5.4.3.1 开采塌陷
地表下沉和塌陷范围一般大于采空区面积。当采空区为长方形时，下沉塌陷盆地大致是椭圆形(图5-4)。椭圆盆地的范围与沿煤层走向方向的移动角δ、沿倾斜方向的移动角β、γ有关。
不同倾角α的煤层，其下沉塌陷情况有所不同。煤层上覆岩层的物理力学性质对地表沉陷的影响甚大。在煤层倾角相同的情况下，移动角随岩石强度的增大而增大。一般情况下，基岩的移动角值为50°～90°，表土的移动角为45°～55°，因此，覆岩越坚硬，地表下沉范围越大。按覆岩性质区分的移动角数值如表5-3所示，利用表5-3数据以及所研究的矿井实际相关资料采用正规作图法，即可对相应煤层采动后地面塌陷范围做出预测。据陕西韩城象山煤矿实测资料分析，采空区面积在2ha时(即100m长的工作面推进200m时)是地表移动活跃期，大部分塌陷裂缝在此时产生。统计资料表明，地面塌陷面积与井下煤层开采面积之比平均值为1.2，塌陷体积与开采体积之比平均值为0.6～0.7，缓倾斜煤层，地表最大下沉深度一般为煤层开采总厚度的70%(表5-3)。
图5-4 地下采煤地面沉陷示意图
A―倾斜煤层；B―急倾斜煤层
1―塌陷区；2―裂缝区；3―移动区；4―采空区；5―采空区水平投影面；6―移动边界线
表5-3 不同硬度覆岩移动角
5.4.3.2 开采塌陷指数
开采塌陷造成地表塌陷区面积大小及深度与矿层产状、开采深度，以及采空区管理方法等因素有关。塌陷裂缝区面积与采矿规模呈正相关。如在地下采煤中，人们习惯用每采万吨煤地面塌陷的土地面积(ha)作为一个指标反映地表形态的破坏程度，通常称其为塌陷指数或塌陷率，它在一定程度上反映了煤炭开采量与塌陷占地的相关性。各矿区和各地区均有其平均数值。比如，1996年和2000年陕西煤矿塌陷指数为0.258 和0.237，甘肃为0.236和0.221；宁夏为0.378 和0.368，新疆为0.146 和0.160，青海为0.178 和0.188等。
经验表明，煤矿塌陷影响边界值可通过煤层开采边界外推0.5 倍采深来确定。采深H=500m，则塌陷影响边界值约为250m。塌陷区面积约为煤层开采面积的1.2 倍，最大下沉值为煤层采出厚度的70%～80%。
1995～2003年间陕西185煤田地质勘探队、神府煤炭勘测设计分公司、煤炭科学研究总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2211工作面、榆家梁矿45101工作面和孙家沟矿88101工作面地表设立了观测站，进行了井下采煤地表塌陷的实地观测，有关实测(计算)值列入表5-4。利用移动和变形分布函数表(表5-5)，计算出走向正断面上的移动和变形预计值(表5-6)，按表5-6的相关参数值作矿区地面移动和变形曲线图(图5-5)。
地表与岩层移动过程受地质及采煤等条件的影响，通过对各矿井工作面观测资料及综合数据(表5-4)，即可对地面移动和变形主要参数进行预计。预算步骤：
表5-4 神东矿区矿井工作面开采塌陷实测(计算)值
(1)确定预计参数：
拐点偏距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×cos2.5°=2255(mm)；
最大倾斜值
；
最大曲率值
；
最大水平移动Uo=bWo=0.27×2255=609(mm)；
最大水平变形值
(3)预计走向主断面上的移动和变形值：x轴原点选在距工作面实际边界So=30m(由于So为正值，应向采空区方向量取)的O点处，指向采空区(图5-5)。进行预计算时要利用移动和变形分布函数值表(表5-5)，预计算方法及结果见表5-6，由表5-6数据作出神东矿区地面移动和变形预计曲线，如图5-5所示。
图5-5 神东矿区地面移动和变形预计曲线图
1―下沉曲线；2―倾斜曲线；3―曲率曲线；4―水平移动曲线；5―水平变形曲线
A―实际煤壁位置；B―计算时采用的假想煤壁位置；ABC―下沉前原始位置；AB1C1―下沉后顶板实际位置；D―拐点；So―偏距
