府谷縣地方煤礦采空區(qū)綜合治理淺談

龐 喆

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

榆林市是煤炭資源富集區(qū)，是國家規(guī)劃的13個大型煤炭建設基地之一，全市54%的土地面積含煤，煤炭已探明儲量1500億t，預測儲量2800億t，占全省已探明儲量的86%，約占全國儲量的1/5[1]。

榆林市的煤炭資源開發(fā)起步于20世紀80年代，經(jīng)過20a的開發(fā)建設，煤炭工業(yè)得到了快速發(fā)展。1997年時，全市中小煤礦數(shù)多達854個，多數(shù)是3～6萬t的小煤礦，總年產(chǎn)量不足2000萬t。經(jīng)過幾年的“關井壓產(chǎn)”、“整頓小煤礦”，關閉了449個小煤礦。2005年底，全市共有煤礦404個，全市煤炭產(chǎn)量首次突破億t大關。到2008年，榆林市煤炭產(chǎn)量達到1.55億t，占陜西全省總產(chǎn)量的73%，占全國產(chǎn)量的5.7%。2010年榆林市煤炭總產(chǎn)量已超過2億t，僅次于相鄰的內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，穩(wěn)居全國第2產(chǎn)煤大市的位置。2012年榆林煤炭產(chǎn)量依然穩(wěn)步增長，生產(chǎn)原煤3.2億t，約占全省產(chǎn)量的70%。

早期的榆林礦井，大多采用“房柱式”或“殘柱式”的炮采采煤方法，生產(chǎn)技術及裝備水平低，工藝落后，管理水平低，生產(chǎn)能力小。落后的開采方式回采率低造成資源嚴重浪費，廢舊的房柱式采空區(qū)存在重大安全隱患，大面積懸頂也多次誘發(fā)地質(zhì)災害，有些采空區(qū)還發(fā)生自燃著火，地表塌陷面積逐年增加，地下水位不斷下降，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重。老采空區(qū)所誘發(fā)的一些問題已經(jīng)成為困擾企業(yè)和全市煤炭工業(yè)安全、可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，實施老空區(qū)隱患綜合治理，合理解決上述重大問題、控制環(huán)境惡化、恢復地質(zhì)環(huán)境、保護生存環(huán)境，不僅可實現(xiàn)國家“綠色礦業(yè)”的戰(zhàn)略目標，達到環(huán)境保護的目的，而且可起到典型示范作用，推廣礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理的成功經(jīng)驗。同時，對于構建和諧社會具有重大意義。

1 煤礦采空區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)條件概述

本研究以榆林市府谷縣煤礦采空區(qū)為研究對象，該地區(qū)位于陜北黃土高原東北部，屬典型黃土高原地貌景觀。區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，樹枝狀水系發(fā)育，區(qū)內(nèi)植被稀疏，農(nóng)牧業(yè)不發(fā)達，水土流失嚴重。區(qū)域?qū)訇儽辟_紀煤田一部分，地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，礦區(qū)地面廣泛覆蓋著現(xiàn)代風積砂及第四系黃土層，屬半掩蓋區(qū)[2]。整合區(qū)地處陜北黃土高原的梁峁區(qū)，地形支離破碎，樹枝狀沖溝發(fā)育，侵蝕切割嚴重，各煤層多處于當?shù)厍治g基準面以上，為煤層的自燃提供了外在條件。各煤層均屬低變質(zhì)階段的煙煤，自燃傾向高，易于氧化，使著火點溫度降低，這些內(nèi)在因素為煤層的自燃提供了便利條件。本區(qū)覆蓋層主要為第四系中上更新統(tǒng)土黃色亞砂土—亞粘土，具垂直節(jié)理，結(jié)構松散，易于垮落流失。

1.2 采空區(qū)分布勘查

此次榆林市地方煤礦采空區(qū)隱患綜合治理項目共涉及府谷縣新民鎮(zhèn)地方煤礦礦井24座，踏勘面積為93.7394km2，涉及的24座礦井礦權面積共計105.4294km2，對24座地方煤礦井田內(nèi)地表覆蓋層、地表建筑物、道路、高壓線、農(nóng)田、林地、地表塌陷(裂縫)范圍、河流溝谷等進行了現(xiàn)場踏勘。本次瞬變電磁法探測使用的是加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電磁法探測儀和加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM系列瞬變電磁儀，確定采空區(qū)面積共計32.0506km2。

