矿山地面塌陷与复垦
地表沉陷和塌陷的范围一般大于采空区的面积。当采空区呈矩形时，沉陷盆地大致呈椭圆形(图5-4)。椭圆盆地的范围与煤层走向方向的运动角δ和倾斜方向的运动角β、γ有关。
不同倾角α煤层的下沉和垮落是不同的。煤层上覆岩层的物理力学性质对地表沉陷影响很大。在煤层倾角相同的情况下，移动角随着岩石强度的增大而增大。一般情况下，基岩运动角为50° ~ 90°，表土运动角为45° ~ 55°。因此，覆盖层越硬，地表下沉幅度越大。根据上覆岩层特征，移动角度值见表5-3。利用表5-3中的数据和所研究矿井的实际相关数据，可采用常规作图法预测相应煤层开采后的地表沉陷范围。根据陕西韩城象山煤矿实测资料分析，当采空区为2ha时(即100m长工作面推进200m时)，地表移动活跃，绝大部分塌陷裂缝发生在此时。统计表明，地面塌陷面积与地下采煤面积的平均比值为1.2，塌陷量与开采量的平均比值为0.6 ~ 0.7。对于缓倾斜煤层，地表最大下沉深度一般为采煤总厚度的70%(表5-3)。
图5-4地下采煤地面沉降示意图
a-倾斜煤层；b-急倾斜煤层
1-沉陷区；2—破碎带；3-移动区域；4-采空区；5—采空区水平投影面；6-移动边界线
表5-3不同硬度上覆岩石的移动角度
5.4.3.2开采沉陷指数
开采沉陷引起的地表沉陷区的面积和深度与煤层产状、开采深度、采空区治理方法有关。塌陷破碎带面积与开采规模呈正相关。例如，在地下采煤中，人们习惯用万吨煤地面塌陷的土地面积(ha)作为反映地表形态破坏程度的指标，通常称为塌陷指数或塌陷率，在一定程度上反映了煤炭开采量与塌陷占地的相关性。所有矿区和区域都有其平均值。如1996和2000年，陕西煤矿塌陷指数为0.258和0.237，甘肃为0.236和0.5438+0；宁夏为0.378和0.368，新疆为0.146和0.160，青海为0.178和0.188。
经验表明，煤层开采边界外推0.5倍开采深度即可确定煤矿塌陷影响边界值。当开采深度H=500m时，塌陷影响边界值约为250m，沉陷面积约为煤层开采面积的1.2倍，最大沉陷值为煤层开采厚度的70% ~ 80%。
1995至2003年，陕西185煤田地质勘探队、神府煤炭勘测设计分院、煤炭科学研究院唐山分院等单位在陕西、内蒙古神东矿区大柳塔矿1203工作面、补连塔矿22165438工作面，在余家梁矿45101工作面和孙家沟矿88101工作面设置了观测站，对井下采煤地表沉陷进行了现场观测。测量(计算)值如表5-4所示。利用移动变形分布函数表(表5-5)，计算出走向正截面上的移动变形预测值(表5-6)，并根据表5-6(图5-5)中的相关参数值做出矿区地表移动变形曲线。
地表移动和岩层移动的过程受地质和煤矿开采条件的影响。通过各矿井工作面的观测数据和综合数据(表5-4)，可以预测地表移动和变形的主要参数。预算步骤:
表5-4神东矿区开采塌陷实测(计算)值
(1)确定估计参数:
拐点偏移量So=30m，
主要影响半径
(2)预计最大移动和变形值:
最大下沉值wo = mqcosα= 3.7×1000×0.6×cos 2.5 = 2255(mm)；
最大倾斜值；
最大曲率值；
最大水平位移uo = bwo = 0.27×2255 = 609(mm)；
最大水平变形值
(3)主断面上的预计移动变形值:X轴的原点选在距工作面实际边界30m处的O点(由于So为正，应在采空区方向测量)并指向采空区(图5-5)。预计算应采用移动变形分布函数值表(表5-5)，预计算方法及结果见表5-6。根据表5-6的数据，绘制了神东矿区地表移动变形预测曲线，如图5-5所示。
图5-5神东矿区地表移动变形预测曲线