表5-5 地表塌陷移动和变形分布函数值表
注：当
为“+”值时，A(
)取上一行的数，A″(
)取“”号；当
为“”值时，A(
)取下一行的数，A″(
)取“+”号。
表5-6 走向正断面上的移动和变形预计值
5.4.3.3 地面塌陷及地裂缝
5.4.3.3.1 工作面超前影响
工作面推进过程中的超前影响可用走向正断面图说明(图5-6)，工作面由开切眼推进一定距离到达A点后，岩层移动开始波及到地表，这一距离称为起动距，地表开始下沉是以观测地表点的下沉距达到10mm时为准，起动距大小主要与顶板岩性和采空面积有关，一般工作面推进(0.2～0.3)H0(H0为平均开采深度m)，或采空面积达到(25～33)H0(m2)时地表开始下沉。如按面积计算，大柳塔矿1203工作面起动距在10～13m之间，故确定其起动距为0.2H0。
图5-6 工作面推进过程中的超前影响
当工作面推进至B点时，得下沉曲线W1，工作面前方1 点开始受采动影响而下沉，而推进距离约为1.4H0即85m时(C点)，得下沉曲线W2，地表2点开始受影响而下沉。在工作面推进过程中，其前方地表受采动影响而下沉，称为超前影响。L1、L2、L3为超前影响距。ω1、ω2、ω3为超前影响角，榆家梁矿超前影响角为79°，当工作面回采结束，地表移动稳定后，该角等于边界角 δ0(64°)。神东矿区综合超前影响距 L=H0ctgδo=130 ctg61°=72m。
5.4.3.3.2 地表移动盆地
实际观测表明，通常在采空区的长度 D2和宽度 D1均达到和超过(1.2～1.4)H0(H0为平均开采深度)时，地表可达到充分采动(地表移动盆地出现平底)。神东矿区D2/H0=15.7，D1/H0=1.51，地表可达到充分采动。
工作面回采结束，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由边界角61°所圈定的最外围的边界(取地表下沉10mm的点为边界点)，即图中的ACBD；②危险移动边界，是以盆地内的地表移动与变形对建筑物有无危害划分的边界，对建筑物有无危害的标准是以临界变形值衡量的，目前我们采用的一组临界变形值是11，倾斜变形i≤3mm，水平变形值ε≤2mm，曲率k≤0.2mm/m2，以此指标为准在圈定的范围以外为地表移动和变形不产生明显损害的地带，在圈定的范围以内为地表移动和变形对建筑物产生有害影响的地带，在神东矿区这一带以其移动角75°所圈定，如图中的A′C′B′D′；③移动盆地的裂缝边界，神东矿区以裂缝角79°所圈定，如图中的A″C″B″D″，显然ACBD面积＞A′C′B′D′面积＞A″C″B″D″面积，我们把A′B′C′D′面积称为采空地表塌陷面积，其中包括裂缝发育面积。移动盆地长轴应为工作面长加工作面停采后超前影响距 L=H0ctgδ=130ctg75°=35m，再加开切眼煤柱一侧上方地表移动距55-30=25m(图5-7)，即2044+35+25=2104m，塌陷面积为2104×266=559664m2，为开采面积的1.4倍，各工作面的塌陷面积和开采面积比值如表5-7所示。
图5-7 神东煤矿区地表移动盆地边界示意图
5.4.3.3.3 地裂缝
神东矿区煤层上覆岩层以砂岩为主，泥钙质胶结。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、软化和风化。覆岩中形成冒落带、裂缝带和弯曲带，地表则产生缓慢连续变形，但如开采深度小，冒落带和裂缝带可直达地表，地表产生非连续变形，如大柳塔矿1203工作面，实际采高m=3.5m，采深H0=61m，H0/m=17。据有关资料，一般情况下，软弱岩层形成的冒落裂缝带高度为采高的9～12倍，中硬岩石为采高的12～18倍，1203工作面顶板属中硬岩石，如按冒裂带高度为采高的18倍计算，为63m，则已达地表，此时，在采空区外边缘形成的裂缝与采空区贯通，构成向工作面涌水溃沙的通道。