长治市矿山开采沉陷程度预测研究 - 大学毕业论文.pdf

第 3 6卷增 刊 2 00 3正 西 北 地 质 NO RTHW ESTERN GE0I 0GY Vo ．3 6 增 刊 2 0 03 文章编号 l O O 9 6 2 4 8 2 0 0 3 增刊一 0 1 5 3 0 4 长治 市矿 山开采沉 陷程度预测研 究 张 建 萍 山西省 地质 环境 监 测 中心 ，太原0 3 0 0 2 4 摘 要 本文 以长治市矿 山环境 地质调查成果 为依 据 ， 在总结分析长治 市矿区土地破坏 类型 、 破坏程度 及万吨沉 陷面积 的基 础上 ．对长治市 矿山开采沉 陷面积 、沉 陷程度进 行 了预测 。 关键词 长治市 ；开采沉 陷 ； 土地破坏 ；预测 中图分 类号 X8 2 1 文献标识码 A 1 引 言 长治市位于山西省的东南部 ，矿业开发尤其是 煤炭开采为其支柱产业 。大规模 的煤矿开采诱发的 开采沉陷、开采地裂缝等地质灾害使矿 区地质环境 遭到前所未有 的破坏 ，其表现主要为对矿区土地的 破坏。据调查 ，长治市采矿诱发的开采沉陷、地裂 缝 至少造成 土地破 坏达 6 9 1 1 ． 4 4公 顷，其 中耕 地 6 8 2 5公 顷，占 9 8 ． 7 5 ， 其余林地、 沙坡地等 8 1 ． O 5 公 顷，占 1 ． 2 5 9 ／ 5 。由于长治市煤炭资源丰富 ，具煤 层埋藏较浅 、厚度大、煤质好等特点 ，煤炭生产仍 将是 长 治市 今 后 的 主要产 业 ，矿 业 开发仍 将 不 可避 免的诱 发开采沉陷，从而继续形成大面积的土地破 坏等危害及损失 。通过长治市煤炭开采状况 、开采 沉陷程度、 开采沉陷破坏机理等调查成果资料分析 ， 采用适 当方法预测长治市以后矿业开发造成的开采 沉陷地质灾害的数量、程度 ，对于长治市矿山地质 灾害防治规划、矿 山地质环境保护、整治具有重要 的意义。 长治盆地 区为长治市经济最为发达 的地区， 主要的工农业生产 及交通设施 均集 中在长 治盆地 区。潞安矿业集 团 以下简称潞矿的王庄 、常村 等 国营大矿及其 它市营大 矿也都分布 在长治盆地 区，本文的预测就以国营大矿的资料为依据 ，主要 对平川 区的开采沉陷程度进行预测分析 。 2 矿 区土地破坏类 型 、破 坏程度及万 吨沉 陷面积分 析 2 ． 1 土地 破坏 类型 分 析 据长治市矿 区开采沉陷破坏土地特征分析 ，土 地破坏类型可分为无积水稳定沉陷地及季节性积水 和永久性积水沉陷地。 潞安矿 区是长治市开采 沉陷破坏土地最严重 、 数量也较多的矿区，本次分析也以潞安矿 区的调查 资料为主。据调查，开采沉 陷形成 的沉陷地的破坏 类型与破坏程度主要取决于矿区的地形地貌、土壤 气候 、水文地质 以及煤层的赋存条件和采煤方法等 因素。潞安矿区属内陆性暖温带季风气候 ，地形 以 河 谷平 原 、丘 陵为 主 ，多 为第 四 系黄 土所 覆盖 。年 均降水量为 6 0 0 mm 左右。浅层第 四系地下水埋 深 一 般 1 5 m左右 ， 单一近水平 的 3号煤层开采深度大 多在 1 6 O ～2 5 0 m 之间，平 均 开采 厚度 为 5 ． 8 4 ～ 6 ． 6 5 m， 采深采厚比一般为 3 O ～4 0倍 ， 上覆岩层为 中硬岩层 ， 地表最大下沉一般在 3 ． 8 ～5 ． 5 m之间。 一 般沉陷地的类型以无积水稳定沉陷地为主，季节 性积水和永久性积水沉陷地只出现在潞矿的王庄和 收稿 日期 2 0 0 3 0 9 1 8 作者简介 张建 萍 1 9 6 9 一 。女 ．1 9 9 3 年毕业 于长春地质学 院 。工程师 。主要从 事地质环境监测 、研究 、勘察 和评价工作 ， 维普资讯 1 5 4 西 北 地 质 NOR 7 ’ HWE S TE RN G EO L O GY 漳村井田，其积水原因都为大气降水或地面排水不 畅所形 成 ，并非 沉 陷地 低 于 地下 水 位所 致 。 