露井联采区西排土场平台沉陷状况分析

韩静，白中科，李晋川

（1．山西农业大学 工学院，山西 太谷030801；2．中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京100083；3．山西省生物研究所，山西 太原030006）

矿山开采已成为我国经济发展的主要来源，但大规模的采矿活动，使本已十分脆弱的生态环境进一步恶化，地质灾害频繁发生。据2010年测算，全国煤矿累计采空塌陷面积当时已超过7000 k m2，在重点煤矿，平均采空塌陷面积约占矿区含煤面积的1／10。其中，煤炭产量占全国1／4左右的山西省，煤炭采空区面积约2万k m2，约占全省总面积15．6万k m2的1／7，6000 k m2遭受了地面塌陷等地质灾害［1］。据统计，我国采煤平均每吨煤排放地下水量为2．0～2．5 t，排放瓦斯4～5 m3；每采万吨煤沉陷面积0．2～0．3 h m2，消耗木材100 m3。我国煤炭工业的53年中，累计排放煤矸石46～50亿t，排放矿井水680～790亿t，采煤沉陷土地面积63万h m2，形成矸石山2800余座，积存煤矸石36亿t，矸石山占地6．5万h m2，露天矿挖损土地75万h m2，煤炭自燃56个火区，过火面积720 k m2，采煤引起的地质灾害严重［2］。

根据开采沉陷的研究成果，煤层采出后地下矿层形成大面积采空区，矿层上部失去了支撑，平衡条件被破坏，采空区上方岩体随之将产生变形、崩塌［3，4］。开采沉陷区的产生，人为地破坏了相对稳定的地表生态系统，使土壤生产力丧失或降低，土壤盐渍化，地下水位的不断下降，威胁人们的正常生活［5，6］，矿井排风、煤层瓦斯抽放、煤层自燃、煤矸石山的自燃和粉尘助长地球的温室效应［7］，污染大气环境。本文以平朔安录岭煤矿露井联采区为例，针对该区西排土场顶部平台沉陷进行实地调查，为今后的复垦工作提供理论依据。

1 自然概况

该矿区位于山西省北部的朔州市平鲁区境内，平朔安家岭露天煤矿（以下简称AJL矿）占地面积60．64 k m2左右，服务年限97年（1998～2095年）［8］，其露天矿的开采时间是1989年，一号井工矿开采时间是2005年。由于露天开采岩土排弃，已形成一座高1430～1455 m的外排土场（包括西排土场和东排土场）；同时，部分剥离岩土回填矿坑，形成内排土场，开采区总占地近千公顷，见表1［9］。西排土场于2001年6月开始正式排土，到2002年2月终止排弃［10］。其地质层组由下到上：C3L－PIS－PIX－P2S－N2b－QIW＋QIL－Q3m－Q4；堆垫形成的排土场是在上述地质层组上增加了混合岩土排弃层；其表物质除土状物质（包括黄土、红土、红黄土）外，在局部还可以见到土石混堆、土多石少，土少石多、黑矸和白矸等。故排土场地表形态单一、地质层组紊乱，地表物质复杂、土壤肥力贫瘠［9］。是一个水土流失严重、植被自然恢复迟缓，对环境改变反应敏感、维持自身稳定可塑性较小的脆弱生态环境系统，属黄土丘陵——强烈侵蚀生态脆弱系统。

表1 西排土场设计主要参数Table 1 Main parameter of wester n du mp

2 研究内容与方法

基于国内外相关研究多是以单一的井工矿或单一的露天矿地质灾害为研究对象，本文以生态脆弱的AJL矿为例，在对其露井联采区的西排土场顶部平台调查时发现沉陷情况严重，遂采用拍照取样的方法进行调查，再利用Corel Draw制图软件测算样地内裂缝面积。在顶部随机选取10×10 m2的样方，沿样方对角线每隔1 m做1 m×1 m的样地，依据Corel Draw制图软件测算出样地面积实际为0．87 c m2，共12个，见图1。从裂缝总面积，裂缝占样地面积比两方面进行比较。见表2。根据地质构造、排土场构造、采掘工艺三方面，分析原因并提出相关治理措施，为今后的复垦工作提供理论依据［11］。

