多地

方土壤养分短缺，土地承载力下降。另外，当沉陷深度超过该区地表潜水位时，土地受淹而常年积水，处于沉陷边坡区域的土地，易发生盐渍化，造成土地质量退化。

(2)开采沉陷对植物的影响

地表大面积塌陷，影响植物的生长发育，甚至造成绿色植物的大幅度的减少。土地塌陷对植物的影响情况与矿区的地形、地貌、地质、区域气候、地下潜水位高低等自然要素和采矿条件有关，可按地形、地貌和潜水位高低大致划分为4个影响区类:

a.高潜水位的平原矿区。通常高潜水位平原矿区地面沉陷后，地表会出现积水。位于常年积水区的土地不能耕种，绿色植物大幅度减少;位于季节性积水的土地会减少种植茬数或造成严重减产。

b.低潜水位的平原矿区。在潜水位较低的平原矿区，由于开采沉陷使地势变低和抬高潜水位，一方面在雨季很容易出现洪涝，使土地沼泽化;另一方面，在旱季潜水蒸发变得强烈，地下水易于携带盐分上升到地表，使土地盐碱化。土地出现沼泽化和盐碱化，使作物生长明显受到抑制，在一些重盐碱土上甚至寸草不生。在草原地带，由于潜水位上升影响牧草的生长发育，积水区会变成沼泽地，使牧草绝产。

c.丘陵矿区。在丘陵地区，当地下开采使地表上凸部分下沉时，将减小地面凸凹不平的程度，有利于植物生长;当地下开采使地表下凹部分下沉时，将增大地面的凸凹不平的程度，不利于植物生长;另外，在干旱的丘陵地区，如果地下开采引起地表裂缝发育，将使地表水易于流失，土壤变得更为干燥，亦会影响植物的生长。

d.山区矿区。在山区，开采沉陷对植物的影响情况主要与区域气候和地质条件有关。一般情况下，山区开采沉陷对植物影响不大。但在某些干旱的山区，由于开采沉陷引起的地表裂缝、台阶、塌陷坑、滑坡等破坏形式，地表水流失严重，土壤微气候变得更为干燥，土地更容易被风、水等侵蚀，也严重影响植物生长，造成农作物减产。

(3)开采沉陷对水资源的影响

一方面由于开采沉陷，地表出现下沉、裂缝、塌陷坑等破坏形式，这些破坏在一定程度上改变了地面降水的径流与汇水条件，使地表水通过裂缝渗入地下，引起河流水系的流量减少，严重时地表水系甚至出现断流现象;另一方面沉陷过程中，煤系上覆岩层受到破坏，岩层裂隙增多，煤系上覆岩层的含水层在水位和流向上受到干扰，地下水沿着发育的裂隙加速向采空区或深部岩体渗漏，使水位降低，严重时导致地下水疏干，井泉干涸。由于水源的破坏，直接影响到矿区工农业生产用水和居民生活用水。

(4)开采沉陷对地表建(构)筑物的影响

沉陷对地表建(构)筑物的影响，一般有以下几种情况:

a.地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动，一般对建筑物影响不大，但当下沉量很大而地下潜水位又很高时，由于沉陷后盆地积水很深，排水困难，将使建筑物长期浸泡在水中而导致破坏;

b.地表倾斜使采动影响范围内的建(构)筑物产生歪斜，会使管道、公路和铁路的坡度改变。道路坡度的变化使车辆的运行阻力增大或减小，以致交通事故增加;

c.地表曲率变化破坏建筑物基础;

d.水平变形使建筑物表面产生裂缝，使地下管道被拉断，公路路面开裂，铁路的轨距和轨缝等发生变化。

除以上影响之外，开采沉陷有可能对野生动物也产生一定影响。这是因为野生动物的生长繁殖要有适宜的环境条件，由于开采沉陷使矿区的自然景观发生剧变，影响绿色植物的生长发育，改变了动物的栖息环境，因而，使一些野生动物由于不适应环境的变化或由于缺少食物而死亡或迁移。一般说来，开采沉陷会导致矿区原有野生动物的种群和数量下降。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学