地表沈陷和塌陷的範圍壹般大於采空區的面積。當采空區呈矩形時，沈陷盆地大致呈橢圓形(圖5-4)。橢圓盆地的範圍與煤層走向方向的運動角δ和傾斜方向的運動角β、γ有關。
不同傾角α煤層的下沈和垮落是不同的。煤層上覆巖層的物理力學性質對地表沈陷影響很大。在煤層傾角相同的情況下，移動角隨著巖石強度的增大而增大。壹般情況下，基巖運動角為50° ~ 90°，表土運動角為45° ~ 55°。因此，覆蓋層越硬，地表下沈幅度越大。根據上覆巖層特征，移動角度值見表5-3。利用表5-3中的數據和所研究礦井的實際相關數據，可采用常規作圖法預測相應煤層開采後的地表沈陷範圍。根據陜西韓城象山煤礦實測資料分析，當采空區為2ha時(即100m長工作面推進200m時)，地表移動活躍，絕大部分塌陷裂縫發生在此時。統計表明，地面塌陷面積與地下采煤面積的平均比值為1.2，塌陷量與開采量的平均比值為0.6 ~ 0.7。對於緩傾斜煤層，地表最大下沈深度壹般為采煤總厚度的70%(表5-3)。
圖5-4地下采煤地面沈降示意圖
a-傾斜煤層；b-急傾斜煤層
1-沈陷區；2—破碎帶；3-移動區域；4-采空區；5—采空區水平投影面；6-移動邊界線
表5-3不同硬度上覆巖石的移動角度
5.4.3.2開采沈陷指數
開采沈陷引起的地表沈陷區的面積和深度與煤層產狀、開采深度、采空區治理方法有關。塌陷破碎帶面積與開采規模呈正相關。例如，在地下采煤中，人們習慣用萬噸煤地面塌陷的土地面積(ha)作為反映地表形態破壞程度的指標，通常稱為塌陷指數或塌陷率，在壹定程度上反映了煤炭開采量與塌陷占地的相關性。所有礦區和區域都有其平均值。如1996和2000年，陜西煤礦塌陷指數為0.258和0.237，甘肅為0.236和0.5438+0；寧夏為0.378和0.368，新疆為0.146和0.160，青海為0.178和0.188。
經驗表明，煤層開采邊界外推0.5倍開采深度即可確定煤礦塌陷影響邊界值。當開采深度H=500m時，塌陷影響邊界值約為250m，沈陷面積約為煤層開采面積的1.2倍，最大沈陷值為煤層開采厚度的70% ~ 80%。
1995至2003年，陜西185煤田地質勘探隊、神府煤炭勘測設計分院、煤炭科學研究院唐山分院等單位在陜西、內蒙古神東礦區大柳塔礦1203工作面、補連塔礦22165438工作面，在余家梁礦45101工作面和孫家溝礦88101工作面設置了觀測站，對井下采煤地表沈陷進行了現場觀測。測量(計算)值如表5-4所示。利用移動變形分布函數表(表5-5)，計算出走向正截面上的移動變形預測值(表5-6)，並根據表5-6(圖5-5)中的相關參數值做出礦區地表移動變形曲線。
地表移動和巖層移動的過程受地質和煤礦開采條件的影響。通過各礦井工作面的觀測數據和綜合數據(表5-4)，可以預測地表移動和變形的主要參數。預算步驟:
表5-4神東礦區開采塌陷實測(計算)值
(1)確定估計參數:
拐點偏移量So=30m，
主要影響半徑
(2)預計最大移動和變形值:
最大下沈值wo = mqcosα= 3.7×1000×0.6×cos 2.5 = 2255(mm)；
最大傾斜值；
最大曲率值；
最大水平位移uo = bwo = 0.27×2255 = 609(mm)；
最大水平變形值
(3)主斷面上的預計移動變形值:X軸的原點選在距工作面實際邊界30m處的O點(由於So為正，應在采空區方向測量)並指向采空區(圖5-5)。預計算應采用移動變形分布函數值表(表5-5)，預計算方法及結果見表5-6。根據表5-6的數據，繪制了神東礦區地表移動變形預測曲線，如圖5-5所示。
圖5-5神東礦區地表移動變形預測曲線
1-下沈曲線；2—傾斜曲線；3—曲率曲線；4-水平運動曲線；5—水平變形曲線