1.3 采空治理區(qū)災害現(xiàn)狀

該地區(qū)礦井均為小型礦井，大多采用“房柱式”方式開采，“房柱式”開采所致老空區(qū)由于遺留了大量的煤炭資源，同時頂板冒落規(guī)律性差，存在很多安全隱患。造成煤炭資源的浪費；老空區(qū)容易積水或積聚有毒有害氣體，成為煤礦安全開采的重大隱患[3]；眾多老空區(qū)尚未冒落，成為地表建筑物、公路、鐵路、高壓線路的潛在威脅；部分采空區(qū)不及時治理會形成火區(qū)；破壞生態(tài)環(huán)境，造成地下水資源的流失；老空區(qū)遺留的煤柱極大地影響上下煤層的正常開采；老空區(qū)塌陷引起地震等地質(zhì)災害。

對采空區(qū)頂板及煤柱穩(wěn)定性、最小失穩(wěn)面積、地表沉陷影響進行分析，新民鎮(zhèn)地方煤礦存在的房柱式采空區(qū)一旦失穩(wěn)塌陷將對地表建(構)筑物(民居、廟宇、高壓線塔、信號塔、炸藥庫、礦區(qū)公路等)、地表植被等產(chǎn)生很大影響，必須對未塌陷房柱式采空區(qū)進行治理，避免采空區(qū)大面積塌陷誘發(fā)礦震。新民鎮(zhèn)地方煤礦采空區(qū)由于埋深較淺，采空區(qū)地表極易發(fā)生抽冒型破壞。經(jīng)驗表明，發(fā)生抽冒時，抽冒的最大高度約為采空區(qū)最大采高的90%，經(jīng)計算，新民鎮(zhèn)地方煤礦采空區(qū)發(fā)生抽冒高度在2.43～6.12m，大部分在3～5m，抽冒型破壞對地表建筑物的影響將是毀滅性的，必須引起足夠重視。

2 采空區(qū)綜合治理方案

目前，采空區(qū)隱患綜合治理主要有采空區(qū)地面注漿隔離治理技術、采空區(qū)殘留煤柱充填回收技術、采空區(qū)露天剝離治理技術和未塌采空區(qū)頂板崩落治理技術等。

2.1 治理技術簡介

2.1.1 采空區(qū)地面注漿隔離治理技術

采空區(qū)注漿隔離治理技術是一種利用注漿柱進行支撐的局部填充方法和技術，即把采空區(qū)按一定面積劃分為多個塊段進行注漿隔離，達到避免或減弱大面積采空區(qū)突然塌陷誘發(fā)礦震的一種治理方法[1]。采空區(qū)地面注漿治理技術主要適用于建(構)筑物特別是重要建筑物下采空區(qū)的治理[4]。榆林市地方煤礦大都為房采采空區(qū)，且采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體濃度情況、積水情況、垮塌情況不明，基本不具備井下充填治理的條件，僅能通過地面注漿充填治理。采空區(qū)地面注漿充填技術適應性廣、治理深度較大、技術成熟可靠。

該技術將水、水泥及粉煤灰一起送入一次攪拌筒，攪拌均勻后，漿液流入二次攪拌筒。注漿以靜注為主，采用全鉆孔注漿法完成注漿。工藝流程詳見圖1所示。水泥粉煤灰漿液配比一般按水∶水泥∶粉煤灰=1∶0.3∶0.9。

根據(jù)注漿治理工程鉆孔施工經(jīng)驗，房柱式采空區(qū)一般需多布置10%～30%的鉆孔，具體應結(jié)合榆林市地方煤礦現(xiàn)場調(diào)查與踏勘、煤柱留設面積比、煤柱片幫等多方面因素綜合考慮。

2.1.2 采空區(qū)殘留煤柱充填回收技術

對于采空區(qū)埋藏深度較大、煤層厚度小于3m，煤房煤柱分布明確、地表無建(構)筑物的房采采空區(qū)，適合采用采空區(qū)殘留煤柱充填回收技術進行治理。該技術方法不僅能實現(xiàn)煤柱資源回收，還能減小礦壓和地表沉陷的發(fā)生。殘留煤柱充填回收主要方法有膏體充填、矸石充填、超高水材料充填、風積砂充填。