2 ． 2土 地破 坏 程 度分 析 沉 陷 地 破 坏 程 度 主 要 是 以 开 采 沉 陷 区 是 否 积 水、地表裂缝宽度和密度以及减产 比例的多少等三 方面因素决定的。据长治市矿区土地破坏程度调查 成果 分 析 、 判 别 ， 沉 陷地 破坏 程 度可 分 为 以下 几类 。 1 地表裂缝 宽度小于 0 ． 1 0 m，间距大于 5 0 m，减产 比例小于 1 0 ，地表无积水 ，整治后可正 常耕种 ，为轻度破坏沉陷地 。 2 地表裂缝宽度为 0 ． 1 0 ～0 ． 3 0 m， 间距为 3 0 ～ 5 0 1 T I ，减产 比例 为 1 0 ～3 0 ％ ，地 表无 积水 或 仅 有少量季节性积水 ，整治后仍可耕种 ，为 中度破坏 沉 陷地 。 3 地表裂缝宽度大于 0 ． 3 0 m，间距小于 3 0 m，减产 比例 大于 3 0 ，或地 表季 节 性积 水 比较 严 重和常年积水 ，整治难度大，无法正常耕种 ，为严 重 沉 陷地 。 据调查分析结果，潞安矿区开采沉陷破坏土地 以中度沉陷地居多 ，占 9 0 以上，而轻度、重度沉 陷地则分布较少 ，不足 1 0 ％。 2 ． 3万 吨沉 陷面 积分 析 万吨沉陷面积 亦称万吨沉陷率是指矿区从 井下开采万吨原煤诱发的地表沉陷面积 ，地表沉陷 面积主要与矿井原煤的总产量、煤层开采条件 以及 采 煤 方 法 等 因素有 关 。 1 当煤层开采条件和采煤方法 大体相同时 ， 地 表 沉 陷面积 与 矿井 原 煤总 产 量有 正 比函数 关 系 ，即 原 煤总 产 量愈 大 ，地 表沉 陷 面积 也 愈 大 ， 由于原 煤 总 产量 与 矿井 的 生产 能力 、开采 时 间 和 开采 面积 等 因素呈正相关性 ，所以在开采条件和采煤方法大体 相 同 时 ，地 表 沉 陷面 积 与矿井 生 产 能力 、开采 时 间 和开采面积等因素呈正相关性。 2 当矿 井 的原 煤总 产 量和 采 煤 方法 大 体相 同 时，其地表沉陷面积与煤层采深和采厚等开采条件 有关 在 采厚 基本 相 等 ， 开 采 的深 厚 比又小 于 1 O 0 ～ 1 5 0的 情况 下 ， 地 表沉 陷 面积 与 采深 呈 正相 关 性 ； 当 采深大致相等时 ，地表沉陷面积则与采厚呈负相关 性 。即 当深厚 比小 于 1 o o ～ 1 5 O的 条 件下 ， 地 表沉 陷 面 积 随采 深 的增加 而 增加 ；而 当采 深 相 同 时 ，地 表 沉陷面积随采厚的增加而减少。 3 当原煤总产量和开采条件大体相同时 ，地 表沉陷面积与采煤方法有关 ，因为不 同的开采方法 有不同的回采率 ，在原煤总产量和开采条件大体相 同时 ，回采率愈高 ，开采面积和地表沉陷面积就愈 小 ，回采率愈低 ，则开采面积和地表沉陷面积也就 愈 大 。 以潞矿为例 ， 以其 2 0 0 0年底以前各矿井开采条 件 、累计原煤总产量、地表沉 陷面积计算其万吨沉 陷面 积 表 1 。 表 l 潞 矿各矿开采条 件、原煤总产 量和沉 陷面积对 比 平均采深 平均采厚 累计原煤总产量 产量 占潞矿百分 比 累计沉 陷地总面积 面积 占潞矿 百分 比 万吨沉陷面积 矿名 m m 万吨 亩 亩／ 万吨 王庄 2 2 O 6 ． 6 5 1 0 6 8 6 2 9 ． 2 2 2 6 5 2 ． 2 2 5 ． 8 2 ． 1 2 五阳 2 5 0 5 ． 8 4 7 6 8 6 2 1 ． 1 2 4 2 2 8 ． 1 2 7 ． 6 3 ． 1 5 漳村 l 6 O 6 ． 5 7 6 7 7 4 l 8 ． 5 7 2 8 4 ． 9 8 ． 3 1 ． O 8 石圪节 2 0 0 6 ． 4 O 6 8 0 0 l 8 ． 6 l 4 9 7 9 ． 3 l 7 ． 1 2 ． 2 O 常村 2 4 0 6 ． O 5 4 6 0 0 l 2 ． 6 l 8 5 7 5 ． 