冒裂带之上是弯曲带，弯曲带内岩层在水平方向处于双向受压状态，其压实程度较好，具有隔水性。弯曲带高度主要受开采深度的影响。当采深很大时，弯曲带高度可大大超过冒裂带高度，此时，开采形成的裂缝不会到达地表，地表移动和变形相对较缓，有时在地表也可能产生一些裂缝(由地表拉伸变形所引起)，但这些裂缝表现为上大下小，到一定深度(＜5m)时一般自行闭合而消失，通常不和井下裂缝相沟通，其他三个矿的地表裂缝就是这种情况。但由于沙土松散层具有湿陷性，这种裂缝破坏带，遇雨水冲刷侵蚀会形成再次塌陷破坏。对这类裂缝进行填实碾压可防止再次塌陷破坏。
表5-7 工作面开采和地表塌陷面积及万吨煤地表塌陷面积
注：①煤容重取1.35t/m3，工作面回采率取64.4%(大柳塔12032工作面数值)，但矿区工作面回采率为65%～94%，平均为88%。
②即万吨煤地表塌陷公顷数。
③据神木县地质灾害调查资料，到2001年底大柳塔矿产煤3676×104t，地面塌陷7700872m2，即万吨煤塌陷指数为0.21ha，与全国均值0.2ha持平。
④据神木县地质灾害调查资料，到2001年底榆家梁矿产煤500×104t，地面塌陷552000m2，即万吨煤塌陷指数为0.11ha，比全国均值0.2ha低45%。
综上所述，可见：
(1)由表5-6 和图5-8 可见，地表出现的最大倾斜处(x=0)倾斜值i(0)为41mm/m，下沉值W(0)=1128mm，是最大下沉值Wo=2255mm的1/2，此点的曲率值为K(0)=0；且当x＜0时，K(x)＞0，下沉曲线上凸；x＞0 时，K(x)＜0，下沉曲线下凹，倾斜出现最大值的地表点(即x=0 的地表点)是下沉曲线由凸变凹的转折点，该点上的曲率值为0，称为下沉曲线的拐点(D点)。
(2)地表的主要移动和变形值均发生在x=-γ～+γ的范围内，称γ为主要影响半径，主要影响半径γ与采深H0和主要影响角β的正切tgβ有关，
，矿区地表的主要影响半径平均值为55m。
(3)不考虑顶板的悬臂作用时，下沉曲线的拐点在实际煤壁A的正上方，而顶板的悬壁作用是存在的，拐点D在假想煤壁B的正上方，故So实际上是由悬壁作用引起的拐点偏移距离，称之为拐点偏距，矿区地表移动平均拐点偏距为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，比全国万吨煤产量地面塌陷面积平均值0.2ha几乎高出1倍，主要原因是工作面采深小、煤层采厚大。
(5)根据神东矿区有关开采参数及松散层和基岩移动角数值，设定了两个地表保护面积5×100m2及5×320m2，作出相应的保护煤柱，估算出前者的压煤量为16×104t，后者为24.8×104t，留设保护煤柱使部分煤炭留在地下暂时或永远无法采出，造成大量煤炭资源的浪费，因此，对于一般村镇居民点和耕地是否留设煤柱加以保护，或者迁移部分人员并征用相关土地，就需进行全面的技术经济分析。
5.4.3.4 矿山废弃土地的复垦
矿山开采过程中，产生了大量的废渣和废石，排放压占了大量土地，废水排放、废渣扬尘污染了土地，也严重损害了周边土地经济价值，严重者会丧失耕地功能。因此，从保护环境及土地价值方面出发，必须在生产过程中对破坏与压占的土地尽可能地恢复治理，消除污染危害。在矿山闭坑后对废弃的土地进行全面的恢复治理，恢复其使用价值，重新作为农业、林业、牧业、渔业、旅游业或工业、城乡建设用地。
对破坏土地的复垦，是将矿山建设、开采过程中因挖损、压占、塌陷破坏的各类废弃土地，通过采取工程措施或生物措施，使其重新恢复到可供利用状态，并加以利用的一种活动。从广义上讲，矿山土地复垦是采矿工程的延续和组成部分，最佳的复垦方法与采矿工艺密切配合，统一规划，协调进行，既满足生产需求，又符合复垦的需要，从而达到矿产资源开发与环境保护双赢的目标。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、缓解人多地少的矛盾、改善生态环境的重要措施。
