２０１１年第２期 ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７２－９９４３．２０１１．０２．０４６ 能源技术与管理 １１９ 煤矿开采沉陷的环境效应及其生态修复技术 孟［摘娜，张雁秋，李燕，徐玉洁 （中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州２２１１１６） 要］主要就煤矿开采沉陷的环境效应和其生态修复技术进行研究，得出开采沉陷产生 的力学机理。对开采沉陷的防治技术进行归纳探讨，主要技术有全部充填开采、条 带开采、覆岩离层带充填、限厚开采、协调开采、“采一注一采”三步法开采。探讨生 态修复技术实施的可行性，得出开采沉陷的生态修复可行性措施，为煤矿环境治理 提供一些理论指导依据和技术指导。 ［关键词］开采沉陷，环境效应，生态修复 ［中图分类号］Ｘ３７［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２－９９４３（２０１ １）０２－０１ １９－０３ ０引 言 煤炭资源的大规模开采和利用，在给人类带 来巨大经济效益的同时，也对人类的生存环境产 生一系列的消极影响。随着煤炭资源的开采，我国 等针对已往开采沉陷可视化方法中没有考虑矿区 地貌特征的不足，采用ＣＡＳＳ软件成功解决了矿 区原始地貌离散高程数据与开采沉陷预计格网数 据之间的融合难题，实现了顾及地表沉陷的矿区 的采煤塌陷范围，严重破坏了矿区的生态环境。采 煤沉陷区的环境保护与治理直接关系到矿区的区 域经济、社会稳定、生态环境，也关系到矿区的可 持续发展，是我国矿区所面临的一个亟待解决的 问题［ 。 地貌可视化。该方法能够在不丢失原有地貌信息 的情况下，真实形象的反映矿山开采引起的地貌 变化，同时利用该软件的工程应用功能，可获取矿 山开采后地表沉陷信息，为矿山开采损害防治和沉 陷区治理提供依据＿５＿。查剑锋等采用ＶＢ对ＡｕｔｏＣＡＤ 进行二次开发，结合开采沉陷预计，实现给定区域 １研究方法概述 开采沉陷的研究方法较多，在近代很多学者 专家利用了各种先进技术、借用不同的分析方法 对于开采沉陷进行了研究。 内地表移动与变形极值的自动统计 ］。莫时雄等 将有限元理论和隶属函数结合，共同对金属矿山 的地面开采沉陷进行评估预测，不但可以确定沉 陷影响因素之间的联带问题，而且也能全面的反 映金属矿山开采沉陷的危害程度 ］。 ２１世纪初，勒建明等基于地理信息系统（ＧＩＳ） 的基本原理，提出了开采沉陷环境影响评价的路 线，探讨了环境因子的提取方法以及利用ＧＩＳ对 开采沉陷环境影响进行评价的可能性，提出了矿 山开采沉陷环境彩响的评价模型以及环境影响的 ２地面沉陷的力学机理 地下空间开挖之前，地层中岩体处于自然应 力状态，在较大程度情况下可以认为这种状态为 没有剪应力存在的理想平衡状态，即主应力近似 相等，且都是压应力。在较大埋藏深度处岩体内任 意取一小立方体岩块，此时，处于三向受力状态。 由上覆岩层重量的压力形成垂直应力 ，导致岩 块发生三个方向的移动和变形，即垂直方向的压 综合评价方法，并探讨了线性四叉树数据结构在 环境影响综合评价中的应用『２］。张庆松等基于开 采沉陷领域大量工程观测资料，探讨了运用粗集 和神经网络相结合的方法，从已有的沉陷数据中 探索地质采矿因素与地表沉陷间的深层次关系， 取得了较理想的效果＿３ｊ。张安兵等采用粗集及支 持向量机技术对其进行研究，首先应用粗集理论 进行了岩移影响因素分析，给出了各影响因素的 支持度，然后运用支持向量机预测技术构建了支 持向量机预测模型，成功进行沉陷预测ｌ４］。易四海 缩和侧向的膨胀。但由于侧向受相邻岩体的， 其变形只能是零，则形成了岩块的侧向应力 、 。因此存在： ＝ 产 一 ＝ ｌ 式中， 为覆岩平均容重； 为岩层中开挖空 １２０ 孟娜，等煤矿开采沉陷的环境效应及其生态修复技术 ２０１１年第２期 间上覆岩层厚度； 为泊松比。 对于大多数岩石来说， 值通常在０．２—０．３之 间，即岩体内应力状态中，由于自重产生的水平应 力约为垂直应力的２５％～４３％，并且都是压应力。 