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[關鍵詞]采空區 地面塌陷 概率積分法
[中圖分類號] P694 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2014）-8-273-1
有關采空區地面塌陷地質災害的問題研究，國內外主要是在煤炭、冶金和交通部門進行，對于英國波、前蘇聯、蘭和中國等國家，早在20世紀50年代就開始對“三下”采煤技術進行了詳細研究[1～3]。
在大量的地表移動觀測資料的基礎上，我國制定出了《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設與壓煤開采規程》[4]。
我國相關的分析方法有附加應力法、力平衡分析法、數值分析法、概率積分法[5、6]。
1工程概況
長嶺煤礦位于長春市雙陽區長嶺鄉前雙頂子村境內，距長春市區約50km。長嶺煤礦開采標高為120m至-60m，礦區開采面積為0.5504km2。礦區地處吉林省低山丘陵區，松遼平原東南部的邊緣，區內地形多為丘陵地貌。區域地表形態總體上為南低北高，最高地表高程為264m，最低地表高程為217m，相對高差一般20～30m。
長嶺煤礦礦區煤層主要覆存于中生界侏羅系上統二道梁子組，地層傾向南東，呈近于北東～南西向走向，淺部傾角約45°左右，深部延伸后傾角逐漸變緩，一傾角為25°～35°，最小為10°左右，為一套泥炭沼澤～淺湖相沉積，基本上可以劃分出上、下兩個巖性段：上部為砂巖，粉砂巖夾礫巖含煤段和下部為泥巖夾粉砂巖含煤段。
1.1現狀地面塌陷
現狀地面塌陷發育在礦區的西南部其東端位于礦區砂石道的西側，走向287°，長500m左右，寬3～5m，地面塌陷呈條帶狀形態，最大地面塌陷深度為40cm。
1.2預測地面塌陷及地裂縫分析
經計算得該煤礦的采厚比為34.6，當上組煤層聯合采出后，將會引起巖層移動并波及到地表，部分區域地表變形較嚴重，會形成較大的塌陷坑或地裂縫。
1.3地面塌陷影響范圍的預測
采用工程地質手冊中影響角正切tanβ公式來計算地面塌陷影響半徑計算求得影響半徑約為75m。
根據《建（構）筑物、鐵路和水體壓煤開采》規定與地表最大移動和變形值計算公式，求得最大下沉值為4.56m。
2METLAB計算參數選取及計算結果
為了METLAB運用軟件對全盆地移動和變形公式編程，計算地表變形值，給出計算工作面編號、下沉系數、主要影響角、水平移動系數、開采煤層埋深及厚度。
2.1計算工作面編號
全盆地移動和變形計算公式只適用于計算規則矩形采空區域，考慮到長嶺煤礦存在多個采空區，且采空區邊界形狀復雜，可將采空區分割簡化成多個矩形計算工作面。采空區的計算工作面與煤層號一致，計算工作面有1、2、3、4。
2.2下沉系數
下沉系數 是在地表移動和變形分析預測中的重要因素。根據“三下”開采規程中附錄4的內容得出：q=0.65
2.3主要影響角正切
參照“三下”開采規程中 的觀測站實測數據以及當地經驗取0.94。
2.4水平移動系數
反映了地表最大下沉值和最大水平移動值之間的比例稱為水平移動系數，本文選取 。
2.5計算結果
經過軟件計算后得到，礦區下沉值區間為5.889mm～4472.17mm，傾斜值區間為0.126mm/m～105.83mm/m，曲率值區間為-3.803×10-3/m～3.803×10-3/m，水平移動值區間為18.895mm～1742.01mm，水平變形值區間為-62.593mm/m ～62.593mm/m。
利用概率積分法和METLAB軟件計算的最大下沉值為4.47m。
3結論與建議
論文依據礦山實際情況和煤礦開采資料，對長嶺煤礦地質條件和采空區特征進行描述，運用概率積分法分析了地面塌陷區的特征，得出以下結論：
（1）長嶺煤礦的開采深度為280m，煤層的平均厚度為8.11m，按照平均采深采厚計算，該煤礦的采厚比為34.6。依據“三下”規程，從煤層采深與采厚比為34.6的特征來分析，該礦井繼續進行地下開采后，可能加劇現有地面塌陷和地裂縫。
（2）利用概率積分法和METLAB軟件計算的最大下沉值為4.47m，與依據“三下”規程計算所得出的4.56m僅相差0.09m，兩種計算結果僅相差2%，兩種分析方法所得結果基本符合。
（3）由于長嶺煤礦正處于生產階段，對于以破壞的耕地可采用地面塌陷坑及地裂縫回填的方法，繼續對土地進行耕種；而已被破壞的房屋建筑應采取搬遷避讓的措施，避免人員生命財產遭到損失。
（4）在長嶺煤礦閉坑后，可以采取注漿充填法或局部支撐覆巖法來對采空區進行治理，提高地表的穩定性；如遇土地資源緊張，需保障耕地及其他土地的使用時，可采取利用客土、腐殖土回填地面塌陷坑和地裂縫的方法，保障土地資源的使用。
參考文獻
[1]童立元，劉松玉，邱玨，方磊.高速公路下伏采空區問題國內外研究現狀及進展 [J].巖石力學與工程學報，2004，23，（7）：1198～1202.