8 2 1 ． 2 4 ． O 4 平均 2 l 4 6 ． 3 O 2 ． 4 0 合计 3 6 5 4 6 1 O 0 ． 0 8 7 7 2 O ． 3 1 O 0 ． 0 从 表 1可看 出 ，五 阳煤 矿 与常 村煤 矿 的万 吨 沉 陷面 积最 大 ，这是 因为潞 矿 五个 矿 的开 采 条件 和 采 煤方 法 大体 相 近 ，因此万 吨 沉 陷面 积就 与 煤层 的采 深 和采 厚 有关 ，潞矿 各 矿 的采 厚基 本 相 同 ，采厚 比 又 小 于 1 O 0 ～ 1 5 0 ，地 表 沉 陷 面 积 与 采 深 呈 正 相 关 性 ，五 阳煤矿 与 常村 煤 矿 的采 深较 大 ，同等条 件 下 ， 五 阳煤 矿 和常 村煤 矿 的万 吨沉 陷 面积 较 大 。 从 表 1还 可 以看 出 ， 潞 矿 2 0 0 0年 以前 平均 万 吨 维普资讯 第 3 6卷 增 刊 张 建萍 长治 市矿 山开采沉 陷程度 预测研究 沉陷面积 2 ． 4 O亩／ 万吨，在所采 3号煤层平均采深 2 1 4 m，平均采厚 6 ． 3 m，煤的容重为 1 ． 4 ，沉陷角 为 7 2 。 左右的条件下 ，估计其矿井 的平均 回采率可 达 6 5 ％～7 O ％，这对于厚煤层开采的矿井来说 ，回 采率是 比较高 的，所 以地表万吨沉陷面积也相对较 小 。 3 矿 区开采 沉 陷预测 3 ． 1沉 陷面 积 预 测 3 ． 1 ． 1 预 测 方 法 本次预测 ，采用万吨沉陷率和塌采 比预测 ，预 测方 法 如下 采煤沉陷破坏土地面积包括沉 陷面积 F 和待 沉陷面积 F d ， 设 开采面积为 F ， 则三者 的关 系可 表示 为 F k F F d 亩 1 上 述 F h F 和 F a一般均指水平 面积 单位 亩 。其中开采面积 F 可从采矿工程规划平面图上 量取 ，包括矿井开拓和开采必须 留设的煤柱面积在 内，但 不包括大面积无煤区和地面建筑物保护煤柱 区 ，如 无采 矿工 程 规划 平 面 图 ， 则 F 可 大致 按下 列 公式计算 F k T／ 6 6 7 h r c 亩 2 式 中T 为预测期规划原煤产量 t ； h为主采煤 层总厚度 m ；r为主采煤层容重 t ／m。 ；C为采 区 回采 率 。 矿 区的万吨沉陷率 万吨沉陷面积为 f ；以 万吨计 的原煤产量为 T ；塌采 比 塌采面积比为 K，则 沉 陷面 积 F 为 F 一f T 一 K F k 亩 3 式中万吨沉陷率的单位为 亩／ 万吨 根据 以往调查的资料分析，万吨沉陷率和塌采 比与矿井的开采方法及 回采率有关 ，可参照表 2取 值 。 3 ． 1 ． 2 预 测 结 果 表 2 万 吨沉陷率和 塌采 比参考值 万吨沉 陷率 亩／ 万吨 塌采比 采 煤方法 采区回采率 中硬覆岩 坚硬覆 岩 中硬覆 岩 坚硬覆岩 长壁大 冒顶 6 5 ～7 5 3 ． O ～ 1 ． 5 0 ． 3 ～1 ． 5 1 ． 2 5 ～1 ． 4 5 0 ． 5 ～1 ． 1 短壁 、刀柱 5 0 ～6 0 1 ． 8 ～2 ． 5 0 ． 2 ～1 ． 0 0 ． 4 5 ～0 ． 7 5 0 ． 3 ～0 ． 5 房柱 、巷 柱 3 0 ～4 0 1 ． O ～1 ． 6 0 ． 1 ～0 ． 3 0 ． 2 5 ～0 ． 3 5 0 ． 1 ～0 ． 2 注 本 表数值适 用于开采深厚 比为 5 O ～2 0 0 m，综合 开采厚 度 3 ～8 m 的开采条件 根据上述预测方法 ，对长治市各县 市 主要 煤矿从 2 0 0 0 2 0 1 0年进行采空沉陷面积的预测 ， 其 开采面积按原煤产量及有关参数计算 ，大型煤矿的 万吨沉 陷面积按前述调查分析数据确定 ，煤层容重 取 1 ． 4 ，预测结果见表 3 。 从表 3中可以看 出 9 个产煤县 市 的预测沉 陷总面积为 3 3 9 6 ． 