采煤塌陷地表变形研究论文

寿冀平

（山东省地质环境监测总站，济南，250014）

摘要本文通过对山东省矿山开采引发的地面塌（沉）陷地质灾害的现状分析，结合矿产开发规划对其发展趋势进行了分析，提出了相应的防治措施，对于减轻地质灾害和地质环境保护具有重要意义。

关键词地面塌陷现状趋势分析防治措施

前言

山东省是我国矿业大省、经济大省，全省累计发现各类矿产150种，其中能源矿产11种、金属矿产45种、非金属矿产90种、水气矿产4种。山东省采矿历史悠久，矿业在我省国民经济和社会发展中发挥着重要的基础性作用，目前全省95%的一次性能源和80%的原材料依靠开发矿产资源提供，矿山企业达9482个。随着矿业经济的发展，矿产资源开发规模和开发强度的增大，矿山地面塌（沉）陷问题越发突出，成为主要的矿山地质灾害类型。

1矿山地面塌（沉）陷地质灾害分布特征

山东省矿山地面塌（沉）陷地质灾害按其成因和塌（沉）陷特征分为采空地面塌（沉）陷和岩溶地面塌陷。

采空塌（沉）陷

采空塌（沉）陷是山东最主要的矿山地质灾害，涉及煤矿、金矿、铁矿、石膏、滑石等所有地下开采矿山，伴随采空塌（沉）陷出现的往往还有地裂缝、山体开裂等。采空塌（沉）陷主要分布于煤矿采空区，其次是金、铁矿及石膏、滑石矿等采空区，但从突发性和对人民的生命财产安全上来讲，又以金、铁、石膏、滑石矿更为严重。全省17个地市有10个地市存在规模不同的采空塌（沉）陷，主要分布于煤炭资源开采强烈的地区。塌（沉）陷面积规模较大的依次为泰安（主要分布于煤炭资源丰富的新泰、宁阳、肥城三地）、济宁（主要分布于兖州及济宁煤田）、枣庄（主要分布于滕州及陶枣煤田、峄城及底阁石膏矿区）、莱芜（四大国有煤矿区、张家洼及小官庄铁矿区、莱芜铁矿马庄矿区）、烟台（主要分布于金矿资源开采强烈的招远、莱州、牟平及龙口煤矿区）。

岩溶地面塌陷

矿山岩溶地面塌陷是开发排水（包括矿坑突水）为主导因素引发的岩溶塌陷，主要发生在具备岩溶塌陷条件的莱芜铁矿谷家台及叶庄矿区、蒙阴洪沟煤矿区、沂南铜井金矿区等，其中以莱芜铁矿岩溶塌陷最为发育。

2矿山地面塌（沉）陷地质灾害发育现状

采空地面塌（沉）陷

采空塌（沉）陷是由于矿层（体）采出后，采空区上方岩层在重力作用下发生弯曲、离层乃至冒落而形成。其发生发展过程和地表变形程度，主要取决于矿层条件、顶板岩性特征、地质构造和采高、开采条件等。据2002年调查资料可知，我省各类矿山采空塌（沉）陷面积为，其中煤矿采空塌（沉）陷最大，占采空塌（沉）陷面积的97%。各主要矿种的采空塌（沉）陷现状分述如下：

煤矿采空塌（沉）陷

山东省采煤历史悠久，开采方式从以往的小规模开采转入现在的机械化深部大规模开采，随着采空区面积的不断扩大，各采煤区相应地发生了一系列规模不等、形状各异的采空地面塌（沉）陷。据不完全统计，截至2002年底，全省因采煤造成的采空塌（沉）陷已达800余处，累计塌（沉）陷面积，其中绝产面积大于50km2，平均采万吨煤地面塌（沉）陷率为。山东省煤矿区采空塌（沉）陷基本情况见表1。