[2]顏榮貴.地基開采沉陷及其他地表建筑[M.]1995.
[3]中國科學技術情報研究所.出國參觀考察報告-波蘭采空區地面建筑[M].北京：科學技術文獻出版社1979.
[4]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2006.
關鍵詞 礦區水土保持準入條件方案建議
中圖分類號：S157 文獻標識碼：A 文章編號：
隨著社會基礎建設投資力度不斷加大，市場對水泥產品的需求大幅上升，并帶動水泥原料市場的發展，且在城市化進程中，建筑石料的需求也會相應加大。長興縣某礦區水泥用灰巖礦開采的礦產品主要以水泥用灰巖供給湖州某水泥廠作原料的同時，其余不能作水泥原料的白云質灰巖夾石等進行加工破碎成各種規格石子，綜合利用供應外部市場。本礦山的建設對當地的水泥市場和開發建設有重要的意義，因此本項目的建設是非常必要的。同時，筆者從礦區的生態脆弱程度、水土保持功能重要性、環境破壞后的生態恢復可能性等方面，重點對礦區建設項目的水土保持準入條件進行研究，旨在為建筑石料的建設項目水土保持方案提供依據。
一、礦區工程建設特點
1．工程類型與建設規模
按開采方式，建筑石料資源開發主要是露天開采，與之配套的建筑石料加工工程。工程組成、占地與排棄特點是，露天礦區主要圍繞剝離、采建筑石料、運輸、建筑石料加工、巖土排棄等建設生產活動，形成采掘場、外排土場、地面生產系統、工業場地、給排水及供熱、地面防排水、地面運輸系統、供電及通訊、行政生活區等工程設施區。地面生產系統的建設內容包括工業場地與地面加工及輸送系統、供排水工程、運輸系統、生活基地、排矸場、供配電和供熱系統。
2．礦區工程建設與生產過程中的水土流失特點
露天礦區，因礦建工程和采石過程形成的采掘坑地面挖損區和由剝離物堆墊形成的巨大松散堆積體，徹底改變了原地面自然景觀，遇大風、暴雨和重力作用，極易造成土壤侵蝕，甚至誘發次生地質災害；地面土建工程，如場地平整、管溝開挖、各建筑物、道路及輸石棧橋、專用線等工程建設，大面積擾動地表、破壞植被，土石方挖填與調運，對土地資源和生態環境會產生較大負面影響，并降低原地表水土保持功能。采掘場、排土場面積很大，邊坡較陡，有可能發生坍塌或形成泥石流。疏干水大量外排，嚴重減少了當地的水資源，加速地面下沉、土地干旱化和荒漠化，區域生態環境趨于惡化。
采礦區因在地上與地下開拓，由于地下開采會產生地表沉陷、裂縫，從而引發滑坡、坍塌等地質災害，造成礦區及周邊區域水土資源的破壞；地下水疏干，造成礦區及附近地表河流、潛層地下水和地表植被變化，引起水資源短缺、土地沙化。在生產運行期間，巖土和矸石堆放，形成巨大松散堆積體，占壓和破壞土地，淋溶液也會對下游地表植被產生破壞，如不采取攔擋、防護和截排水措施，遇外部誘發營力，有可能發生滑坡、泥石流等地質災害。
3.項目水土保持準入條件
項目的基本準入條件。依據建筑石料行業發展規劃、國家政策與產業布局，以及國家和行業對于建筑石料工程發展的限制性規定，從保持水土角度，提出礦區工程項目的水土保持基本準入條件如下。
一是符合國家有關法律法規、城市建設發展規劃、礦產資源法和水資源消耗小的項目。二是符合國家發展規劃，開發的技術條件成熟，預期經濟效益較好的大、中型礦區工程項目。三是符合產業政策要求，礦區建設規模達到國家和地方規定最低規模的項目。四是合理掌握開采建筑石料的剝采比例。排除重大安全隱患的項目。