根据采矿方式、矿区地形和气候条件，因地制宜地选择适合本矿区的土地复垦方式。按照矿山土地复垦对象的不同，主要有塌陷区复垦、废渣堆场复垦、露天矿采场复垦、尾矿库复垦等；按复垦主要用途分有农业复垦、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
矿区地面塌陷和地裂缝破坏大量良田，毁坏村舍和地面建筑物，造成矿区生态环境恶化。矿山企业和受灾居民的矛盾愈来愈严重，已成为社会不稳定的因素之一。合理整治矿区塌陷、地裂缝区，是当前亟待解决的重要课题。由于采矿塌陷的土地资源配置不尽合理、采煤塌陷地的权属不清、复垦政策与管理机制不健全、复垦资金渠道不落实、复垦理论远远落后于实践等问题，致使采煤塌陷土地的复垦工作困难重重、举步维艰。地下开采引起的塌陷区，因其所在地区的地势地貌、水文气象等条件的不同，对土地的破坏程度和复垦方法均有所不同。对于山地和丘陵地带，只要将局部的塌陷漏斗或塌陷坑、裂缝进行填培并加以平整，即可恢复原来的地形地貌。对于平原地区，若潜水位较低，地区降雨较少，塌陷区不会常年积水，复垦时只需进行回填和铺垫表土，即可进行种植或做他用。若潜水位较高或降雨较多，塌陷区会常年积水，复垦时需排除积水或整治水面及周围环境，用于养殖及游览。
通过矿井回填系统，将地面矸石山和洗煤厂外排的矸石用风力充填和水力充填法回填采空区，既可减少岩层和地表移动，降低地表沉陷的目的，又可大量消耗煤矸石、减少地面污染，还可起到防止煤层自燃发火的作用。德国、苏联、捷克常用此法，焦作矿务局也曾采用此法回填采空区，得到很好的效果。
图5-8 煤矿区土地复垦鱼刺图
我国对地面塌陷裂缝的治理主要是通过对塌陷区的开发利用和综合治理实现的。从20世纪80年代初开始，有规划地对塌陷裂缝区开始进行复垦，在淮北、淮南、徐州、大屯和平顶山等煤矿区取得了一定成效和经验，提出了许多综合治理模式(图5-8)。徐州庞庄煤矿在分层充填、分层振压塌陷区矸石地基上，建造了一层或两层农村住宅627 栋共6.9×104m2，并经受了地下两层煤、4个工作面的开采影响，房屋无一损失。综合防治地面塌陷和地裂缝的办法包括：①煤矸石粉煤灰充填；②取土复垦；③剥离复垦；④综合利用塌陷地；⑤生态养殖治理塌陷地等，如图5-9 所示。固体废物作充填材料兼有掩埋废物和复垦塌陷区的双重效益。如淮北岱河煤矿将下沉深度5m的塌陷区充填的矸石地基强夯后，建起1650m2的四层大楼供工会、幼儿园、矿区中学使用。但是，煤矸石和粉煤灰一般只占回填塌陷区总面积的20%，因此，还必须采用非充填方式来复垦部分塌陷区。非充填复垦主要是采取挖深垫浅的办法对塌陷区进行综合整治，将塌陷盆地底部深挖成能蓄水养鱼的深水池塘，使其同时具有蓄洪和浇灌功能，周围坡地可改建为水平梯田。我国西北大部分地区属黄土高原和丘陵地区，塌陷后地形地貌无明显变化，所破坏土地如果需要耕种的话，只要将局部漏斗式塌陷坑和地裂缝进行充填平整即可。
陕西与内蒙古接壤处的神东矿区，建成了5座排矸厂，集中处理煤矸石。采用分层排放、填沟造地方式，上覆黄土，平整后种树种草，使矸石山变成绿地。宁夏煤矿区通过收集资料，调查访问、地面物探、钻探等查明历史至今的采空区范围，进行稳定性分析和跟踪观测，掌握地面塌陷与塌陷发生的规律，对其发生的区域、范围、深度、时间和速度进行认真研究分析，提出预测预报。对于地面要求尽量减少塌陷的区域，采用条带式、房柱式等开采方法采煤，还可采用钻孔离层注浆、煤矸石回填等方法充填采空区，避免或减少覆盖岩层沉降。对已经发生塌陷的区域，可利用煤矸石、电厂粉煤灰和少量的生活垃圾回填，进行生态环境恢复和农业土地复垦，在地面积水区养鱼、修建景点等多种办法治理。如宁夏石嘴山用现存的矸石，采用平翻方式充填塌陷区，营造出多处绿化和建设用地。
5.4.3.4.2 排渣场复垦