表1山东省煤矿区采空地面塌（沉）陷情况统计表

塌（沉）陷的平面形态多为圆形、椭圆形的塌（沉）陷盆地，盆地中心下沉深度各地不一，最大下沉深度（肥城王瓜店），最小下沉深度（枣庄黄庄煤矿）。其中塌（沉）陷区最大下沉深度小于，地表形态相对变化较轻的塌（沉）陷区面积累计，占全省总塌（沉）陷面积的；塌（沉）陷区下沉深度大于，地表形态相对变化较大的塌（沉）陷区分布面积累计达，占全省塌（沉）陷区总面积的。此类塌（沉）陷分布区，地表地形起伏较大，在第四系沉积厚度较大或地下水位埋深较浅的地段，常形成季节性乃至常年性积水洼地，导致土地复垦困难或不能复垦。据不完全统计，目前，全省部分老塌（沉）陷区的常年积水面积已达以上，造成了耕地的大面积绝产和荒废。

由于各地区成煤条件（厚度、埋深、顶底板岩性等）的差异，以及各采煤区开采方式的不同，使得各采区采空塌（沉）陷的发育规模差异较大。省内济宁、枣庄、泰安、龙口、临沂、淄博和坊子七大采煤区，除淄博采煤区的采空塌（沉）陷的发育规模较小外，其他地区的采空塌（沉）陷均较严重。尤其以泰安、济宁、枣庄三地市所辖煤田区的采空塌（沉）陷最为严重，累计塌（沉）陷面积达，占全省采空塌（沉）陷总面积的。不但塌（沉）陷分布面积大，下沉深度深，而且积水面积广，造成的损失和社会影响也极大。

铁矿采空塌（沉）陷

省内铁矿采空塌（沉）陷相对较轻，尽管目前济南、莱芜、淄博等铁矿主要产地的矿山开采已具规模，但由于矿石采出后对采空区大都进行了尾矿充填。因此，铁矿采空塌（沉）陷的发生得到了有效控制。据调查，至2002年底，全省仅发生3处采空塌（沉）陷，淄博1处、莱芜2处，累计塌（沉）陷面积。

金矿采空塌（沉）陷

金矿采空塌（沉）陷主要分布于胶东金矿区的招远、莱州、牟平、威海等地，据不完全统计，到目前为止，金矿开采区发生采空塌（沉）陷160多处，累计塌（沉）陷面积约。塌（沉）陷的形态多为条形，走向与矿脉走向一致。塌坑两侧边坡陡立，地表岩体内沿矿脉走向的张性裂隙发育，裂隙宽度可达20cm。受矿脉地质特征和开采规模的控制，塌坑的发育规模（长、宽、深等）差异悬殊。塌坑长度一般10余m到数10m不等，最长达800m。

石膏、滑石等其他矿产采空塌陷

（1）山东省石膏矿储量十分丰富，石膏生产量逐年上升，因此矿区采空塌（沉）陷也越发突出。目前采空塌（沉）陷主要分布于临沂市平邑县、苍山县石膏矿区和枣庄底阁石膏矿区，累计塌（沉）陷面积。

（2）滑石矿采空塌陷区主要分布于栖霞、莱州等地，现已发生采空塌（沉）陷3处。最大的一处发生在莱州市滑石矿采空区，塌陷形态为椭圆形盆地状，面积约，塌（沉）陷中心下沉深度3m左右，该塌陷的发生对位于其西部的莱州市滑石矿构成了很大威胁，目前厂院围墙已有多处倾斜开裂，墙体裂缝最宽达10cm。

（3）此外，临沂、潍坊等地在开采重晶石矿的过程中，也先后发生较大规模的采空塌（沉）陷，并造成了严重的人员伤亡事故。

岩溶地面塌陷

矿山岩溶地面塌陷是因开采矿产资源疏排地下水（包括矿坑突水）而导致的岩溶塌陷。目前，全省岩溶塌陷面积约。相对于采空塌（沉）陷，岩溶塌陷面积较小，目前只局限于莱芜铁矿区、蒙阴洪沟煤矿区、沂南金矿区三个矿区。