項目的限批條件為嚴格控制全國各大流域的重要生態保護區、水源涵養區、江河源頭、山地災害易發區的開發建設項目，堅持以預防為主、保護優先、維護生態安全的原則，提出礦區工程項目的限批條件如下。一是限制對生態環境有較大影響的礦產資源開發，在自然保護區和其他生態脆弱的地區，嚴格控制礦產資源勘查開發活動。二是限制在地質災害易發區開采礦產資源。三是嚴格控制在生態功能保護區內開采礦產資源。根據水土資源容量，對于同一建筑石料資源區，建設密度過大或者同期建設過多的項目。須修正完善后再報批水土保持方案的條件。通過對主體工程選址選線、施工方法與工藝、施工時序、施工道路與施工營地、工程占地、排水、控制水土流失和保證安全等方面的分析，歸納出需修正主體工程設計再報批水土保持方案的項目。要求和開發建設項目水土保持技術規范基本規定與特殊規定，同時滿足水土保持方案修正準入條件要求的方案。
4. 本方案設計深度、設計水平年及水土流失防治標準
方案設計深度為可行性研究深度，設計水平年取工程完工后第一年，即2019年。本項目水土流失防治標準執行建設類項目一級標準。至設計水平年，工程水土流失防治目標值：擾動土地整治率達到95％以上，水土流失總治理度達到92％以上，土壤流失控制比達到1.67，攔渣率達到98％以上，林草植被恢復率99％以上，林草覆蓋率達到27％以上。
二、長興縣某礦區主體工程水土保持分析評價結論
長興縣某礦山開采區占地類型為林地、工礦倉儲用地，以工礦倉儲用地為主。要求主體工程在礦山開采過程中，進一步對礦區進行詳細勘察，優化開拓系統及礦區平面布置，盡量減少對開采區周邊林地的占用。礦山開采各項條件較便利，礦山開拓運輸方式選擇采用公路開拓—汽車運輸方式，并剝離表土集中堆置用于開采平臺綠化覆土，有利于水土保持。
場地分區合理，工藝路線流暢，人流物流通暢，在附屬設施布置上充分利用已有設施，減少占地面積，節約用地，利于水土保持。礦區地表雨水進行有序處理，合理排放，符合水土保持要求。礦山開采過程中的水土保持臨時防護措施不完善，需在方案中進一步補充設計或明確說明。
綜上所述，長興縣某礦區主體工程設計的水土保持措施基本合理，從水土保持角度看，主體工程總體可行。但就整個礦區而言，主體工程只注重了本體防護，而對水土流失對周邊環境的影響面考慮的較少，不能形成有效的防護體系。因此，本方案在分析評價主體工程中具有水土保持功能工程的基礎上，需進一步補充增加水土保持措施設計，并將其一并納入方案的水土保持措施體系中，使方案水土保持措施形成一個完整、嚴密、科學的防護體系。
三、長興縣某礦區水土保持措施總體布局及主要工程量
本方案根據主體工程布局、施工擾動特點、建設時序、地貌特征、自然屬性、水土流失影響等進行防治分區劃分。本方案水土流失防治分區為4個區：Ⅰ區—礦山開采防治區；Ⅱ區—加工防治區；Ⅲ區—運輸道路防治區；Ⅳ區—臨時堆場防治區。各分區具體水土保持工程量匯總如下：
1．施工期
Ⅰ區—礦山開采防治區：防治責任范圍面積15.50hm2。工程措施：剝離表土2.27萬m3；臨時措施：道路排水溝1168m，簡易排水溝100m，沉沙池4座。
Ⅱ區—加工防治區：防治責任范圍面積1.61hm2。工程措施：永久排水溝558m，沉沙池2座、擋土坎60m；植物措施：撒播草籽0.13hm2；臨時措施：填土草包480m3，臨時排水溝490m。
Ⅲ區—運輸道路防治區：防治責任范圍面積0.14hm2。工程措施：道路排水溝189m，沉沙池2座，洗車沉淀池1座。
Ⅳ區—臨時堆場防治區：防治責任范圍面積0.98hm2。工程措施：截水溝140m；臨時措施：填土草包264m3，臨時排水溝270m，沉沙池1座，撒播草籽0.98hm2。
2．生產運行期