表2 西排土场顶部平台样方裂缝面积Table 2 Cranny area about western dump of top plots

3 露井联采区排土场顶部平台沉陷状况分析

从表2可看出，裂缝占样地总面积比＜10%的样地有2个，10～50%的样地有9个，＞50%的样地有1个。调查时，西排土场顶部有些地方虽已复垦过，但沉陷和裂缝情况仍很严重（见图2）。平台表面土壤松散，径流现象严重。由于排土场为土石混排，整体构形松散，表面覆黄土，且下沉系数大，在降雨条件下，雨水直接沿土层下渗，对土层产生侵蚀搬运作用，在表面容易形成裂缝。由于大气降水的不断作用，裂缝不断扩大，形成通道，而工作面回采结束时在采空区上原地貌形成裂缝带，两者共同作用下，下部土层支撑力不断减弱，上部土层的自重力相对的增加，失去平衡，导致地面沉陷。

图1 西排土场顶部平台样方沉陷调查Fig．1 Subsidence research about top plots of western dump

图2 西排土场顶部平台沉陷状况Fig．2 The subsidence state about western du mp of top plots

4 成因分析

4．1 地质构造对沉陷形成的影响

AJL矿区的地质构造比较简单，原始地表土壤向下堆积厚度有一定差异，堆积有较深厚的松散土状物质。受采空区影响，上覆岩体的不均匀沉陷，使地表土体发生破坏变形，形成地面沉陷及地裂缝。AJL矿西排土场地面沉陷及裂缝均为煤炭采空区失稳变形的演化产物，其形成滞后于煤矿开采时间。裂缝形成以后，受降雨影响，进一步产生冲刷、淋滤等次生作用，使其在原有规模的基础上有所扩大。由于黄土特有的物理力学性质，质地松散、孔隙大易于发生崩塌、滑坡和采空裂陷，特别是采煤后三带的形成导致地裂缝和地面沉降，进而诱发边坡失稳，引起灾害链。

在雨季，大气降水形成水流通过采动裂缝溃入矿井形成水患，易出现淹井、突水等灾害，导致开采安全事故的发生。

4．2 排土场非均匀沉降对沉陷形成的影响

平台构筑过程实际上就是人工进行土体再造，形成复垦种植层的过程，由黄土母质直接铺覆。

AJL矿排土场基底面积较大，使基底下垫面多样化，有缓坡地、斜台地、沟壑等。下垫面不一，其承载力也不一；加之排弃岩土空间分布很不均匀，造成不同部位压缩沉降速率不一，即非均匀沉降。据以往调查，排土场的自然沉降在10%～20%之间，沉陷过程延续数年，头三年沉降量可达稳沉前沉降量的80%，且夏季＞春季，秋季＞冬季。根据前期调查研究，排土场非均匀沉降的形态有小陷穴、大陷坑、小裂隙、大裂缝、盲洞、盲沟等造成地表变形的径流紊乱，会引发滑坡、泥石流等地质灾害。

排土场岩土堆垫高速，主要以黄土为主，整体构型松散，加之外排土场，一边在原地貌上堆垫岩土，一边又在其下挖煤，最终导致外排土场西区和露天矿排土场非均匀沉降和井工矿地表沉陷的情况。后期可能会诱发崩塌、滑坡等地质灾害。

4．3 开采工艺对沉陷形成的影响

开采实践证明：采煤方法和顶板管理方法是影响围岩应力变化、岩层移动、覆岩破坏的主要因素。工作面开采面积越大，采出率越高，覆岩和地表的移动破坏就越严重，而工作面的开采面积和回采率与采煤及顶板的管理方法有关。

由于AJL矿露井联采区井工矿根据其煤层性质，适宜于采用一采一放，双轮顺序放煤工艺，即综采放顶煤工艺。但此法使地表易出现大的裂缝，在裂缝的两侧多伴随大的台阶，此种开采使地表变形更集中于采空区上方［12～13］。相比其他的采煤方法，在其他条件相同时，综采放顶采煤法是最易引起沉陷的一种采煤方法。