a --實際煤壁位置；b——計算中使用的假想煤壁位置；ABC——下沈前的原始位置；Ab1c1 ——頂板下沈後的實際位置；d-拐點；So-offset
表5-5地表下沈運動及變形分布函數表
註意:當值為“+”時，a()取上壹行的編號，a”()取符號“”；當值為“”時，a()取下壹行的編號，a”()取“+”號。
表5-6走向正截面移動變形預測值
5.4.3.3的地面塌陷和地裂縫
5.4.3.3.1工作面超前影響
工作面推進過程中的主導影響可以用走向剖面圖來說明(圖5-6)。工作面從開切眼推進到A點壹定距離後，巖層移動開始向地表傳播，稱為起始距離。當觀測地表點下沈距離達到10 mm時，地表開始下沈，開始距離主要與頂板巖性和采空區有關。壹般工作面推進(0.2 ~ 0.3) H0。若按面積計算，大柳塔礦1203工作面起始距離在10 ~ 13m之間，故確定起始距離為0.2H0。
圖5-6工作面推進過程中的超前影響
當工作面推進到B點時，得到下沈曲線W1，工作面前方1點開始因采動下沈，而當推進距離約為1.4H0，即85m(C點)時，得到下沈曲線W2，地表開始因采動下沈。在工作面推進過程中，前方地表受采動影響而下沈，稱為超前影響。L1，L2和L3是主要影響距離。ω1，ω2，ω3為超前影響角，於家梁礦超前影響角為79°，等於工作面開采結束，地表移動穩定時的邊界角δ0(64°)。神東礦區綜合超前影響距離l = h0 ctgδo = 130 ctg 1 = 72m。
地表移動盆地
實際觀測表明，當采空區長度D2和寬度D1達到或超過(1.2 ~ 1.4) H0 (H0為平均開采深度)時，地表即可充分開采(地表移動盆地出現平底)。神東礦區D2/H0=15.7，D1/H0=1.51，地表可充分開采。
開采末期地表移動盆地如圖5-7所示，神東礦區移動盆地分為三個邊界:①以邊界角61(以地表下沈10mm的點為分界點)圈定的最外邊界，即ACBD；在圖中；(2)危險移動邊界是以盆地內地面移動和變形是否對建築物造成危害來劃分的邊界，是否對建築物造成危害的標準以臨界變形值來衡量。目前我們采用了壹組臨界變形值11，傾斜變形i≤3mm，水平變形ε≤2mm，曲率k≤0.2mm/m2。基於這個指標，在圈定的範圍之外，是地表移動和變形沒有造成明顯破壞的地帶，在圈定的範圍之內，是地表移動和變形對建築物產生有害影響的地帶。神東礦區該帶以75°運動角圈定，如圖A ' C ' B ' D③移動盆地的斷裂邊界，神東礦區以79°的斷裂角度圈定，如圖A "c" b "d所示，顯然ACBD地區> A "c" b "d地區> A" c "b" d "地區，我們稱A" b "c" d "地區為礦區的地表沈陷區，包括斷裂發育。移盆長軸應為工作面長度加上超前影響距離l = h0ctgδ = 130ctg75 = 35m，則明挖煤柱側上方地表移動距離為55-30=25m(圖5-7)，即2044+35+25=2104m，即垮落。
圖5-7神東煤礦區地表移動盆地邊界示意圖
地裂縫
神東礦區煤層覆巖主要為鈣質膠結的砂巖。砂巖抗壓強度為22 ~ 48 MPa(厚度加權平均抗壓強度為42MPa)。煤層抗壓強度低，遇水易泥化、軟化、風化。覆巖中形成冒落帶、破碎帶和彎曲帶，但地表緩慢持續變形。但如果開采深度較小時，冒落帶和破碎帶可直接到達地表，地表是不連續變形的。例如，大柳塔礦實際采高m=3.5m，采深H0=61m，H0/m=17。根據相關資料，壹般情況下，軟弱巖層形成的冒落破碎帶高度為采高的9 ~ 12倍，中硬巖層為采高的12 ~ 18倍，1203工作面頂板屬於中硬巖層。如果冒落破碎帶高度為采高的18倍，則為18倍。