重視保護礦區(qū)生態(tài)地貌——煤礦地面塌陷防治技術(shù)分析

張 猛

(黑龍江省樁基礎工程公司，哈爾濱150036)

目前全國煤礦的開采方式以井口開采為主，露天開采僅占全國總儲量的7.5%。由于煤礦開采區(qū)的強烈人為擾動，特別是采取放炮方式的采煤區(qū)，受劇烈震動的影響，極易發(fā)生地下滲漏及巖石塌方危害。根據(jù)不完全統(tǒng)計，2000 年以前，全國平均采煤1.2×109t/a，塌陷土地面積2.4×104km2/a。至2000 年以后，每年塌陷土地面積將達4%～5%的速度增長，至2020 年土地塌陷面積將達1.2×106km2。隨著我國煤炭資源的不斷開采，煤礦采煤塌陷區(qū)的不斷擴大，塌陷區(qū)環(huán)境治理工作越來越重要。

1 煤礦采空區(qū)及塌陷影響因素

煤礦采空區(qū)是指在煤礦作業(yè)過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔。一般來說采空區(qū)分布受到煤炭資源分布影響，煤炭資源豐富且容易開采的地方在開采后將形成大量的地下空洞，經(jīng)過一段時間后會形成塌陷，如果得不到有效的恢復治理，會對煤礦周邊生態(tài)環(huán)境和生態(tài)地貌造成影響。采空區(qū)塌陷發(fā)生和形成過程受到采空區(qū)暴露面積、圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地下水等4 大因素影響。

2 煤礦塌陷治理的方法

不能有效利用塌陷區(qū)域的土地資源及復墾后的耕地需要一段時期熟化和改良耕種是目前采煤塌陷采用補償損失、塌陷地閑置、治理的模式主要問題。有關資料測算，全國平均每采萬噸煤，塌陷土地約0.2 hm2，由于擔心地表塌陷導致壓煤總量達到137 億t。煤礦開采造成的采空區(qū)的預防與生態(tài)修復，目前沒有取得突破性進展。

2.1 井下采空區(qū)處理技術(shù)簡述

采空區(qū)的處理工程在國內(nèi)仍然不多，因此這方面的研究依然是處于摸索階段，還不成熟。用充填的辦法把采礦造成的采空區(qū)填滿是解決塌陷的主要辦法。井下采空區(qū)的填充方法是一項比較成熟的技術(shù)。降低充填成本，是充填技術(shù)發(fā)展關鍵。煤矸石回填技術(shù)包括采空區(qū)回填、低洼地充填、煤礦塌陷區(qū)復墾、路基充填等。而且煤矸石中的氮、磷、鉀等還為作物生長提供了很好的營養(yǎng)成分，回填使煤矸石與空氣隔離，避免了煤矸石自燃，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。據(jù)統(tǒng)計，回填用煤矸石約占其總利用量的70%。

2.2 采空區(qū)充填方法

1)膏體膠結(jié)填充。利用無需建立復雜的隔排水系統(tǒng)的城市生活垃圾綜合處理技術(shù)，將適合作為填充物的工業(yè)爐渣等生活垃圾經(jīng)過分選進行回收利用。通過充填泵用管道將一般濃度在76%～85%由矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣、河沙等加工成不脫水具有隔絕空氣，避免自燃發(fā)火特點的牙膏狀漿體輸送井下進行填充。

2)采空區(qū)冒落矸石空隙注漿充填。由鉆孔利用冒落帶特性在采空區(qū)冒落矸石之間的空隙未被壓實之前向離層空間灌注具有固化功能能填充離層和冒落空間細粒級漿體(粒狀漿材料或化學漿材料。價格低廉、使用簡單的水泥是粒狀漿材料的主體)。覆巖層則由細粒級漿體在有限的時間內(nèi)與冒落矸石膠結(jié)后形成的固化體與冒落巖塊共同支撐，起到減緩地表變形作用。

3)煤矸石似膏體充填。配15%～30%的細粒級砂，以工業(yè)垃圾或者河砂等做骨料加入膠結(jié)劑(工業(yè)廢渣)，制成重量濃度為74%～76%輔以膠結(jié)材料在地面加工制成無臨界、不沉淀，外觀似膏體具有良好泵送性能的填充混合漿料，稱之為“似膏體填充”。