3矿山地面塌（沉）陷趋势分析

煤矿采空塌（沉）陷

现阶段煤矿开采主要在鲁西地区的淄博煤田、肥城煤田、新汶煤田、兖州煤田、滕州煤田、陶枣煤田、临沂煤田和鲁东地区的黄县煤田。就目前采空塌（沉）陷情况分析，山东煤矿采空塌（沉）陷基本分两种情况：①淄博、陶枣、临沂等煤田，多处于低山丘陵区，煤层薄，上覆第四系厚度均小于100m，开采深度多在－500m以下，煤层采出顶板冒落后，很快自动叉实，地表只出现小规模地面变形、斑纹或裂缝，对地表或农业耕作不产生重大损害；②兖州、滕州、肥城、黄县等煤田，多处于山前冲洪积平原或盆地中，第四系覆盖层厚度大，开采煤层厚度大，多8～12m，煤层产状平缓，采出后，顶板煤层失去支撑，形成破碎冒落、弯曲下沉，随着采空面积的逐渐扩大，在地面出现缓慢、连续的盆状塌（沉）陷坑，严重破坏了地质地貌景观，对农田、村庄等破坏严重，给矿山建设和矿区农业生产、生活造成重大影响，也为矿山带来沉重经济负担。由此可见，后者采空塌（沉）陷规模及危害要大于前者。

根据煤矿开发规划，近期煤炭生产的重点地区是济宁、兖州、滕州、新汶（含莱芜）、肥城等深部煤田。煤矿采空塌（沉）陷也主要发生在济宁、兖州、滕州煤田，其次是肥城、龙口、新汶煤田。淄博煤田面临闭坑期，采煤塌（沉）陷影响很小。也就是说，除了淄博煤田外，其他各煤田采空塌（沉）陷仍将继续发展，尤其是济宁、兖州、滕州三大煤田，开发潜力大，采煤塌（沉）陷又属于第（2）种情况，故其采空塌（沉）陷规模和危害程度显得尤为突出。

据省煤炭工业局资料，近期我省煤矿采空塌（沉）陷面积年均增长，按此推算（以2002年采空塌（沉）陷面积为基础），到2005年和2010年我省由于采煤将增加塌（沉）陷面积分别为102km2和204km2。

未来煤炭资源开发远景区在鲁西南及黄河北煤田，此处煤田正处于黄河冲积平原区。尽管煤层埋深大，但由于具有上覆第四系厚度大、煤层厚度大、煤层产状平缓与济兖煤田类似的自然地质条件，推测未来开发会产生严重的塌（沉）陷危害。采用采煤塌（沉）陷系数法，结合2010年规划采煤量9000万t，预测采空塌（沉）陷面积为。

铁矿采空塌陷

省内铁矿采空塌陷相对较轻，目前主要发生在淄博黑旺铁矿朱崖矿区庙子采空区、鲁中矿业公司（莱芜）张家洼小官庄矿山区及莱芜铁矿马庄矿区三处。据2002年调查资料，庙子采空区由于当地乡镇和个体采矿影响，范围有所扩大，对正处于采空区上方的庙子村而言，仍存在潜在的采空塌陷危害；张家洼、小官庄、马庄矿区随着开采深度的加大，以及各矿区采用了科学合理的采矿方法（砂土、尾矿充填法），并作为莱芜市重点恢复治理区，区内采空塌陷面积将逐年减少。

金矿采空塌陷

据金矿开发规划，2003年至2010年，采空塌陷将随着采空范围的不断扩大而加剧。由于三山岛、新城、金城等金矿已经转入海下或深部开采，故其采空塌陷发生规模不会增幅太大；而牟平、乳山、龙口，尤其是招远金矿，由于资源相对丰富，加上国有矿山和集体、个体矿山的联合无序开采，采空塌陷面积将不断增大，采空塌陷危害将越发突出。

石膏、滑石矿采空塌陷

山东省石膏矿产资源集中分布于鲁中地区，尤以泰安、枣庄、临沂三区资源丰富；滑石矿资源主要集中分布于鲁东北部地区。目前石膏、滑石开发强度较高，产品已供大于求，采空塌陷时常发生，给矿区安全造成了严重危害，随着开采强度的加大，其采空塌陷也会越发突出。