冒落帶上方為彎曲帶，彎曲帶內的巖層在水平方向上處於雙向壓縮狀態，具有良好的密實度和防水性。彎曲帶高度主要受開采深度的影響。當開采深度很大時，彎曲帶的高度可以大大超過冒落帶的高度。此時采動形成的裂隙不會到達地表，地表移動變形相對較慢。有時，表面可能會出現壹些裂紋(由表面的拉伸變形引起)，但這些裂紋有大有小。當它們到達壹定深度(< 5 m)時，通常會自行閉合消失，通常不與地下裂縫溝通。其他三個礦井的地表裂縫就是這種情況。但由於松散砂層的濕陷性，這種斷裂破壞帶受到雨水侵蝕後會再次坍塌。壓實這種裂縫可以防止再次坍塌。
表5-7采煤工作面及地表沈陷面積和萬噸煤地表沈陷面積
註:①煤體密度為1.35t/m3，工作面回采率為64.4%(大柳塔12032工作面數值)，但采煤工作面回采率為65% ~ 94%，平均為88%。
(2)即萬噸煤公頃地表沈陷量。
(3)根據神木縣地質災害調查資料，截止2001年底，大柳塔礦井煤炭3676×104t，地面塌陷7700872m2，即萬噸煤塌陷指數為0.21ha，與全國平均水平0.2ha持平。
④根據神木縣地質災害調查資料，2001年末，余家梁礦煤炭500×104t，地面塌陷552000m2，即萬噸煤塌陷指數為0.11ha，比全國平均水平0.2ha低45%。
綜上所述，可以看出:
(1)從表5-6和圖5-8可以看出，地表最大傾角(x=0)的傾角值i(0)為41mm/m，沈降值W(0)=1128mm，即最大沈降值WO = 2228。當x < 0，k (x) > 0時，下沈曲線是凸的；當x > 0，k (x) < 0時，下沈曲線為凹曲線，傾角最大的曲面點(即x=0的曲面點)為下沈曲線由凸變凹的轉折點，該點的曲率值為0，稱為下沈曲線的拐點(D點)。
(2)地表主要移動變形值均發生在x =-γ ~+γ範圍內，稱為主影響半徑，與采深H0的切線tgβ和主影響角β有關，礦區地表平均主影響半徑為55m。
(3)不考慮頂板的懸臂效應，下沈曲線的拐點在實際煤壁A的正上方，但頂板的懸臂效應是存在的，拐點D在假想的煤壁B的正上方，所以實際上也是懸臂效應引起的拐點偏移量，稱為拐點偏移量。礦區地表移動的平均拐點偏移量為30m，假想煤壁為采空區的計算邊界。
(4)神東礦區三個實測工作面萬噸產量地面塌陷面積為0.35~0.42ha，礦區平均值為0.387ha，幾乎是全國萬噸產煤量平均值0.2ha的1倍，主要是工作面開采深度小，煤層開采厚度大。
(5)根據神東礦區開采參數和松散層、基巖移動角度值，設置5×100m2和5×320m2兩個地表保護區，並留設相應的保護煤柱。據估算，前者的煤炭壓力為16×104t，後者的煤炭壓力為24.8×104t，造成了煤炭資源的大量浪費。因此，對於壹般村落聚落和耕地是否留設煤柱進行保護，或者重新安置部分人口並征用相關土地，需要進行全面的技術經濟分析。
5.4.3.4礦區廢棄土地的復墾
采礦過程中產生大量廢渣、廢石，排放壓力占用大量土地。廢水排放和廢渣粉塵汙染了土地，也嚴重損害了周圍土地的經濟價值，嚴重時會失去耕地的功能。因此，為了保護環境和土地價值，需要在生產過程中盡可能地恢復和控制被破壞和占用的土地，以消除汙染危害。礦山關閉後，廢棄土地將得到充分恢復，恢復其使用價值，重新用作農、林、牧、漁業、旅遊或工業、城鄉建設用地。
損毀土地復墾是指通過采取工程措施或生物措施，將礦山建設和開采過程中因開挖、占用、塌陷等破壞的各類廢棄土地恢復到可利用狀態的活動。廣義而言，礦山土地復墾是采礦工程的延續和組成部分。最佳復墾方式是與采礦技術緊密配合，統壹規劃，協調壹致，既滿足生產需要，又滿足復墾需要，從而達到礦產資源開發和環境保護的雙贏目標。土地復墾已成為土地開發利用活動的重要組成部分，是土地資源可持續利用、緩解人地矛盾、改善生態環境的重要措施。