1-下沉曲线；2—倾斜曲线；3—曲率曲线；4-水平运动曲线；5—水平变形曲线
a --实际煤壁位置；b——计算中使用的假想煤壁位置；ABC——下沉前的原始位置；Ab1c1 ——顶板下沉后的实际位置；d-拐点；So-offset
表5-5地表下沉运动及变形分布函数表
注意:当值为“+”时，a()取上一行的编号，a”()取符号“”；当值为“”时，a()取下一行的编号，a”()取“+”号。
表5-6走向正截面移动变形预测值
5.4.3.3的地面塌陷和地裂缝
5.4.3.3.1工作面超前影响
工作面推进过程中的主导影响可以用走向剖面图来说明(图5-6)。工作面从开切眼推进到A点一定距离后，岩层移动开始向地表传播，称为起始距离。当观测地表点下沉距离达到10 mm时，地表开始下沉，开始距离主要与顶板岩性和采空区有关。一般工作面推进(0.2 ~ 0.3) H0。若按面积计算，大柳塔矿1203工作面起始距离在10 ~ 13m之间，故确定起始距离为0.2H0。
图5-6工作面推进过程中的超前影响
当工作面推进到B点时，得到下沉曲线W1，工作面前方1点开始因采动下沉，而当推进距离约为1.4H0，即85m(C点)时，得到下沉曲线W2，地表开始因采动下沉。在工作面推进过程中，前方地表受采动影响而下沉，称为超前影响。L1，L2和L3是主要影响距离。ω1，ω2，ω3为超前影响角，于家梁矿超前影响角为79°，等于工作面开采结束，地表移动稳定时的边界角δ0(64°)。神东矿区综合超前影响距离l = h0 ctgδo = 130 ctg 1 = 72m。
地表移动盆地
实际观测表明，当采空区长度D2和宽度D1达到或超过(1.2 ~ 1.4) H0 (H0为平均开采深度)时，地表即可充分开采(地表移动盆地出现平底)。神东矿区D2/H0=15.7，D1/H0=1.51，地表可充分开采。
开采末期地表移动盆地如图5-7所示，神东矿区移动盆地分为三个边界:①以边界角61(以地表下沉10mm的点为分界点)圈定的最外边界，即ACBD；在图中；(2)危险移动边界是以盆地内地面移动和变形是否对建筑物造成危害来划分的边界，是否对建筑物造成危害的标准以临界变形值来衡量。目前我们采用了一组临界变形值11，倾斜变形i≤3mm，水平变形ε≤2mm，曲率k≤0.2mm/m2。基于这个指标，在圈定的范围之外，是地表移动和变形没有造成明显破坏的地带，在圈定的范围之内，是地表移动和变形对建筑物产生有害影响的地带。神东矿区该带以75°运动角圈定，如图A ' C ' B ' D③移动盆地的断裂边界，神东矿区以79°的断裂角度圈定，如图A "c" b "d所示，显然ACBD地区> A "c" b "d地区> A" c "b" d "地区，我们称A" b "c" d "地区为矿区的地表沉陷区，包括断裂发育。移盆长轴应为工作面长度加上超前影响距离l = h0ctgδ = 130ctg75 = 35m，则明挖煤柱侧上方地表移动距离为55-30=25m(图5-7)，即2044+35+25=2104m，即垮落。
图5-7神东煤矿区地表移动盆地边界示意图
地裂缝
神东矿区煤层覆岩主要为钙质胶结的砂岩。砂岩抗压强度为22 ~ 48 MPa(厚度加权平均抗压强度为42MPa)。煤层抗压强度低，遇水易泥化、软化、风化。覆岩中形成冒落带、破碎带和弯曲带，但地表缓慢持续变形。但如果开采深度较小时，冒落带和破碎带可直接到达地表，地表是不连续变形的。例如，大柳塔矿实际采高m=3.5m，采深H0=61m，H0/m=17。根据相关资料，一般情况下，软弱岩层形成的冒落破碎带高度为采高的9 ~ 12倍，中硬岩层为采高的12 ~ 18倍，1203工作面顶板属于中硬岩层。如果冒落破碎带高度为采高的18倍，则为18倍。