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摘 要：对地表沉陷变形特征:裂缝、塌陷、塌方、滑坡和挤压等不同形式的地表沉陷和变形规律进行了分析，研究了开采沉陷对生态环境的影响程度。
关键词：开采沉陷；生态环境；变形
1 矿山地表沉陷变形特征
地表沉陷变形的移动,根据采掘工作面的推进而呈动态连续变化。变形移动一般分为4个阶段:初时阶段、活跃阶段、衰退阶段和稳定阶段。每个阶段的延续时间和下沉速度与开采面积和上覆岩层厚度特性有关。采煤引起的沉陷变形,在垂直方向上同时也发生移动变形。开采引起的覆岩移动影响高度和范围,主要决定于煤层顶板特性、构造、煤层开采厚度、开采方法,以及上覆岩层的厚度和特性。一般可分为冒落带、裂隙导水带和沉陷带。冒落带、裂隙带的高度有一些经验公式可以计算。
现有调查和研究成果表明,煤矿在开采过程中,在采动范围内,沉陷变形主要有裂缝、塌陷、塌方、滑坡和挤压等不同形式。
(1) 裂缝
表裂缝有张性和压性两种,一般张性裂缝比较普遍,分布范围也广,在塌陷带平均每米有1条,如西山龙泉沟等。据野外调查与井上下对照,张性裂缝一般发生在推进工作面的前方和采空区边界,地表下沉边缘拉伸变形区,其特点,一般为“V”字形,开口大,愈往深愈小,与岩层层厚有密切关系。
(2)塌陷
当地表下沉或裂缝两侧有一定落差时称塌陷,也可以称为断裂和洼陷,或称台阶状裂缝。塌陷发生的具体位置一般在采区边界、大巷煤柱附近,特别在黄土冲沟和岩层峭壁地段容易发生。
(3)塌方
在断裂和冲沟形成的陡崖山区和岩层风化后形成的陡崖和沟谷地带,由于暴雨冲蚀、冰雪融化,地面建筑破坏土石基底,井下采空后裂缝容易发生塌方,其范围大小因上述条件不同而变化。如西山中谷咀,由于山高,沟低坡度大,发生大面积阶梯状塌方,高差达百米;小峪矿区王坪煤矿在断层附近,由于地貌反差大,塌方、塌陷和大型裂缝在同一段连续发生。
(4)滑坡
在地质构造和地貌复杂的山区,特别是黄土冲沟陡崖地段,由于地貌反差大、岩层风化剧烈,小断层和节理裂隙发育,在峭壁悬崖区,采矿工作面的前方,采空区边界,常有发生滑坡的可能,一般多在河沟卸压地带和断层陡坡附近出现。如官地矿在虎峡风井东,由于滑坡面积大,堵住沟底成为自然水库。
(5)挤压(或称压缩)
野外调查和岩移观测资料表明,在地貌变化很大和开采煤层上覆岩层厚薄不一的陡峭山区,或在丘陵平原区,在采区中心部位,或在河谷的卸压地带,常有挤压或压缩现象发生。如阳泉二矿由于沟底留有保安煤柱,拱桥顶部向上顶起成楔形,两侧向内挤压,拱形遭到破坏,该沟上游水坝,也遭到破坏。
2 沉陷对矿区生态环境的影响
煤炭开采对生态的影响主要有两个方面:①是煤矿生产排污对生态环境的影响,主要表现为废气、废水、废渣排放对生态的影响,即污染生态影响;②是煤炭开采引起陷对生态环境的直接破坏发育到地表的一种表现形式。在沉陷过程中,地表高度、坡度、水平位置发生变化。因此,对位于沉陷影响范围内的地下水、土地、植被、建(构)筑物等都将受到不同程度的影响。
(1)开采沉陷对土地资源的影响
采煤沉陷使地表变形,形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑,破坏了原有的地表形态。地表坡度的变化,使原有的径流发生改变,坡度大径流量大,引起的水土流失和土壤侵蚀也越严重。地表裂缝的产生,地表水与地下水向深部渗漏,使潜水位下降,导致土壤湿度减小,土地变得更加干燥。同时,土壤中的营养元素也会随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地,造成许多地方土壤养分短缺,土地承载力下降。另外,当沉陷深度超过该区地表潜水位时,土地受淹而常年积水,处于沉陷边坡区域的土地,易发生盐渍化,造成土地质量退化。
(2)开采沉陷对植物的影响