Ⅰ區—礦山開采防治區：防治責任范圍面積15.50hm2。工程措施：場地平整11.65hm2，綠化覆土5.82萬m3，平臺排水溝3433m，縱向排水溝160m，消力池9座，平臺擋土坎3433m，宕底擋土墻1072m，宕底排水溝1175m，沉沙池2座；植物措施：種植灌木27022株，撒播草籽11.65hm2，邊坡復綠8489株，撫育管理11.65hm2·a。
Ⅱ區—加工防治區：防治責任范圍面積1.61hm2。工程措施：場地平整1.42hm2，綠化覆土0.71hm2；植物措施：種植灌木3556株，撒播草籽1.42hm2，撫育管理1.42hm2·a。
Ⅳ區—臨時堆場防治區：防治責任范圍面積0.98hm2。工程措施：場地平整0.98hm2，綠化覆土0.49hm2；植物措施：種植灌木1792株，撒播草籽0.98hm2，撫育管理0.98hm2·a。
四、長興縣某礦區水土保持監測
本工程為建設類生產項目，監測時段從施工期開始至設計水平年結束，即從2013年3月至2018年2月，共60個月。水土保持監測范圍為工程水土流失防治責任范圍。
監測頻次：一般對于正在使用的臨時堆土場，以及正在實施的水土保持措施建設情況至少每10天監測一次；擾動地貌面積、水土保持工程措施擋攔效果等施工期每1個月監測一次；礦山開采進度、水土流失影響因子、水土保持植物措施生長情況等至少每季度監測一次。遇暴雨、大風等情況應及時加測。水土流失災害事件發生后1周內完成監測。
根據工程特征及現場踏勘調查，方案擬設2個固定監測點，分別是加工區、運輸公路區排水溝出口沉沙池各1處。
五、結論及建議
礦區內無國家級水土保持監測站點及試驗區，無崩塌滑坡危險區，從水土保持角度出發，對主體工程的建設無制約因素。
主體工程設計中充分考慮了主體工程安全問題，擋土墻、平臺排水溝等防護措施，既能夠保證主體工程的安全運營，同時也具有水土保持的功能。在對主體工程各項具有水土保持功能措施進行分析與評價的基礎上，本方案針對各個水土流失防治分區確定工程、植物及臨時防護等方面的新增水土保持措施，結合主體工程已有防護的措施，實施后可達到項目水土流失防治目標要求，不會形成大的水土流失危害，對周邊區域造成影響不大。
本方案各項防治措施實施后，可有效控制本礦區開采過程中新增的水土流失，改善礦區生態環境。因此，從水土保持角度考慮，在采取相應水土保持措施的前提下，礦山開采是基本可行的。
工程主體設計納入水土保持方案的內容應進一步細化設計，在工程施工過程中委托具有相應資質的機構，開展水土保持監理工作。在工程監理文件中落實水土保持工程監理的具體內容和要求，由監理單位控制水土保持工程的進度，質量和投資。在施工前，委托相應的資質機構開展工程建設期水土保持監測工作。在水土保持監測文件中落實水土保持監測的具體要求，由監測單位開展水土流失動態變化及防治效果的監測。
總之，長興縣某礦區主體工程設計的水土保持措施基本合理，從水土保持角度看，主體工程基本可行。主體工程設計中的平臺擋土坎、平臺排水溝、礦區平臺邊坡復綠等措施能達到水土保持要求。但就整個礦區而言，主體工程只注重了本體防護，而對水土流失對周邊環境的影響面考慮的較少，不能形成有效的防護體系。因此，本方案在分析評價主體工程中具有水土保持功能工程的基礎上，需進一步補充增加水土保持措施設計，并將其一并納入方案的水土保持措施體系中，使方案水土保持措施形成一個完整、嚴密、科學的防護體系。
參考文獻
1．水利部水土保持監測中心.中國水土流失與生態安全科學考察開發建設項目水土流失考察報告.北京:水利部水土保持監測中心.2007
2.姜德文.開發建設項目水土保持損益分析研究.北京:中國水利水電出版社，2008