冒落带上方为弯曲带，弯曲带内的岩层在水平方向上处于双向压缩状态，具有良好的密实度和防水性。弯曲带高度主要受开采深度的影响。当开采深度很大时，弯曲带的高度可以大大超过冒落带的高度。此时采动形成的裂隙不会到达地表，地表移动变形相对较慢。有时，表面可能会出现一些裂纹(由表面的拉伸变形引起)，但这些裂纹有大有小。当它们到达一定深度(< 5 m)时，通常会自行闭合消失，通常不与地下裂缝沟通。其他三个矿井的地表裂缝就是这种情况。但由于松散砂层的湿陷性，这种断裂破坏带受到雨水侵蚀后会再次坍塌。压实这种裂缝可以防止再次坍塌。
表5-7采煤工作面及地表沉陷面积和万吨煤地表沉陷面积
注:①煤体密度为1.35t/m3，工作面回采率为64.4%(大柳塔12032工作面数值)，但采煤工作面回采率为65% ~ 94%，平均为88%。
(2)即万吨煤公顷地表沉陷量。
(3)根据神木县地质灾害调查资料，截止2001年底，大柳塔矿井煤炭3676×104t，地面塌陷7700872m2，即万吨煤塌陷指数为0.21ha，与全国平均水平0.2ha持平。
④根据神木县地质灾害调查资料，2001年末，余家梁矿煤炭500×104t，地面塌陷552000m2，即万吨煤塌陷指数为0.11ha，比全国平均水平0.2ha低45%。
综上所述，可以看出:
(1)从表5-6和图5-8可以看出，地表最大倾角(x=0)的倾角值i(0)为41mm/m，沉降值W(0)=1128mm，即最大沉降值WO = 2228。当x < 0，k (x) > 0时，下沉曲线是凸的；当x > 0，k (x) < 0时，下沉曲线为凹曲线，倾角最大的曲面点(即x=0的曲面点)为下沉曲线由凸变凹的转折点，该点的曲率值为0，称为下沉曲线的拐点(D点)。
(2)地表主要移动变形值均发生在x =-γ ~+γ范围内，称为主影响半径，与采深H0的切线tgβ和主影响角β有关，矿区地表平均主影响半径为55m。
(3)不考虑顶板的悬臂效应，下沉曲线的拐点在实际煤壁A的正上方，但顶板的悬臂效应是存在的，拐点D在假想的煤壁B的正上方，所以实际上也是悬臂效应引起的拐点偏移量，称为拐点偏移量。矿区地表移动的平均拐点偏移量为30m，假想煤壁为采空区的计算边界。
(4)神东矿区三个实测工作面万吨产量地面塌陷面积为0.35~0.42ha，矿区平均值为0.387ha，几乎是全国万吨产煤量平均值0.2ha的1倍，主要是工作面开采深度小，煤层开采厚度大。
(5)根据神东矿区开采参数和松散层、基岩移动角度值，设置5×100m2和5×320m2两个地表保护区，并留设相应的保护煤柱。据估算，前者的煤炭压力为16×104t，后者的煤炭压力为24.8×104t，造成了煤炭资源的大量浪费。因此，对于一般村落聚落和耕地是否留设煤柱进行保护，或者重新安置部分人口并征用相关土地，需要进行全面的技术经济分析。
5.4.3.4矿区废弃土地的复垦
采矿过程中产生大量废渣、废石，排放压力占用大量土地。废水排放和废渣粉尘污染了土地，也严重损害了周围土地的经济价值，严重时会失去耕地的功能。因此，为了保护环境和土地价值，需要在生产过程中尽可能地恢复和控制被破坏和占用的土地，以消除污染危害。矿山关闭后，废弃土地将得到充分恢复，恢复其使用价值，重新用作农、林、牧、渔业、旅游或工业、城乡建设用地。
损毁土地复垦是指通过采取工程措施或生物措施，将矿山建设和开采过程中因开挖、占用、塌陷等破坏的各类废弃土地恢复到可利用状态的活动。广义而言，矿山土地复垦是采矿工程的延续和组成部分。最佳复垦方式是与采矿技术紧密配合，统一规划，协调一致，既满足生产需要，又满足复垦需要，从而达到矿产资源开发和环境保护的双赢目标。土地复垦已成为土地开发利用活动的重要组成部分，是土地资源可持续利用、缓解人地矛盾、改善生态环境的重要措施。