地表大面积塌陷,影响植物的生长发育,甚至造成绿色植物的大幅度的减少。土地塌陷对植物的影响情况与矿区的地形、地貌、地质、区域气候、地下潜水位高低等自然要素和采矿条件有关,可按地形、地貌和潜水位高低大致划分为4个影响区类:
高潜水位的平原矿区。通常高潜水位平原矿区地面沉陷后,地表会出现积水。位于常年积水区的土地不能耕种,绿色植物大幅度减少;位于季节性积水的土地会减少种植茬数或造成严重减产。
低潜水位的平原矿区。在潜水位较低的平原矿区,由于开采沉陷使地势变低和抬高潜水位,一方面在雨季很容易出现洪涝,使土地沼泽化;另一方面,在旱季潜水蒸发变得强烈,地下水易于携带盐分上升到地表,使土地盐碱化。土地出现沼泽化和盐碱化,使作物生长明显受到抑制,在一些重盐碱土上甚至寸草不生。在草原地带,由于潜水位上升影响牧草的生长发育,积水区会变成沼泽地,使牧草绝产。
丘陵矿区。在丘陵地区,当地下开采使地表上凸部分下沉时,将减小地面凸凹不平的程度,有利于植物生长;当地下开采使地表下凹部分下沉时,将增大地面的凸凹不平的程度,不利于植物生长;另外,在干旱的丘陵地区,如果地下开采引起地表裂缝发育,将使地表水易于流失,土壤变得更为干燥,亦会影响植物的生长。
山区矿区。在山区,开采沉陷对植物的影响情况主要与区域气候和地质条件有关。一般情况下,山区开采沉陷对植物影响不大。但在某些干旱的山区,由于开采沉陷引起的地表裂缝、台阶、塌陷坑、滑坡等破坏形式,地表水流失严重,土壤微气候变得更为干燥,土地更容易被风、水等侵蚀,也严重影响植物生长,造成农作物减产。
(3)开采沉陷对水资源的影响
一方面由于开采沉陷,地表出现下沉、裂缝、塌陷坑等破坏形式,这些破坏在一定程度上改变了地面降水的径流与汇水条件,使地表水通过裂缝渗入地下,引起河流水系的流量减少,严重时地表水系甚至出现断流现象;另一方面沉陷过程中,煤系上覆岩层受到破坏,岩层裂隙增多,煤系上覆岩层的含水层在水位和流向上受到干扰,地下水沿着发育的裂隙加速向采空区或深部岩体渗漏,使水位降低,严重时导致地下水疏干,井泉干涸。由于水源的破坏,直接影响到矿区工农业生产用水和居民生活用水。
(4)开采沉陷对地表建(构)筑物的影响
沉陷对地表建(构)筑物的影响,一般有以下几种情况:
地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动,一般对建筑物影响不大,但当下沉量很大而地下潜水位又很高时,由于沉陷后盆地积水很深,排水困难,将使建筑物长期浸泡在水中而导致破坏;地表倾斜使采动影响范围内的建(构)筑物产生歪斜,会使管道、公路和铁路的坡度改变。道路坡度的变化使车辆的运行阻力增大或减小,以致交通事故增加;地表曲率变化破坏建筑物基础;水平变形使建筑物表面产生裂缝,使地下管道被拉断,公路路面开裂,铁路的轨距和轨缝等发生变化。
除以上影响之外,开采沉陷有可能对野生动物也产生一定影响。这是因为野生动物的生长繁殖要有适宜的环境条件,由于开采沉陷使矿区的自然景觀发生剧变,影响绿色植物的生长发育,改变了动物的栖息环境,因而,使一些野生动物由于不适应环境的变化或由于缺少食物而死亡或迁移。一般说来,开采沉陷会导致矿区原有野生动物的种群和数量下降。
3 结语
矿山开采沉陷对矿区环境造成的影响是极为严重的，如果不进行防治，沉陷将对矿区环境造成不可逆转的破坏。因此,针对矿山开采沉陷可能给矿区环境带来的危害，正确处理环境保护与煤炭开采之间的关系,积极采用新技术、新方法使之相互协调,相互促进,真正实现经济效益和社会效益的和谐统一。
参考文献
[1]毛文永.生态环境影响评价概论.北京:中国环境科学出版社,2003
[2]郝永新.论煤矿建设项目的生态影响评价.地质灾害与环境保护,2005,16(3)
[3]董文福,管东生.浅论非污染生态影响评价.环境科学动态,2003,(1)
[4]张国良.矿区环境与土地复垦.徐州:中国矿业大学出版社,2003