根據采礦方法、礦區地形和氣候條件，因地制宜選擇適合本礦區的土地復墾方式。根據礦山土地復墾的不同對象，主要有塌陷區復墾、廢渣堆場復墾、露天采場復墾、尾礦庫復墾等。根據復墾的主要用途，有農業復墾、林業復墾、建設用地復墾、休閑復墾等。
5.4.3.4.1塌陷區復墾
礦區地面沈降和地裂縫破壞了地面大量良田、村落和建築物，導致礦區生態環境惡化。礦山企業與受影響居民的矛盾越來越嚴重，成為社會不穩定因素之壹。合理控制礦區的沈陷和地裂縫面積是壹項重要任務。由於采煤塌陷地土地資源配置不合理、采煤塌陷地權屬不清、復墾政策和管理機制不完善、復墾資金渠道不落實、復墾理論遠遠滯後於實踐等原因，采煤塌陷地復墾困難重重。由於地下開采引起的塌陷區地形、水文氣象等條件不同，土地破壞程度和復墾方法也不同。對於山區、丘陵地區，只要把當地的塌陷漏鬥或塌陷坑、裂縫填平，就可以恢復原來的地形地貌。對於平原地區，如果地下水位低，降雨少，塌陷區常年不會積水，復墾時只需回填鋪墊表土即可種植或作他用。如果地下水位高或降雨量大，塌陷區常年積水，需要清除積水或整治水面及周邊環境，進行養殖和觀光。
通過礦山充填系統，用地面矸石山和洗煤廠排出的矸石進行風充填和水力充填來回填采空區，既能減少巖層和地表的移動，又能減少地表沈陷，消耗大量矸石，減少地面汙染，還能起到防止煤層自燃的作用。德國、蘇聯、捷克等國普遍采用這種方法，焦作礦務局也采用這種方法回填采空區，取得了良好的效果。
圖5-8煤礦區土地復墾魚骨圖
我國地面沈降裂縫的治理主要是通過塌陷區的開發利用和綜合治理來實現的。從20世紀80年代初開始，有計劃地對塌陷和裂縫區進行復墾，淮北、淮南、徐州、大屯、平頂山等煤礦區取得了壹定的成績和經驗，提出了許多綜合治理模式(圖5-8)。徐州龐莊煤礦627戶壹、二層農村房屋***6.9×104m2，建在塌陷區矸石地基上，分層充填，分層振動壓縮，受地下兩層、四個工作面開采影響，無房屋損失。綜合防治措施包括:①煤矸石、粉煤灰充填；(2)土壤改良；③剝離復墾；④塌陷土地的綜合利用；(5)生態養殖控制沈陷，如圖5-9所示。固體廢棄物作為充填材料具有填埋廢棄物和復墾塌陷區的雙重效益。如淮北戴河煤礦對沈陷深度5m的沈陷區充填矸石地基進行強夯處理後，建成了工會、幼兒園、礦業中學等四層建築1650m2。而煤矸石、粉煤灰壹般只占回填塌陷區總面積的20%，因此需要采用不回填的方法對部分塌陷區進行復墾。無填料圍墾主要采用深挖淺墊的方法對沈陷區進行綜合治理，將沈陷盆地底部挖成能蓄水養魚的深水池塘，使其同時具備蓄洪和灌溉功能，周圍的坡地可改造成水平梯田。西北大部分地區屬於黃土高原和丘陵地區，塌陷後地形無明顯變化。如果被破壞的土地需要耕種，只需填平當地的漏鬥狀塌陷坑和地裂縫即可。
在與陜西省內蒙古接壤的神東礦區，已經建立了五個垃圾處理廠，集中處理煤矸石。采用分層排放、填溝造地，覆蓋黃土。平整後種樹種草，把矸石山變成綠地。寧夏煤礦區通過資料收集、調查采訪、地面物探、鉆探等方式，摸清了歷史至今的采空區範圍，進行穩定性分析和跟蹤觀測，掌握了地面塌陷及其發生規律，對其發生面積、範圍、深度、時間、速度進行了認真研究分析，並提出了預測。對於要求盡可能減少地面沈降的地區，采用條帶開采、房柱式開采等采礦方法，也可采用鉆孔離層註漿、矸石回填等方法充填采空區，避免或減少上覆巖層沈降。對於已經塌陷的區域，可以利用煤矸石、電廠粉煤灰和少量生活垃圾進行回填，進行生態環境修復和農業土地復墾，在局部水域養魚，還可以修建景區進行治理。如寧夏石嘴山利用現有煤矸石，通過平翻填充塌陷區，創造了壹批綠化和建設用地。