6 4公顷 ，其中屯留县的预测沉 陷 面积最大 ， 为 2 3 0 4 ． 2 5 ； 其次为襄垣县 、 城郊和长治 县 ，分别为 3 1 1 ． 7 7公 顷、3 2 4公顷和 2 4 9 ． 1 5公顷 ， 这是因为这些地区主要分布有潞矿的各个大矿 ，原 煤产量较高 ，万吨沉陷率也较高 ，因此地面沉陷的 面 积 就较 大 。 沁源县虽煤 的储量较大 ，但 因其埋深较深 ， 目 前开发利用的较少 ，因此原煤产量较少 ，沉陷面积 表 3长治市 2 0 0 0 2 0 1 0年各县 市主要煤矿 采煤沉 陷面 积预测 表 原煤产量 主采煤 层总厚 开采面积 预测沉陷面 积 县 市 万吨 m 公顷 公 顷 城郊 2 7 0 0 6 ． 7 4 l l 3 2 2 长治县 1 9 5 0 5 ． 1 4 7 3 7 ． 4 7 2 4 9 ． 1 5 潞城 市 8 0 0 6 ． O 3 l 7 ． 3 9 5 ． 2 襄 垣县 2 6 0 0 5 ． 8 6 8 5 9 3 l 1 ． 7 7 武 乡县 5 5 5 1 ． 9 6 3 2 ． 0 7 l 5 2 ． 8 6 壶 关县 9 2 O 3 ． 5 5 3 6 ． 2 l 6 l 长子县 1 2 3 0 4 ． O 5 4 9 0 l 5 2 ． 3 3 屯 留县 l 4 6 3 0 6 ． O 2 6 2 5 2 3 0 4 ． 2 5 沁 源 县 2 l 4 1 ． 5 2 5 4 ． 6 7 7 6 ． 4 0 合 计 2 4 3 2 9 6 8 7 3 ． 4 3 9 3 6 ． 1 维普资讯 西 北 地 质 ’OR THWE S TE R N GE OL O G Y 也较 小 。 3 ． 2沉 陷程 度预 测 根据调查结果 ，沉陷范 围的土地破坏程度与盆 地的区位及开采深厚 比有关 ，同时也与地形条件有 关 。在 地 形平 坦 地 区 ，深 厚 比与沉 陷 程度 的关 系见 表 4 。 表 4平川地 区按深厚 比确 定沉 陷程度 深 厚 比 7 5 I 5 5 7 5 I 4 o ～ 5 5 2 5 ～ 4 0 8 0 0 m， L o 工作 面 宽 1 O 0 r n条 件下 ， 采 用地表移 动变 形预计法 ． 计算潞 安矿 区 ．3号煤层 不同采深 、 采厚 的地表移动结果统计分析所得 。 根据表 4 ， 对长治市年产 3 O l O t以上的国营、 市营煤矿进行 沉陷程度预测 ，预测结果见表 5 。 从表 5中可以看 出，漳村矿 、慈林山矿沉陷程 度为重度；石圪节矿 、王庄矿沉陷程度为中等 一重 度 ；五阳矿 、色头矿沉陷程度为中等 ；常村矿 、南 寨矿、襄垣矿 、经纺矿沉陷程度为轻一中等。以上 各矿分别位 于郊 区、长治县、襄垣县、长子县、屯 表 5长治 市较大型 矿山 3号煤 层 开采后地表 沉陷程度预 测表 平均采深 平均 采厚 矿山名称 深 厚 比 沉陷程度 m m 五阳矿 2 5 0 5 ． 8 4 4 3 中等 漳村矿 l 6 O 6 ． 5 7 2 4 重 石圪节矿 2 0 0 6 ． 5 2 3 l 中一重 王庄矿 2 2 0 6 ． 6 5 3 3 中一重 常村矿 4 5 0 6 ． 0 5 7 4 轻一中 慈林 山矿 9 5 4 ． 6 4 2 0 重 南寨矿 4 2 7 6 ． 7 l 6 4 轻 一中 色头矿 2 0 3 4 ． 6 4 4 4 f b 襄垣矿 4 l 6 5 ． 6 3 7 3 轻一中 经纺矿 2 6 0 4 ． 6 5 6 轻一中 注；以上预测均是按照平地沉 陷的预测结果 。 留县 ， 结合 前 述地 面 沉 陷面 积预 测 ， 可看 出屯 留县 、 襄垣县、郊区、长治县 以及长子县预测的沉陷面积 都较大 ，而且沉陷程度也都较严重。 ①潞安矿务 局 、山西大地 复垦环保工程技 术有限公 司 ． 潞安矿务 局土地破坏状 况调查与 复垦规划报告 ，1 9 9 8 ，0 5 。 维普资讯