[5]范英宏,陆兆华,程建龙,等.中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术.生态学报,2003,23(10)
关键词：开采沉陷；生态环境；变形
1 矿山地表沉陷变形特征
地表沉陷变形的移动,根据采掘工作面的推进而呈动态连续变化。变形移动一般分为4个阶段:初时阶段、活跃阶段、衰退阶段和稳定阶段。每个阶段的延续时间和下沉速度与开采面积和上覆岩层厚度特性有关。采煤引起的沉陷变形,在垂直方向上同时也发生移动变形。开采引起的覆岩移动影响高度和范围,主要决定于煤层顶板特性、构造、煤层开采厚度、开采方法,以及上覆岩层的厚度和特性。一般可分为冒落带、裂隙导水带和沉陷带。冒落带、裂隙带的高度有一些经验公式可以计算。
现有调查和研究成果表明,煤矿在开采过程中,在采动范围内,沉陷变形主要有裂缝、塌陷、塌方、滑坡和挤压等不同形式。
(1) 裂缝
表裂缝有张性和压性两种,一般张性裂缝比较普遍,分布范围也广,在塌陷带平均每米有1条,如西山龙泉沟等。据野外调查与井上下对照,张性裂缝一般发生在推进工作面的前方和采空区边界,地表下沉边缘拉伸变形区,其特点,一般为“V”字形,开口大,愈往深愈小,与岩层层厚有密切关系。
(2)塌陷
当地表下沉或裂缝两侧有一定落差时称塌陷,也可以称为断裂和洼陷,或称台阶状裂缝。塌陷发生的具体位置一般在采区边界、大巷煤柱附近,特别在黄土冲沟和岩层峭壁地段容易发生。
(3)塌方
在断裂和冲沟形成的陡崖山区和岩层风化后形成的陡崖和沟谷地带,由于暴雨冲蚀、冰雪融化,地面建筑破坏土石基底,井下采空后裂缝容易发生塌方,其范围大小因上述条件不同而变化。如西山中谷咀,由于山高,沟低坡度大,发生大面积阶梯状塌方,高差达百米;小峪矿区王坪煤矿在断层附近,由于地貌反差大,塌方、塌陷和大型裂缝在同一段连续发生。
(4)滑坡
在地质构造和地貌复杂的山区,特别是黄土冲沟陡崖地段,由于地貌反差大、岩层风化剧烈,小断层和节理裂隙发育,在峭壁悬崖区,采矿工作面的前方,采空区边界,常有发生滑坡的可能,一般多在河沟卸压地带和断层陡坡附近出现。如官地矿在虎峡风井东,由于滑坡面积大,堵住沟底成为自然水库。
(5)挤压(或称压缩)
野外调查和岩移观测资料表明,在地貌变化很大和开采煤层上覆岩层厚薄不一的陡峭山区,或在丘陵平原区,在采区中心部位,或在河谷的卸压地带,常有挤压或压缩现象发生。如阳泉二矿由于沟底留有保安煤柱,拱桥顶部向上顶起成楔形,两侧向内挤压,拱形遭到破坏,该沟上游水坝,也遭到破坏。
2 沉陷对矿区生态环境的影响
煤炭开采对生态的影响主要有两个方面:①是煤矿生产排污对生态环境的影响,主要表现为废气、废水、废渣排放对生态的影响,即污染生态影响;②是煤炭开采引起陷对生态环境的直接破坏发育到地表的一种表现形式。在沉陷过程中,地表高度、坡度、水平位置发生变化。因此,对位于沉陷影响范围内的地下水、土地、植被、建(构)筑物等都将受到不同程度的影响。
(1)开采沉陷对土地资源的影响
采煤沉陷使地表变形,形成地表移动盆地，产生地裂缝和塌陷坑,破坏了原有的地表形态。地表坡度的变化,使原有的径流发生改变,坡度大径流量大,引起的水土流失和土壤侵蚀也越严重。地表裂缝的产生,地表水与地下水向深部渗漏,使潜水位下降,导致土壤湿度减小,土地变得更加干燥。同时,土壤中的营养元素也会随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地,造成许多地方土壤养分短缺,土地承载力下降。另外,当沉陷深度超过该区地表潜水位时,土地受淹而常年积水,处于沉陷边坡区域的土地,易发生盐渍化,造成土地质量退化。
(2)开采沉陷对植物的影响
地表大面积塌陷,影响植物的生长发育,甚至造成绿色植物的大幅度的减少。土地塌陷对植物的影响情况与矿区的地形、地貌、地质、区域气候、地下潜水位高低等自然要素和采矿条件有关,可按地形、地貌和潜水位高低大致划分为4个影响区类:
高潜水位的平原矿区。通常高潜水位平原矿区地面沉陷后,地表会出现积水。位于常年积水区的土地不能耕种,绿色植物大幅度减少;位于季节性积水的土地会减少种植茬数或造成严重减产。
低潜水位的平原矿区。在潜水位较低的平原矿区,由于开采沉陷使地势变低和抬高潜水位,一方面在雨季很容易出现洪涝,使土地沼泽化;另一方面,在旱季潜水蒸发变得强烈,地下水易于携带盐分上升到地表,使土地盐碱化。土地出现沼泽化和盐碱化,使作物生长明显受到抑制,在一些重盐碱土上甚至寸草不生。在草原地带,由于潜水位上升影响牧草的生长发育,积水区会变成沼泽地,使牧草绝产。
丘陵矿区。在丘陵地区,当地下开采使地表上凸部分下沉时,将减小地面凸凹不平的程度,有利于植物生长;当地下开采使地表下凹部分下沉时,将增大地面的凸凹不平的程度,不利于植物生长;另外,在干旱的丘陵地区,如果地下开采引起地表裂缝发育,将使地表水易于流失,土壤变得更为干燥,亦会影响植物的生长。
山区矿区。在山区,开采沉陷对植物的影响情况主要与区域气候和地质条件有关。一般情况下,山区开采沉陷对植物影响不大。但在某些干旱的山区,由于开采沉陷引起的地表裂缝、台阶、塌陷坑、滑坡等破坏形式,地表水流失严重,土壤微气候变得更为干燥,土地更容易被风、水等侵蚀,也严重影响植物生长,造成农作物减产。
(3)开采沉陷对水资源的影响
一方面由于开采沉陷,地表出现下沉、裂缝、塌陷坑等破坏形式,这些破坏在一定程度上改变了地面降水的径流与汇水条件,使地表水通过裂缝渗入地下,引起河流水系的流量减少,严重时地表水系甚至出现断流现象;另一方面沉陷过程中,煤系上覆岩层受到破坏,岩层裂隙增多,煤系上覆岩层的含水层在水位和流向上受到干扰,地下水沿着发育的裂隙加速向采空区或深部岩体渗漏,使水位降低,严重时导致地下水疏干,井泉干涸。由于水源的破坏,直接影响到矿区工农业生产用水和居民生活用水。
(4)开采沉陷对地表建(构)筑物的影响
沉陷对地表建(构)筑物的影响,一般有以下几种情况:
地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动,一般对建筑物影响不大,但当下沉量很大而地下潜水位又很高时,由于沉陷后盆地积水很深,排水困难,将使建筑物长期浸泡在水中而导致破坏;地表倾斜使采动影响范围内的建(构)筑物产生歪斜,会使管道、公路和铁路的坡度改变。道路坡度的变化使车辆的运行阻力增大或减小,以致交通事故增加;地表曲率变化破坏建筑物基础;水平变形使建筑物表面产生裂缝,使地下管道被拉断,公路路面开裂,铁路的轨距和轨缝等发生变化。
除以上影响之外,开采沉陷有可能对野生动物也产生一定影响。这是因为野生动物的生长繁殖要有适宜的环境条件,由于开采沉陷使矿区的自然景觀发生剧变,影响绿色植物的生长发育,改变了动物的栖息环境,因而,使一些野生动物由于不适应环境的变化或由于缺少食物而死亡或迁移。一般说来,开采沉陷会导致矿区原有野生动物的种群和数量下降。
3 结语
矿山开采沉陷对矿区环境造成的影响是极为严重的，如果不进行防治，沉陷将对矿区环境造成不可逆转的破坏。因此,针对矿山开采沉陷可能给矿区环境带来的危害，正确处理环境保护与煤炭开采之间的关系,积极采用新技术、新方法使之相互协调,相互促进,真正实现经济效益和社会效益的和谐统一。
参考文献
[1]毛文永.生态环境影响评价概论.北京:中国环境科学出版社,2003
[2]郝永新.论煤矿建设项目的生态影响评价.地质灾害与环境保护,2005,16(3)
[3]董文福,管东生.浅论非污染生态影响评价.环境科学动态,2003,(1)
[4]张国良.矿区环境与土地复垦.徐州:中国矿业大学出版社,2003
[5]范英宏,陆兆华,程建龙,等.中国煤矿区主要生态环境问题及生态重建技术.生态学报,2003,23(10)