AJL矿区属黄土剥离区，而排土场主要以黄土堆垫为主，与原地貌构造不同，不具有合理的层理构造，在受到外力的作用下更容易发生沉陷。

5 讨论

《土地复垦条例》已于2011年公布施行。该条例规定生产建设活动应当节约集约利用土地，不占或者少占耕地；对依法占用的土地应当采取有效措施，减少土地损毁面积，降低土地损毁程度。坚持科学规划、因地制宜、综合治理、经济可行、合理利用的原则复垦土地。因生产建设活动损毁的土地，按照“谁损毁，谁复垦”的原则，由生产建设单位或者个人即土地复垦义务人，负责复垦［14］。并对不依法履行土地复垦义务的，采取相应的处罚措施。此条例的出台对于贯彻落实中央要求，大力保护耕地资源和生态环境，促进经济社会可持续发展，必将提供坚实的法律保障。

5．1 充填裂缝法

一般在采动影响基本稳定之后进行。AJL矿位于黄土高原区，黄土资源极为丰富，而且黄土具有极强的可塑性，可采用黄土充填压实的方法，对裂缝和沉陷区进行平整。沉陷严重的地区也可采用煤矸石和粉煤灰充填。对于裂缝和落差较大的裂缝，必须在充填裂缝的同时进行土地平整。沉陷土地平整后，应按矿区土地复垦的要求，对土地进行复垦。

5．2 生态重建

对已恢复后的土地进行土壤改良，改善其质地和耕性。选用适宜于当地种植的产量高、质量好、适应性强和抗逆性好的优良作物品种，采用客土种植，以提高树木成活率。种植固氮类植物，以提高土壤肥力。推广科学种植方法，提倡精耕细作，提高农业生产力，恢复生态环境。

5．3 建立补偿机制，改善现状

根据我国煤炭资源开发历史与煤炭生产所有制的演变情况，矿区生态环境补偿的主要方式有：政策补偿、资金补偿、市场补偿3种方式。通过开展多渠道建立矿区生态环境补偿机制，促进煤矿区改善环境质量，恢复生态功能。

鼓励运用市场机制的方式开展矿区生态环境恢复与治理，加快我国煤矿区环境治理进程，促进资源开发与生态环境和社会经济协调发展。制定《资源生态补偿条例》。建议国务院组织相关部委，尽快出台这方面政策，建立长效的生态补偿机制，才能有效保证恢复与治理矿山生态环境。这不仅是保护生态环境的迫切需要，也是推进主体功能区建设、促进区域经济社会协调发展的制度保障［15］。

［1］苏晓洲，梁鹏，晏国政，等．采矿沉陷区“呻吟录”［J］．（中国）瞭望新闻周刊，2010（39）：10－13．

［2］河北地质编辑部．我国将加大力度整治采煤引发的地质灾害［J］．河北地质，2007（3）：12．

［3］刘德成，张荣隋，梁栋彬．山东省兖州市采煤区地面沉陷的原因及其对策［J］．水土保持研究，2005，8（4）：67－69．

［4］李树志．煤矿开采地表沉陷预测与土地复垦［M］．北京：中国环境科学出版社，2006：123－136．

［5］胡振琪，魏忠义．煤矿区采动与复垦土壤存在的问题与对策［J］．能源环境保护，2003，17（3）：3－10．

［6］吴立新．论我国煤矿区的水资源状况及其科学保护［J］．煤矿环境保护，1997，12（2）：16－19．

［7］魏东岩．矿山地质灾害分析［J］．化工矿产地质，2003，6（2）：89－93．

［8］白中科，李晋川．露天煤矿土地复垦与生态重建［M］．北京：科学出版社，2000：18－28．

［9］白中科，李晋川．工矿区土地复垦与生态重建［M］．北京：中国农业科技出版社，2000：3－29．

［10］段起超，常永刚．安家岭露天矿西排土场运输系统优化［J］．露天采矿技术，2003：5，4．

［11］韩静．露井联采煤矿区主要地质灾害形态分析与复垦对策研究——以平朔安家岭煤矿西排土场沉陷区为例［D］．山西农业大学，2008．

［12］何万龙．山区开采沉陷与采动损害［M］．北京：中国科学技术出版社，2003：9．

［13］赵明，郭高川，韩永亮，等．煤炭开采工艺及生态保护对策研究［C］．／／煤炭开发建设项目生态环境保护研究与实践．北京：中国环境科学出版社．2006：182－195．

［14］国务院总理温家宝签署第592号国务院令［Z］．公布《土地复垦条例》．

［15］纪万斌．煤炭资源城市生态恢复治理补偿机制的探讨［J］．今日国土，2010，12：18－21．