5.4.3.4.2排渣場復墾
礦山廢土、礦渣、廢石排放占用大量土地，本身就是礦區的重要汙染源，汙染大氣和水體，還會引發滑坡、泥石流等地質災害。排土場復墾是指對排土場進行改造，恢復土地、植被，控制或消除排土場對周圍環境的汙染。排土場的設計應考慮未來的復墾工作，在巖石剝離時，表土和廢石應分別收集和堆放。根據排土場的位置、形狀、廢石性質和水文氣象條件，因地制宜地確定復墾方案。
露天礦區的復墾
露天開采初期，應考慮礦區未來的復墾，將礦床上方肥沃的表土剝離單獨堆放，盡可能保持原有的土壤結構。回填采空區時，在礦底放置大塊廢石或有害巖土，在地表鋪設原表土，或覆蓋適宜耕種的新土，平整後選擇適宜植物種植或其他用途。
控制露天開采土地破壞的有效措施之壹是把土地復墾作為整個露天開采技術中的壹個環節。比如，我國建材601金剛砂礦的開采順序是:表土剝離-表土儲存-開采-選礦-尾礦返還和充填采空區-表土攤鋪-平整和修建通道，然後交給農民施肥種植。開采、剝離和復墾方法如圖5-9所示。
圖5-9采礦、剝離和回收方法示意圖
1—覆蓋層樁；2—含礦層；3-農田已經恢復；4-回填廢石；5—紅色砂巖
復墾作業是將廢石和覆土送入內排土場(采空區)，盡量與開采前的地面標高壹致，特別是地表種植土要保持原有的土壤結構，能夠種植農作物。原來礦上只開采不復墾。開采後，礦區成為沒有良田的三山(表土山、矸石山、尾礦庫)兩塘(水塘、尾礦庫)地區，造成工農關系緊張。如果不進行復墾，該礦就無法繼續生產。復墾初期只進行堆山填坑和搬土，效益差，成本高(3萬元/公頃)。采用采填結合的復墾方式後，成本降至0.45萬元/公頃，效益提高。
與晉陜蒙接壤的準格爾煤田位於幹旱的黃土高原。礦區水土流失嚴重，地表破碎，植被稀疏。在礦區倒酸溝進行了綜合治理工程試驗。大蒜溝原是天然的沖刷溝，最初的剝離通過露天采煤填充在這條溝裏，形成梯形的臺階區。道酸溝排土場總排土量為75.28×104m3，排土平臺總面積為2×104m2，四個邊坡總面積為1×104m2。
神東礦區馬家塔露天煤礦復墾建設的新思路是治理與管理相互促進，和諧發展。復墾采用剝離回填采煤法，分層回填，底部為廢石、生土，頂部為表土。回填後，填海面積為113.33×104m2。1999秋，在墾區20ha土地上種植0.2m赤泥，分別種植蔬菜、玉米、馬鈴薯、向日葵、蕎麥和優質牧草，長勢良好，成效顯著。同時利用氧化塘處理後的汙水作為水源。針對復墾區土壤持水能力差的特點，在復墾區充分布設灌溉管網，采用固定式或移動式噴灌，持續有效改善土壤和近地表空氣濕度，解決復墾綠化中的幹旱約束問題。目前，馬家塔墾區已經形成了治理與管理相互促進、協調發展的格局。綠化覆蓋率達到80%，比開采前提高了15.8倍。* * *種植46.7公頃牧場、65438萬多株灌木和20000棵樹。被水利部評為全國生態建設示範基地，被內蒙古自治區旅遊局評為AA級旅遊區。壹個新的現代人工生態公園已基本形成。
尾礦庫的復墾
尾礦庫停止使用後，由於水的蒸發和排放，地表幹涸，暴露在空氣中，形成壹個密閉的外殼。整個尾礦庫類似沼澤，承載力低。多風季節，幹旱地區的尾礦庫區籠罩在灰色的沙塵中。風停後，灰塵落在農作物和建築物上，影響居民健康。這也是中國西北地區日益強烈的沙塵暴的壹個來源。因此，尾礦庫的復墾首先要處理和改善其表面結構，提高其抗風蝕能力。壹般的復墾步驟是:挖開地表的硬殼，挖開地表後用礫石填充，用石灰石中和酸性尾礦的酸性，用白雲石中和堿性尾礦的堿性，平整尾礦堆表面，鋪上表土並拌入中和劑和肥料用於種植或其他用途。當尾礦和殘留化學品中含有有毒物質時，有必要研究這些有害物質的危害及其防治措施。這樣既緩解了城市用地緊張，又有效解決了尾礦粉塵造成的大氣汙染問題。