根据采矿方法、矿区地形和气候条件，因地制宜选择适合本矿区的土地复垦方式。根据矿山土地复垦的不同对象，主要有塌陷区复垦、废渣堆场复垦、露天采场复垦、尾矿库复垦等。根据复垦的主要用途，有农业复垦、林业复垦、建设用地复垦、休闲复垦等。
5.4.3.4.1塌陷区复垦
矿区地面沉降和地裂缝破坏了地面大量良田、村落和建筑物，导致矿区生态环境恶化。矿山企业与受影响居民的矛盾越来越严重，成为社会不稳定因素之一。合理控制矿区的沉陷和地裂缝面积是一项重要任务。由于采煤塌陷地土地资源配置不合理、采煤塌陷地权属不清、复垦政策和管理机制不完善、复垦资金渠道不落实、复垦理论远远滞后于实践等原因，采煤塌陷地复垦困难重重。由于地下开采引起的塌陷区地形、水文气象等条件不同，土地破坏程度和复垦方法也不同。对于山区、丘陵地区，只要把当地的塌陷漏斗或塌陷坑、裂缝填平，就可以恢复原来的地形地貌。对于平原地区，如果地下水位低，降雨少，塌陷区常年不会积水，复垦时只需回填铺垫表土即可种植或作他用。如果地下水位高或降雨量大，塌陷区常年积水，需要清除积水或整治水面及周边环境，进行养殖和观光。
通过矿山充填系统，用地面矸石山和洗煤厂排出的矸石进行风充填和水力充填来回填采空区，既能减少岩层和地表的移动，又能减少地表沉陷，消耗大量矸石，减少地面污染，还能起到防止煤层自燃的作用。德国、苏联、捷克等国普遍采用这种方法，焦作矿务局也采用这种方法回填采空区，取得了良好的效果。
图5-8煤矿区土地复垦鱼骨图
我国地面沉降裂缝的治理主要是通过塌陷区的开发利用和综合治理来实现的。从20世纪80年代初开始，有计划地对塌陷和裂缝区进行复垦，淮北、淮南、徐州、大屯、平顶山等煤矿区取得了一定的成绩和经验，提出了许多综合治理模式(图5-8)。徐州庞庄煤矿在塌陷区矸石地基上分层充填、分层振动压缩建造了627栋一、二层农村房屋，总面积6.9×104m2，受地下两层煤和四个工作面开采影响，无房屋损失。综合防治措施包括:①煤矸石、粉煤灰充填；(2)土壤改良；③剥离复垦；④塌陷土地的综合利用；(5)生态养殖控制沉陷，如图5-9所示。固体废弃物作为充填材料具有填埋废弃物和复垦塌陷区的双重效益。如淮北戴河煤矿对沉陷深度5m的沉陷区充填矸石地基进行强夯处理后，建成了工会、幼儿园、矿业中学等四层建筑1650m2。而煤矸石、粉煤灰一般只占回填塌陷区总面积的20%，因此需要采用不回填的方法对部分塌陷区进行复垦。无填料围垦主要采用深挖浅垫的方法对沉陷区进行综合治理，将沉陷盆地底部挖成能蓄水养鱼的深水池塘，使其同时具备蓄洪和灌溉功能，周围的坡地可改造成水平梯田。西北大部分地区属于黄土高原和丘陵地区，塌陷后地形无明显变化。如果被破坏的土地需要耕种，只需填平当地的漏斗状塌陷坑和地裂缝即可。
在与陕西省内蒙古接壤的神东矿区，已经建立了五个垃圾处理厂，集中处理煤矸石。采用分层排放、填沟造地，覆盖黄土。平整后种树种草，把矸石山变成绿地。宁夏煤矿区通过资料收集、调查采访、地面物探、钻探等方式，摸清了历史至今的采空区范围，进行稳定性分析和跟踪观测，掌握了地面塌陷及其发生规律，对其发生面积、范围、深度、时间、速度进行了认真研究分析，并提出了预测。对于要求尽可能减少地面沉降的地区，采用条带开采、房柱式开采等采矿方法，也可采用钻孔离层注浆、矸石回填等方法充填采空区，避免或减少上覆岩层沉降。对于已经塌陷的区域，可以利用煤矸石、电厂粉煤灰和少量生活垃圾进行回填，进行生态环境修复和农业土地复垦，在局部水域养鱼，还可以修建景区进行治理。如宁夏石嘴山利用现有煤矸石，通过平翻填充塌陷区，创造了一批绿化和建设用地。