矿山排水岩溶塌陷

矿山开发排水（包括矿坑突水）为主导因素而引发的岩溶塌陷，主要发生于莱芜铁矿区第三系缺失的“天窗”内及断裂带附近。据监测资料，该区岩溶塌陷近年来发展迅速，1997年塌陷面积6320m2,2000年达到8450m2,2002年达，塌陷面积年均增长700多平方米，累计塌陷坑228个，塌陷密度最大达处/km2。随着矿山开采强度的增大及部分矿山恢复（如顾家台矿区等）建设，区内岩溶塌陷面积将不断增大。

4矿山地面塌（沉）陷防治措施

矿山地面塌（沉）陷是由人类开采矿产资源诱发引起的，因此，防治应首先考虑人类活动因素，目的是既要预防和减轻灾害带来的破坏和损失，又能保障矿产资源有序开发。根据前人生产实践经验，提出防治建议。

探索科学的采矿方式

充填法采矿

预防采空塌（沉）陷最为有效的方法是充填法采矿。这里推荐中国矿业大学研制的高水速凝充填材料，该充填材料具有充填速度快、强度高且较稳定等特征，充填液只需20分钟便连砂带水一起固化成高结晶水冲填体，其强度一天可达3兆帕，三天可达4～5兆帕，最终可达5兆帕以上。该充填材料不需脱、排水且有一定膨胀性，充盈系数优于混凝土，在招远金矿进行充填试验，效果良好。

充填法采矿防止采空塌（沉）陷，在目前开采的铁、金矿山中具有较强的可操作性，因为这类矿山矿体多呈脉状或条带状发育，相应采空区也呈条带状，便于充填，所需充填材料也相对少，经济上不需投入太大而且效果明显。充填法开采铁、金矿目前在全省已进行了全面推广和应用，其中莱芜铁矿区及招远金矿区基本上都采出了此种采矿方式。而煤矿等沉积型矿产开采由于采空区范围广，如果实行充填，花费巨大且效果不明显，从煤矿开采经济效益上分析也不合算，因此，目前煤矿开采以顶板陷落法为主。

煤炭地下气化工程研究

煤炭地下气化（UCG）工程是指煤层在地下直接燃烧变成可燃气态燃料的过程，是一种化学采煤方法，属洁净煤新技术研究开发项目，气化炉所产煤气目前除用于矿区居民生活用气和小型工业锅炉燃气外，主要用于燃气发电机组发电，另外，还可以用于煤气化工，生产甲醇、二甲醚等化工产品。此技术方法的应用可有效减轻煤炭生产对矿区生态环境的压力，改善矿区及周边区域生态环境，具有较高的经济效益、社会效益、环境效益，是今后煤炭生产发展的主要方向，值得很好的研究发展推广。

目前，山东新汶矿业集团公司鄂庄煤矿在这方面作了有益的探索实验，并于2002年投入生产，综合效益良好。莱芜鄂庄煤矿煤炭地下气化站工程是新汶矿业集团公司“十五”期间的重点科技攻关项目，重点进行煤炭地下气化稳定控制技术的研究，目前已被列入国家高技术研究发展计划（“863计划”）实验研究基地。

科学采煤方式研究

“自下往上”异向开采

煤矿开采一般是从上层煤起自上往下采，这样对煤矿建设来说，具有见效及投资回收快等优势，但对于采空塌（沉）陷来说，是愈采愈烈，许多塌（沉）陷区是反复塌了再塌，同时浅部采空塌（沉）陷也构成对深部采矿的威胁，比如，在汛期，大气降水直接通过塌（沉）陷坑进入巷道，增加矿坑排水量乃至造成淹井事故的发生等等。

湘潭矿业学院与煤炭部门立项研究煤矿开采方式，提出具有多层煤的煤田，采用自深部→浅部开采的方式，可有效地减轻采空塌（沉）陷危害。目前，这一研究已经通过国家正式鉴定，如果这种开采方式可行的话，我们认为，对鲁西南及黄河北远景煤田区，在未来开采时应该参考、借鉴。