矿山弃土弃渣、废石排放，占压了大量土地，其本身又是矿区的重要污染源，对大气、水体产生污染，同时还引发滑坡、泥石流等地质灾害。排土场复垦就是整治废石堆场，恢复土地，进行种植，控制或消除废石场对周围环境的污染。排土场在设计时就应考虑未来的复垦工作，在剥岩时要将表土层与废石分别采集和堆放。在复垦时根据排土场的位置、形状、废石性质和水文气象条件，因地制宜地确定复垦方案。
5.4.3.4.3 露天矿区复垦
露天矿开采初期就要考虑将来的采区复垦工作，将矿床之上较为肥沃的表土层剥离单独堆放，尽可能保持原有土壤结构。在采空区回填时，将大块废石或有害岩土置于矿坑底层，表层铺上原来的表层土，或另取适宜耕作的新土覆盖，经平整后选择合适的植物进行栽种，或作他用。
整治露天矿开采土地破坏的有效措施之一就是把土地复垦作为整个露天矿开采工艺中的一个环节。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――采矿――选矿――尾矿回运并充填采空区――表土铺敷――整平及渠道修筑，而后交农民施肥种植。采矿、剥离及复垦方法如图5-9所示。
图5-9 采矿、剥离及复田方法示意图
1―覆土堆；2―含矿层；3―已恢复农田；4―回填废石；5―红色砂岩
复垦作业就是将废石和覆盖土送入内排土场(采空区)中，要求尽可能与开采前地面标高一致，特别是表层种植土应保持原有土壤结构，能种植作物。该矿原先只采矿不复垦，开采后矿区成了三山(表土山、废石山、尾矿山)两池(水池、尾矿池)一无(无良田)区，造成工农关系紧张，如不复垦，矿山则无法继续生产。开始复垦时只是进行堆山填坑搬土，效益差，费用高(3万元/ha)，采用开采复垦相结合的复垦法后，费用降低到0.45万元/ha，效益提高。
晋陕蒙接壤的准格尔煤田位于干旱的黄土高原地区，矿区所在区域水土流失严重，地表支离破碎，植被稀疏。在矿区捣蒜沟进行了综合整治工程试验。捣蒜沟原是一条自然冲刷沟，露天煤矿开采将最初剥离物填充此沟，形成梯形台阶式区域。捣蒜沟堆土场总排弃量为75.28×104m3，堆土场平台总面积为2×104m2，4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经营互相促进、协调发展。复垦采取边剥离边回填的采煤方式，分层回填，废石生土在下，表土在上。回填后形成复垦区面积113.33×104m2。1999年秋季，在复垦区20ha土地上垫红泥0.2m，分别种植了蔬菜、玉米、土豆、葵花、荞麦、优质牧草等，长势良好，效果显著。同时利用氧化塘处理后的污水作为水源，针对复垦区土壤保水能力差的特点，在复垦区全面布设灌溉管网，采取固定式或移动喷灌，持续有效地提高了土壤与近地层空气的湿度，解决了复垦绿化中的干旱制约难题。马家塔复垦区目前已形成治理与经营互相促进、协调发展的格局。绿化覆盖率达到80%，较开采前提高了15.8倍。共种植牧草46.7ha，栽植灌木10万株，乔木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，一个新型现代化的人造生态园已基本形成。
5.4.3.4.4 尾矿库复垦
尾矿库在停止使用后，由于水分的蒸发和排泄，表面干涸而暴露在空气中，形成一层不透气的外壳，整个尾矿库类似一个沼泽地，承载能力很低。在大风季节，干旱地区的尾矿库库区笼罩在灰蒙蒙的粉尘之中，风停之后，农作物和建筑物上飘落灰尘，影响居民健康，这也是西北地区日渐强烈的沙尘暴的一种物源。因此，尾矿库的复垦工作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：挖松表面的坚硬外壳，表层挖松后用碎石充填，对酸性尾矿用石灰石中和其酸性，对碱性尾矿用白云石中和其碱性，平整尾矿堆表面，铺垫表土并掺入中和药剂和肥料，种植或作它用。当尾矿及残留药剂中含有毒物质时，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，又有效地解决了尾矿库粉尘污染大气的问题。