5.4.3.4.2排渣场复垦
矿山废土、矿渣、废石排放占用大量土地，本身就是矿区的重要污染源，污染大气和水体，还会引发滑坡、泥石流等地质灾害。排土场复垦是指对排土场进行改造，恢复土地、植被，控制或消除排土场对周围环境的污染。排土场的设计应考虑未来的复垦工作，在岩石剥离时，表土和废石应分别收集和堆放。根据排土场的位置、形状、废石性质和水文气象条件，因地制宜地确定复垦方案。
露天矿区的复垦
露天开采初期，应考虑矿区未来的复垦，将矿床上方肥沃的表土剥离单独堆放，尽可能保持原有的土壤结构。回填采空区时，在矿底放置大块废石或有害岩土，在地表铺设原表土，或覆盖适宜耕种的新土，平整后选择适宜植物种植或其他用途。
控制露天开采土地破坏的有效措施之一是把土地复垦作为整个露天开采技术中的一个环节。比如，我国建材601金刚砂矿的开采顺序是:表土剥离-表土储存-开采-选矿-尾矿返还和充填采空区-表土摊铺-平整和修建通道，然后交给农民施肥种植。开采、剥离和复垦方法如图5-9所示。
图5-9采矿、剥离和回收方法示意图
1—覆盖层桩；2—含矿层；3-农田已经恢复；4-回填废石；5—红色砂岩
复垦作业是将废石和覆土送入内排土场(采空区)，尽量与开采前的地面标高一致，特别是地表种植土要保持原有的土壤结构，能够种植农作物。原来矿上只开采不复垦。开采后，矿区成为没有良田的三山(表土山、矸石山、尾矿库)两塘(水塘、尾矿库)地区，造成工农关系紧张。如果不进行复垦，该矿就无法继续生产。复垦初期只进行堆山填坑和搬土，效益差，成本高(3万元/公顷)。采用采填结合的复垦方式后，成本降至0.45万元/公顷，效益提高。
与晋陕蒙接壤的准格尔煤田位于干旱的黄土高原。矿区水土流失严重，地表破碎，植被稀疏。在矿区倒酸沟进行了综合治理工程试验。大蒜沟原是天然的冲刷沟，最初的剥离通过露天采煤填充在这条沟里，形成梯形的台阶区。道酸沟排土场总排土量为75.28×104m3，排土平台总面积为2×104m2，四个边坡总面积为1×104m2。
神东矿区马家塔露天煤矿复垦建设的新思路是治理与管理相互促进，和谐发展。复垦采用剥离回填采煤法，分层回填，底部为废石、生土，顶部为表土。回填后，填海面积为113.33×104m2。1999秋，在垦区20ha土地上种植0.2m赤泥，分别种植蔬菜、玉米、马铃薯、向日葵、荞麦和优质牧草，长势良好，成效显著。同时利用氧化塘处理后的污水作为水源。针对复垦区土壤持水能力差的特点，在复垦区充分布设灌溉管网，采用固定式或移动式喷灌，持续有效改善土壤和近地表空气湿度，解决复垦绿化中的干旱约束问题。目前，马家塔垦区已经形成了治理与管理相互促进、协调发展的格局。绿化覆盖率达到80%，比开采前提高了15.8倍。共种植牧草46.7公顷，灌木6.5438亿多株，树木2万株。被水利部评为全国生态建设示范基地，被内蒙古自治区旅游局评为AA级旅游区。一个新的现代人工生态公园已基本形成。
尾矿库的复垦
尾矿库停止使用后，由于水的蒸发和排放，地表干涸，暴露在空气中，形成一个密闭的外壳。整个尾矿库类似沼泽，承载力低。多风季节，干旱地区的尾矿库区笼罩在灰色的沙尘中。风停后，灰尘落在农作物和建筑物上，影响居民健康。这也是中国西北地区日益强烈的沙尘暴的一个来源。因此，尾矿库的复垦首先要处理和改善其表面结构，提高其抗风蚀能力。一般的复垦步骤是:挖开地表的硬壳，挖开地表后用砾石填充，用石灰石中和酸性尾矿的酸性，用白云石中和碱性尾矿的碱性，平整尾矿堆表面，铺上表土并拌入中和剂和肥料用于种植或其他用途。当尾矿和残留化学品中含有有毒物质时，有必要研究这些有害物质的危害及其防治措施。这样既缓解了城市用地紧张，又有效解决了尾矿粉尘造成的大气污染问题。