假设岩块处于塑性状态，则有ｔｒｘ＝ｔｒｙ＝ｏ＇ｚ＝ＴＨ。通 常，地下岩体处于弹塑性状态。 由于岩层重力的作用或由地质构造形成的压 力造成岩石体积与形状的变化，岩石体积压缩而 聚集的弹性能为： 一 ’！ ＝ ２１ ± ２ 旦 ６（１－／．ｔ） Ｅ ： ６Ｇ（１— ） 式中，Ｅ为弹性模量；Ｇ为剪切弹性模量。 由上面两式可以看出随着开挖地层距地面深 度日的增加，处于弹性状态的岩层聚集的弹性能 将随日成平方关系增加。这种弹性能在一定的条 件下释放出来后，则会造成岩体的移动和变形。 地下矿藏的开采、地下工程的挖掘或含水层 的破坏均会在地下形成空间，从而改变地层岩体 内原有的自然应力场，应力将重新分布以达到平 衡。此时，在开挖空间四壁产生减压区，开挖空间 内部压应力消失，聚集的弹性能将释放出来，造成 岩石被压碎并向开挖空间内突出，同时，顶底板间 产生减压区，压应力为拉应力所代替，从而引起周 围岩石破碎，造成开挖空间附近地层移动与变形。 开挖空间上部顶板岩层在自重及其上重力作用 下，发生向下弯曲，地面列车的运行和振动也将加 剧这种移动，当岩体内部拉应力超过岩石强度极 限时，顶板岩层发生断裂、破碎和垮落。而开挖空 间底板岩层由于应力松弛出现隆起。在岩石破碎 而垮落的岩层带，坚硬岩层通常以岩梁或悬臂梁 的形式沿层面法线方向和沿层面方向移动。岩层 移动与变形过程中，存在着岩石垮落、突出、底板 隆起、离层、裂隙、沿层面滑移、弯曲等破坏形式。 这种岩层移动与变形过程到达地表后，通常在地 表形成一个比地下开挖空间大得多的下沉盆地， 造成沉降、倾斜变形、曲率变形、水平移动及水平 变形等。 ３开采沉陷防治技术 对于没有发生塌陷或塌陷幅度很小的采空 区，要合理选择采矿方法和工艺、合理布置开采工 作面、采取井下充填法、覆岩离层带空间充填等措 施，来减少地表下沉，控制地表下沉速度和范围， 达到保护地表和地面建、构筑物与耕地的目的；开 采沉陷破坏的恢复和整治，运用土地复垦技术和 建筑物抗采动变形技术，对开采沉陷破坏的土地 进行整治和利用。 对于已经出现大面积塌陷的矿区，应科学的 进行治理，充分利用其特点，进行生态修复，对于 小面积的塌陷，由于积水深，可以进行水产养殖， 对于局部塌陷，可以通过植被的栽培进行治理。对 于开采沉陷的预防和治理要利用先进技术，结合 正确的措施，来达到最大化减小其危害。其中 几大技术很常用：①充填采矿法需要专门的充填 设备和设施，还需要有充足的充填材料。矿井初期 投资大吨煤成本相应的增加，其中水沙充填是充 填采煤法中减少地表下沉效果最好的方法，其次 是风力充填和矸石自溜充填。②条带开采法，根据 煤层和上覆岩层组合条件，按一定的采留比，在被 开采的煤层中采出一条，保留一条。由于条带开采 仅是部分地采出地下煤炭资源，保留了一部分煤 炭以煤柱形支撑上覆岩层。从而减少覆岩移动，控 制地表的移动和变形，实现对地面建、构筑物的保 护。但该方法采出率低、巷道掘进多，工作面效率 低。③覆岩离层分区隔离充填技术，在分区隔离工 作面开采长度较大的情况下，既能保证关键层下 的离层盆地达到充分采动，同时又能保证覆岩关 键层不断失稳。关键层的破断距取决于其岩性、厚 度及载荷大小，一定条件下关键层的破断距是一 定的，关键层初次破断距大小决定了分区隔离的 工作面长，如在此工作面长条件下，该关键层下岩 层移动达不到充分采动，关键层下离层量较小，可 注浆量较少，则不适合采用此项技术。当覆岩存在 巨厚关键层时，则一般能同时满足关键层不破断 与下伏岩层达到充分采动，是覆岩离层分区隔离 注浆充填技术的理想条件。 ４生态修复技术 开采沉陷的修复技术应因地制宜，主要技术 有土地复垦技术、沉陷区植被恢复技术、沉陷区大 面积水体生态恢复与开发技术、桑基农业模式、旅 游娱乐模式、动态开发利用模式隅］。 ４．１土地复垦技术 主要根据其沉陷对土地的破坏程度和自然环 境条件，在生态适宜性分析的基础上开发、重建， 使之能作为合格的自然资源，再度具有生态经济 ２０１１年第２期 能源技术与管理 １２１ 价值，建成有利于当地环境、经济发展的人工生态 系统。 ４．