針對榆林市采空區(qū)特點及風積沙分布特點，對于采空區(qū)分布清楚的房采采空區(qū)，可以考慮采用膏體充填法進行煤柱充填回收。膏體充填所需要的主要充填原材料選擇風積沙和黃土，材料來源面廣量大，通過初步的配比試驗也表明能夠滿足膏體充填的需要。

2.1.3 采空區(qū)露天剝離治理技術

采空區(qū)露天剝離治理是采用露天剝離的方式回收煤柱或先接近采空區(qū)，然后在最后一個臺階(底部臺階)上采用爆破崩落采空區(qū)頂板[5]。露天剝離治理時，一般利用地表有利于接近采空區(qū)的地形條件(如地表露天溝、沖溝、洼地或其它下凹等有利地形)，在確保安全的前提下最大程度接近采空區(qū)。對于不能繼續(xù)安全剝離的，在剝離上部巖層后形成的底部臺階上，采用垂直或傾斜中深孔崩落頂板，以徹底消除采空區(qū)突然塌陷的安全隱患，如圖2所示。

采空區(qū)露天剝離治理是淺埋采空區(qū)隱患最有效、最徹底的一種治理方式。施工簡單，能最大限度回收煤炭資源，適合火區(qū)治理且滅火效果好，然而工程量大、工期長、費用高，但是回收的煤可補償部分工程費用。因此，該技術在淺埋采空區(qū)隱患治理和淺地表自燃煤層火區(qū)滅火中應用較多，且具有較好經(jīng)濟效益。

2.1.4 未塌采空區(qū)頂板崩落治理技術

未塌采空區(qū)頂板崩落治理技術采用采空區(qū)上方的圍巖，使巖石充滿采空區(qū)或形成緩沖墊層，以改變圍巖應力分布，有效控制地壓。我國山西大同、新疆艾維溝煤礦曾對于堅硬難冒頂板均采取過放炮的方法，將頂板崩落下來，避免頂板發(fā)生大面積突然塌陷。為提高爆破效果，炮孔應盡量避開煤柱布置，根據(jù)工程實際，采用五花眼、三花眼或單排眼布置方式。炮眼間排距視情況而定。

炮孔裝藥均采用粒狀銨油炸藥，單段裝藥，裝藥高度為10～15m。為提高爆破效果，炮孔最上部一般設置5～6m的頂部堵塞段，采用細沙或泥等堵實。

2.2 治理方案比選

各種采空區(qū)治理方法都有其顯著的優(yōu)缺點，適用于不同的工程條件，見表1。

表1 采空區(qū)治理方案比選

通過對比，對于不存在近距離下層煤開采的房柱式采空區(qū)，注漿隔離治理法費用較低，技術優(yōu)點突出，一般優(yōu)先選用；對于存在近距離下層煤開采且地表無建(構)筑物的房柱式采空區(qū)，為了降低上部采空區(qū)對下部煤層開采應力集中的影響，應考慮采用頂板崩落隔離法治理。

2.3 采空區(qū)治理方案確定

綜合對比府谷縣新民鎮(zhèn)17個治理區(qū)內(nèi)地方煤礦采空區(qū)的隱患類型、特點、煤柱穩(wěn)定性分析等，結(jié)合國內(nèi)煤礦采空區(qū)治理方面的經(jīng)驗，對府谷縣新民鎮(zhèn)17個治理區(qū)提出了采空區(qū)露天剝離治理、露天剝離生態(tài)綜合治理、建筑物下采空區(qū)注漿治理、采空區(qū)注漿隔離治理、采空區(qū)頂板崩落隔離治理和采空區(qū)地表裂縫與塌陷治理等6種治理方法；并提出了17個治理區(qū)6類采空區(qū)綜合治理方案。表2為新民鎮(zhèn)采空區(qū)綜合治理工程一覽表。