加强科学研究，提高采煤技术水平

目前，世界上有些国家井下采煤矸石不出井，用来充填井下采空区，既可以减轻采空塌（沉）陷，又可避免排矸对地质环境的影响，真可谓一举两得。而省内煤矿的采煤方式与我国大多数煤矿一样，使得利用煤矸石充填井下采空区变得复杂化且费用较高，这在新汶矿务局张庄煤矿及国内其他煤矿都已得到证明。也就是，目前技术水平条件下，欲使矸石不排向地表直接充填采空区是不现实的，因此，需加强科学研究，努力改进采煤技术，赶上国际先进水平。目前，煤矿开采为减轻采空塌（沉）陷危害，根据各矿实际条件，采用的主要技术措施有：①同一煤层多工作面协调开采，减少地表不均匀下沉，减少倾斜和水平变形对民房的影响；②分煤层交错布置工作面，可减少不均匀下沉和静态变形值，使部分变形得以抵消。不同煤层开采边界交错布置。错距控制在40～80m；③积极推广沿空送巷、沿空留巷等采煤新工艺、新方法，实行无煤柱开采，以使地表均匀下沉；④积极开展新技术、新方法的研究。如华丰矿通过注浆减沉，取得较好的效果；汶南矿在采13层、15层煤时，采用矸石充填老空，既减少了矿井排矸量，又减缓了顶板下沉，减轻了采动对地表的影响。

帷幕注浆堵水法

采用大型帷幕注浆工程既可以治理水害保护地下水资源，又可以减轻岩溶塌陷，已成为除疏干法以外，可供选择的另一种行之有效的治理矿区灾害的方法。该方法在济南张马屯铁矿、肥城矿务局陶阳煤矿等矿区得到了成功应用。

矿山矿坑水预先疏干排供结合

据本次调查不完全统计，仅鲁中地区，国有煤矿和铁矿矿坑排水量就达4亿m3/a，这个水量是非常惊人的。造成大量水资源浪费，还产生岩溶塌陷地质灾害。采用该法将水资源提前利用，同时降低了产生岩溶塌陷的水动力条件。

合理有序开采及灾害治理恢复

采矿前，在压矿地区实行一次性征地，减少采空塌（沉）陷损失。为减轻采空塌（沉）陷危害，除了进行村庄搬迁、重点交通和水利设施布置禁采区或留设防护煤柱以保护人民生命财产和国家重点建筑物不受损害外，更重要的是对于塌（沉）陷地区进行治理和复垦利用。根据实际情况，塌（沉）陷区内大部分土地可以复垦还田，少部分地区塌（沉）陷程度严重，常年积水或地形起伏过大，不能复垦，可以发展水产养殖业，也可修建公园，既美化环境又丰富人们的文化生活。

5结语

本文以全省矿山地质灾害调查报告为基础，通过对灾害现状分析，结合矿山开采规划对灾害趋势进行了分析，对前人在矿山灾害防治的生产实践经验进行了梳理总结，希望能对矿山地面塌（沉）陷的防治起到积极的作用。

煤矿塌陷应该分为采空区塌陷和岩溶塌陷两种。采空区塌陷：长期的大规模的开采形成采空区，随着采空区面积不断加大，煤层的顶板（覆岩）失去支撑，顶板岩层随之发生弯曲、断裂、垮落，产生倾斜变形和水平移动。垮落过程中引发采空区周围的岩体变形、松动、乃至破坏使采空区上覆岩层随之弯曲下沉，覆岩层的这种弯曲到达地面后，形成地表沉陷现象。这类塌陷可通过调查采矿活动情况和地面迹象预防。岩溶塌陷：岩溶塌陷（karst breakdown survey）是指在岩溶地区，下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞，因自身洞体扩大或在自然与人为因素影响下，顶板失稳产生塌落或沉陷的统称。在矿区通常是由于在岩溶地区抽排地下水造成周边地下水位变化，地下水掏空溶洞充填物形成土洞。这类塌陷的诱因通常和水位变化有关，如暴雨，或者长时间干旱后的降雨，还有就是地表水的下渗。这类塌陷预防主要通过物探方法探查土洞。