长壁全垮法开采和限厚条带开采对生态环境影响比较分析

詹凤平

(中煤科工集团 武汉设计研究院 工程设计所，湖北 武昌 430064)

煤炭开采过程中对生态环境的影响或破坏，井工矿主要为开采引起的地表沉陷、移动变形等引起对地表植被、土壤、水体、村庄等［1］的影响或破坏。

目前，全部垮落法开采［2］是我国普遍采用的方法。在地面存在敏感目标需要保护时，开采技术主要有水砂充填开采［3］、加压水砂充填开采、条带开采、充填开采等。据有关资料介绍［4］，采煤方法对地表移动变形的影响很大。

本文在对比分析亭南矿全部垮落法开采和限厚条带开采2 种不同开采方式对生态环境的影响程度，分析研究得出煤炭开采技术的合理选择对生态环境保护和资源合理利用具有重要作用，井工煤炭开采应从煤炭开采技术的合理选择入手，源头上控制生态环境破坏，特别是如亭南矿此类地表村庄较多、有大型水体等环境比较敏感的井工矿开采技术的选择尤其重要。

1 亭南矿概况

亭南煤矿位于长武县亭口镇西南部，东至彬县县城20km，西至长武县城20km。矿井设计能力为0.45Mt/a，竖井单水平开拓方式，井口标高+850m，水平大巷标高+430m。2003年开始建设，2005年10 月建成并开始联合试运转。2006年4 月7 日首采的101 工作面在综放高度10m 左右的条件下，工作面推进到120m 时，采空区出水，水量由初期的6～7m3/h，逐渐增大到85m3/h。首采面的突然出水，给一盘区其他工作面，特别是位于盘区东北部泾河边的工作面(107 工作面)的安全开采及合理开采厚度提出了质疑。另外，一盘区两翼首采面上方地表西翼是张家咀村，东翼是安华村，张家咀村房屋分散，分布范围较广，且有窑洞，安华村房屋密集，且有312 国道，村庄下建(构)筑物下的安全开采问题也因此凸现了出来。为了确保地面村庄受采动损害程度在预计的允许范围之内，白垩纪洛河砂砾水不得大量涌入开采区内，因此对亭南煤矿村庄下、白垩纪洛河砂砾岩含水层下采煤的可行性进行了技术论证，对开采方案进行优化设计，提出［5］:盘区东北部泾河边的工作面(107 工作面)开采厚度限制为9.0m;一盘区两翼采区采用限厚条带开采，西翼限厚为3～4m，东翼限厚为7m。

2 生态环境影响预测

2.1 地表沉陷影响预测模式

预测模式采用国家煤炭局《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所推荐的模式。

任意一点的地表移动变形预测模式:

在充分采动的情况下，最大移动变形预测模式:

式中，Wcoi(x，y)为i 单元开采引起地表(x，y)点的下沉值，mm;W (x，y)为地表(x，y)点的下沉值，mm;D 为开采煤层区域;Kx为走向方向曲率值，10－3/m;Ky为倾斜方向曲率值，10－3/m;Ux(x，y)为走向方向水平移动值，mm;Uy(x，y)为倾斜方向水平移动值，mm;εx为走向方向水平变形值，mm/m;εy为倾斜方向水平变形值，mm/m;θo为开采影响传播角，(°);M 为煤层开采厚度，mm;α 为煤层倾角，(°);q 为下沉系数;b 为水平移动系数;r 为主要影响半径，m，r=H/tanβ;H 为煤层埋深，m;k 为开采影响传播系数。

2.2 地表移动变形参数的确定

地表移动变形计算的主要参数［6］有下沉系数q、上下山影响角正切，水平移动系数b，开采影响传播系数k 等。这些参数的取值主要与煤层开采方法、顶板控制方法、上覆岩层性质、工作面宽度、重复采动次数以及采深采厚比等因素有关。参数的确定方法:

(1)根据本区地质条件，覆岩属中硬岩层，而考虑到上覆巨厚硬岩层条件(厚度约300m)，以及邻近的下沟矿在不充分采动条件下的地表沉降实测结果，地表移动计算参数依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定的中硬偏硬条件选取，确定下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、开采影响系数等参数。

(2)根据《陕西长武亭南煤业有限责任公司井上下对照图》及《陕西长武亭南煤业有限责任公司亭南煤矿村庄下、洛河砂砾岩含水体下采煤可行性论证及开采方案设计》中地质钻孔数据等地质条件确定采深、采厚、倾角、上山方位角等参数。

本预测的主要参数取值见表1、表2，其中全部垮落法开采沉陷预测参数取沉陷影响大值，其结果为最不利情况下的沉陷状况。

表1 全部垮落法开采沉陷预测参数

表2 条带开采沉陷预测参数

2.3 地表移动变形预测结果

由亭南矿开采范围内地表沉陷等值线图可查得，全部垮落法开采地表最大下沉陷值出现在Q1预测区，约12.22m;条带开采地表最大下沉陷值也出现在Q1 预测区，约11.14m。