表2 新民鎮(zhèn)地方煤礦采空區(qū)綜合治理工程匯總表

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

在府谷縣縣委、縣政府、能源局、國土資源局、礦管辦、新民鎮(zhèn)政府等部門大力支持和協(xié)調(diào)下，在各煤炭企業(yè)的全力配合下，開展了24座地方煤礦的資料收集、現(xiàn)場調(diào)查與踏勘、物探勘查和鉆探勘查工作。24座地方煤礦礦權總面積105.4294km2，采空區(qū)面積共計40.5606km2，涉及1-2煤層、2-1煤層、2-2煤層、3-1煤層、3-3煤層、4-3煤層、5-2煤層和5-2上煤層共8個煤層。

新民鎮(zhèn)地方煤礦采空區(qū)隱患類型主要為房柱式采空區(qū)造成煤炭資源浪費、采空區(qū)內(nèi)煤層自燃，不及時治理可能形成火區(qū)、采空區(qū)容易積水或積聚有毒有害氣體、未垮落采空區(qū)成為地表重要建(構)筑物的潛在威脅、大面積采空區(qū)突然塌陷誘發(fā)礦震等地質(zhì)災害、采空區(qū)遺留的煤柱極大地影響上下煤層的正常開采、采空區(qū)構成對生態(tài)環(huán)境的破壞、采空區(qū)誘發(fā)一系列社會問題等8大主要類型。

提出了17個治理區(qū)6種治理方法6類綜合治理方案，分析了國內(nèi)外相對成熟的采空區(qū)綜合治理方法，對新民鎮(zhèn)24座地方煤礦采空區(qū)綜合治理提出了采空區(qū)露天剝離治理、露天剝離生態(tài)綜合治理、建筑物下采空區(qū)注漿治理、采空區(qū)注漿隔離治理、采空區(qū)頂板爆破隔離治理和采空區(qū)地表裂縫與塌陷治理等6種治理方法。根據(jù)17個治理片區(qū)的開采技術特點與地形地質(zhì)特征，通過綜合分析，提出6類采空區(qū)綜合治理方案。

3.2 建議

在項目實施過程中，先開展試點工程，然后逐步推廣；根據(jù)實時、實際情況，治理方案和實施期限可作適當調(diào)整。采空區(qū)隱患綜合治理是一項復雜的系統(tǒng)工程，單靠某個部門難以實施。因此，建議采取“政府牽頭組織、相關部門配合、政策和措施結(jié)合”的辦法，成立相應的組織管理領導機構，采取“黨委領導、政府負責、企業(yè)參與”的辦法，以確保采空區(qū)綜合治理各項工作落到實處。

采空區(qū)治理過程中，應在時空上注意與煤礦開采統(tǒng)籌協(xié)調(diào)；應充分考慮開采所產(chǎn)生的地表移動規(guī)律。新民鎮(zhèn)地方煤礦采空區(qū)大都未充分垮落，在開采采空區(qū)上下煤層時，務必加強礦壓監(jiān)測和巷道超前探測等工作，以有效避免采空區(qū)隱患引發(fā)一系列地質(zhì)災害的發(fā)生。為最大程度地降低已有采空區(qū)造成的安全隱患，建議調(diào)整開采順序，采取安全措施，在條件許可時優(yōu)先開采采空區(qū)區(qū)域的其它煤層。

建議今后開采過程中，對采空區(qū)不明區(qū)段應先進行物探工作，對地表建(構)筑物、水體等下壓煤開采應編制專題論證報告，加強地表沉陷監(jiān)測工作，在開采、采空區(qū)隱患治理等各項工作過程中一定要落實各項安全措施，確保安全。

據(jù)調(diào)查研究，府谷縣還存在眾多房柱式采空區(qū)，這些采空區(qū)的存在同樣是當?shù)匕踩a(chǎn)和發(fā)展的重大安全隱患。因此，應盡快實施新民鎮(zhèn)采空區(qū)隱患治理規(guī)劃項目，為消除當?shù)夭煽諈^(qū)隱患，控制環(huán)境惡化、恢復地質(zhì)環(huán)境、保護生存環(huán)境，起到典型示范作用，盡快在府谷縣甚至榆林市推廣礦山采空區(qū)隱患治理的成功經(jīng)驗。

隨著科技的發(fā)展，可積極嘗試采用新技術、新工藝、新設備、新材料進行采空區(qū)綜合治理。