２沉陷区植被恢复技术 为了在沉陷区加速植被恢复进程，提高保持 水土效益，应根据所选择植物种类的植物学特征、 生物学特性和当地的沉陷区地貌特点及水土保持 要求，对植物群落结构进行设计，并按照未来植物 群落层次结构各层优势度大小由上层到下层依次 确定最初植物种群组合，营造时应尽量采用林果 结合、牧草覆盖的垦植模式，实行“草木结合”、“高 矮搭配”、“长短结合”，对植物群落结构进行合理 配置和优化布局。 ４．３沉陷区大面积水体生态恢复与开发技术 一般的，采煤塌陷后极易生成大面积水体。有 些塌陷区沉降有序，塌陷水面深度适宜，水草丰 盛，水质优良，低栖、浮游生物数量大，是多种鱼类 生长的极佳场所，经过开发治理，发展科技含量 高、附加值高的特种水产业，具有得天独厚的优 势。再通过对塌陷区低产田、低产林、低产水等进 行综合开发，将大幅度提高经济效益。总而言之， 沉陷区大面积水体生态恢复技术主要采用生态开 发模式。 ４．４桑基农业模式 对于塌陷面积较大，塌陷较深，积水较多的塌 陷区域，可以效仿江南水乡基塘模式将塌陷区复 垦为鱼米之乡，发展高产值高效益农业。在离岸边 的最外层可种植耐深水的高秆植物。 ４．５旅游娱乐模式 对于那些塌陷面积较大，塌陷较深，积水较 多，且交通方便的塌陷区域，可兴建水上游乐园。 岸边建设一些配套服务设施，水上设置一些景点、 游艇及其它游乐设施，供城市居民节假休息日休 憩娱乐。 ４．６动态开发利用模式 对于未稳定塌陷区的大面积水体，对其开发 利用要从实际出发，统一规划，分片治理，分期开 发，综合利用。在治理过程中首先开沟筑坝，防止 洪涝侵袭，同时控制塌陷水位。实行坡地、浅水地 湿地和深水区域综合利用。深水区域以养鱼为主 兼顾蓄水灌溉。浅水带面积较大，构成防浪带，然 后再根据各种永生植物对水深的适应能力，依次 种植各种水生庄稼。 ５结论 开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接根 源，了解其形成的力学机理和防治技术是避免开 采沉陷环境灾害的基本途径。随着研究方法的增 多，研究的深人，其力学机理是由于开采地下矿 藏、地下工程的挖掘或含水层的破坏都会在地下 形成空间，改变了地层岩体内原有的自然应力场， 应力将重新分布以达到新状态。主要的防治措施 包括全部充填开采、条带开采、覆岩离层带充填、 限厚开采、协调开采、“采一注一采”三步法开采。 得出开采沉陷的生态修复可行性措施，主要有土 地复垦技术、沉陷区植被恢复技术、沉陷区大面积 水体生态恢复与开发技术、桑基农业模式、旅游娱 乐模式、动态开发利用模式，为煤矿环境治理提供 一些理论指导依据和技术指导。 ［参考文献］ ［１］孔改红，李富平．采煤沉陷区环境保护与治理研究［Ｊ］． 河北煤炭，２００６（１）：４—６ ［２］勒建明，吴侃，王卷乐．基于ＧＩＳ的矿山开采沉陷环境 影响评价探讨［Ｊ］．矿山测量，２００１（２）：１４—１６ ［３］张庆松，高延法，刘松玉，等．基于粗集与神经网络相 结合的岩移影响因素分析与开采沉陷预计方法研究 ［Ｊ］．煤炭学报，２００４，２９（１）：２２—２５ ｆ４］张安兵，高井祥，刘新侠，李喜盼．粗集与支持向量机 联合建模及在开采沉陷预计中的应用［Ｊ］．西安科技大 学学报，２００８，２８（４）：７０２－７０６ ［５］易四海，戴华阳，廉旭刚，毛云翔．顾及地表沉陷的矿 区地貌可视化实现方法［Ｊ］．湖南科技大学学报（自然 科学版），２００８，２３（４）：８１—８４ ［６］查剑锋，郭广礼，周振宇，赵海涛．开采沉陷环境评价 中区域内地表移动与变形极值自动统计［Ｊ］．煤炭工 程．２００７（８）：８１－８３ ［７］莫时雄，程峰，滕冲，等．开采沉陷模糊预测模型在金 属矿山中的应用［Ｊ］．有色金属（矿山部分），２００８，６０（６）： ５－１０ ［８］马彦卿．矿山土地复垦与生态恢复［Ｊ］．有色金属，１９９９ （３）：２３—２５ ［作者简介］ 孟娜（１９８７一），女，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向 为环境工程。 ［收稿日期：２０１０－１２－１３］