结合亭南矿开采煤层赋存地质特点、采煤地表移动变形特征、井田地表自然坡度以及同一矿区邻近大佛寺、下沟、水帘、火石咀等煤矿采煤对地表土地资源的损害情况，拟将采煤地表损害程度划分为轻度影响区、中度影响区和严重影响区［7］3 种类型，轻度影响区主要特征是采煤地表变形移动量小(下沉量小于1000mm)且沉陷区地势平坦(坡度小于15°)区域;中度影响区主要特征是采煤地表变形移动量较小(下沉量小于1000mm)且沉陷区地势坡度相对较大(15～25°)区域和地表变形移动量较大但沉陷区地势相对平坦 (坡度小于10°)区域;严重影响区主要特征是采煤地表变形移动量较大且发生地地势陡峭(坡度大于25°)区域。全部垮落法开采、条带开采2 种开采方式对采区地表生态影响范围见表3～5。

表3 不同开采方式下地表受开采影响情况 km2

表4 全部垮落法开采地表沉陷影响程度面积统计 km2

表5 条带开采地表沉陷影响程度面积统计 km2

轻度影响区主要分布在采区井田边界、保护煤柱的边界处。由表3 可知，采用全陷、条带开采轻度影响区面积分别为1.1km2，2.19km2。轻度影响区土地损害程度较低，土地使用功能多可自然恢复，必要时可对裂缝进行人工填充修整［8］。

中度影响区分布相对破碎;中度影响区土地损害程度较大，如不采取人工恢复措施，土地使用功能难以恢复到沉陷前水准，且自然恢复的周期相对较长，对土地利用的影响持续时间较长、影响较大，预计中度影响区的耕地可能会减产15% 左右［9］。采用全陷、条带开采中度影响区面积分别为3.08km2，6.15 km2，中度影响的耕地面积分别约为1.18 km2，2.37km2(见表4、表5)，耕地产量按3724kg/hm2计算［10］，预计全陷、条带开采采区中度影响区农作物减产量分别约为65.9t，132.4t。

严重影响区主要分布在各采区黄土谷坡区域，影响区土地损害的主要原因是这些区域地势陡峭，采动易导致坡体失稳，沉陷裂缝较平坦区宽深且难以自然恢复，更为严重的可能在这些区域产生滑坡、崩塌，采煤过程中需要密切关注这些区域地表移动变形情况，采取必要的工程措施和生物措施对该区进行治理，如削坡卸载、锚杆锚喷固定、封坡育林等，严重影响区对耕地的影响表现为减产，预计在该区段范围内的农作物会因此而减产30%左右［9］。采用全陷、条带开采严重影响区面积分别为6.50km2，2.34km2，严重影响区耕地面积分别为2.50 km2，0.90km2(见表4、表5)，预计全陷、条带开采采区严重影响区减产分别为279.3t，100.5t。

4 结论

条带开采对地表生态环境影响较小，严重影响区域较小，对地表植被的生长、耕地农作物生产影响较小;全部垮落法开采方式下，可引起生态环境影响区农作物减产约345.2t;条带开采方式下，生态环境影响区农作物减产约232.4t，条带开采生态环境影响区农作物减产量较全部垮落法开采少112.8t。因而，条带开采对地表生态环境的影响相对较小，煤炭开采技术的合理选择对生态环境保护和资源合理利用具有重要意义。

［1］赵 娟，李新平，等.煤炭开采对生态环境影响文献综述［J］.山西林业科技，2008，24 (1):46－47.

［2］王 磊，郭广礼，等.基于关键层理论的长壁垮落法开采老采空区地基稳定性评价［J］.采矿与安全工程学报，2010，27 (1):57－61.

［3］宋志飞，雷家好，等.复杂条件下煤层开采上覆岩体移动规律研究［J］.煤矿开采，2011，16 (4):95－96.

［4］龚望书.井工开采引起地表移动变形对环境的影响［J］.煤矿开采，2011，16 (6):45－47.

［5］天地科技股份有限公司.亭南煤矿村庄下、洛河砂砾岩含水体下采煤可行性论证及开采方案设计［R］.北京:天地科技股份有限公司开采设计事业部，2006.

［6］肖纪永.浅谈地表移动变形计算方法及建(构)筑物下开采技术［J］.矿山测量，2011 (3):75－76.

［7］何 芳.重庆地区煤炭资源开发生态补偿机制研究［D］.重庆:重庆大学，2011.

［8］郭爱国.宽条带充填全柱开采条件下的地表沉陷机理及影响因素研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2006.

［9］李有坤，徐 勇，聂德久.地面沉降经济损失探讨［J］.科技信息，2012 (21):43－44.

［10］中国农业科学院农业资源与农业区划研究所.中国区域性耕地资源变化评价与粮食生产安全预警［R］.2009.