3 煤礦塌陷防治技術(shù)應用實例

3.1 實施填充工程的礦井地質(zhì)情況

對某煤礦采空區(qū)實施井下填充工程。某礦井設計開采91 層，井田最高點+100 m 標高，最低點－80 m標高，走向長1 010 m，傾斜寬950 m，礦區(qū)面積1.08 km2。該煤層平均厚度為0.6 m，煤層傾角10°～15°，煤層發(fā)育較穩(wěn)定，煤種屬于1/3JM。煤層頂、底板均為粉砂巖。91 層資源儲量80 萬t，可采儲量70 萬t。該礦井主提升井460 m，副井長度390 m。根據(jù)煤礦具體開采技術(shù)條件研究采用工藝簡單、操作過程容易管理、管道泵送系統(tǒng)可靠的煤矸石似膏體充填方法［1］。

3.2 采空區(qū)填充工藝

3.2.1 煤矸石似膏體構(gòu)成

1)以普通32.5 硅酸鹽水泥為膠凝材料。由水泥、粉煤灰、粒度為5 mm煤矸石(充填骨料)、減水劑組成基本的填充材料。

2)充填材料技術(shù)參數(shù):質(zhì)量濃度為70%左右的似膏體為上述混合物料加水形成。

3)漿配比參數(shù):①1∶4不含減水劑的填充材料質(zhì)量比為1 ∶413;②骨料為粒徑＜5 mm的煤矸石;③質(zhì)量濃度為70%;④復合減水劑加量為1.0%～1.4%(水泥與煤炭灰質(zhì)量和的百分比)。

混合漿料具有高懸浮性、低脫水率、低管道磨損率、流動性好的優(yōu)點滿足填充采空區(qū)的填充要求。煤矸石似膏體充填法其工藝流程見圖1。

3.2.2 充填施工

煤矸石、水泥和粉煤灰進行儲藏和輸送方法相同。汽車將經(jīng)過破碎分選后5 mm以下煤矸石送至充填站煤矸石場;粗碎站的選址定于煤矸石山附近，5 mm以上煤矸石進入建材廠中碎工序。充填輸送過程為由安裝在料倉底部的圓盤式給料機分次將裝載機由堆場鏟至料倉的媒矸石向皮帶運輸機供料，計量后送至攪拌桶。為防止揚塵污染，水泥、粉煤灰用專用封閉罐車運送，通過壓氣卸入立式水泥倉和粉煤灰倉內(nèi)，經(jīng)插板閥、星形給料機、沖板流量計計量后通過單螺旋輸送機送至攪拌桶。減水劑桶中的減水劑由泵計量后加入攪拌桶中。將高位水池中的充填用水通過計量后加其中，通過強力攪拌形成質(zhì)量濃度約為70%混合物，沿著井下管道自流送至待充采場。

圖1 填充工藝流程圖

3.3 地面防治措施

礦區(qū)上部局部積水對林地內(nèi)植物生長影響不大，其地質(zhì)環(huán)境可自然恢復。局部積水嚴重區(qū)可采取沿地形坡度在上方挖設壩高0.4 m的攔水壩，在下方挖設排水溝疏導排水，用煤矸石及周邊廢棄地荒土回填的方式鋪墊至原地面標高。用煤矸石填平推土機在塌陷區(qū)頂部剝離0.5 m深度的耕植土和黏土至距原有水平地面0.5 m高度后反復碾壓再將黏土推回壓實，最后將原有耕植土層覆蓋至原有地面高度，實現(xiàn)土地重新利用。

4 結(jié) 語

煤礦采空區(qū)充填技術(shù)從礦區(qū)開采工藝出發(fā)，以實現(xiàn)矸石零排放為目標變廢為寶。同時為綜合利用城市生活垃圾提供有效途徑，通過合理分選回收可以再利用的資源提取填充物質(zhì)，通過科技不斷降低填充技術(shù)成本，保護礦區(qū)生態(tài)地貌，減輕煤礦采空區(qū)塌陷對地質(zhì)環(huán)境的影響。

［1］張發(fā)旺，侯新偉，韓占濤.煤炭開發(fā)引起水環(huán)境演化及其控制技術(shù)［J］.地球?qū)W報，2001，22(04):345－350.