范立民

（1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西省西安市，710065；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西省西安市，710054）

榆神府區(qū)煤炭開采強(qiáng)度與地質(zhì)災(zāi)害研究＊

范立民1，2

（1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西省西安市，710065；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西省西安市，710054）

煤炭資源開采強(qiáng)度與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度具有明顯的關(guān)系，調(diào)查了高強(qiáng)度開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀，提出了煤炭資源開采強(qiáng)度的概念、開采強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，以平面上開采面積占比大、空間上開采尺寸大、時間上開采速度快 （推進(jìn)速度）為特點(diǎn)的開采區(qū)域和開采方式定義為高強(qiáng)度開采。按照單位面積范圍內(nèi)開采區(qū)占比，可劃分為極高、高、中、低強(qiáng)度開采區(qū)。劃分了榆神府區(qū)煤炭資源開采強(qiáng)度分區(qū)，認(rèn)為神東、神南、新民礦區(qū)及榆神礦區(qū)一、二期規(guī)劃區(qū)開采強(qiáng)度過大，榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)開發(fā)強(qiáng)度過大，提出了適度開發(fā)的建議，對于區(qū)域內(nèi)未開工的井田，暫緩開發(fā)建設(shè)，調(diào)查了高強(qiáng)度開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律。

煤炭開采 開采強(qiáng)度 高強(qiáng)度采煤 地質(zhì)災(zāi)害 榆神府區(qū)

1 前言

基于煤炭資源集中連片開采導(dǎo)致的地面塌陷、泉水干涸及河流斷流的實(shí)際監(jiān)測資料，2003年作者曾經(jīng)提出統(tǒng)一規(guī)劃、合理布局、適度規(guī)模、分散開發(fā)、保水采煤的陜北煤炭資源適度開發(fā)建議。近年來，高強(qiáng)度開采逐漸受到關(guān)注，并形成了一定的研究基礎(chǔ)。研究人員從不同角度研究了高強(qiáng)度開采誘發(fā)的地面變形和巷道圍巖控制技術(shù)及綠色礦區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)。另外，一些文獻(xiàn)還報道了高強(qiáng)度開采區(qū)地下水或瓦斯運(yùn)移規(guī)律、鐵路及村莊下高強(qiáng)度開采試驗與房屋破壞規(guī)律等，主要是對單個井田 （煤礦）范圍內(nèi)連續(xù)分布的綜采工作面大采高條件下進(jìn)行的研究，并提出了防治對策。

以上研究多將綜采視為高強(qiáng)度開采，研究了綜采條件下采動損害特點(diǎn)及規(guī)律，沒有界定開采強(qiáng)度的定義及定量劃分指標(biāo)，未開展開采強(qiáng)度分區(qū)及與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育關(guān)系的研究。因此，定義開采強(qiáng)度及量化指標(biāo)體系，分析其與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的關(guān)系，有針對性地采取措施減輕地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度具有重要意義。

2 煤炭開采強(qiáng)度

繆協(xié)興教授將高強(qiáng)度開采表述為開采工作面具有大采高、大采面和快速推進(jìn)為主要特征的開采。大采高一般采高大于4.50 m，神東、神南礦區(qū)已經(jīng)達(dá)到7 m。大采面工作面長度一般大于200 m，多數(shù)300～450 m，推進(jìn)長度2000～7500 m。工作面之間煤柱間隔20 m左右。高強(qiáng)度開采生產(chǎn)效率大幅度提高，全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采，但對于開采強(qiáng)度沒有統(tǒng)一的概念和分類方法與指標(biāo)。

本文將高強(qiáng)度開采定義為以平面上開采面積占比大、空間上工作面開采尺寸大、時間上開采速度（推進(jìn)速度）快為特點(diǎn)的開采區(qū)域和開采方式。按照單位面積范圍內(nèi)開采區(qū) （采空區(qū)）占比，可劃分為高強(qiáng)度開采區(qū)、中強(qiáng)度開采區(qū)和低強(qiáng)度開采區(qū)；按照采煤工作面規(guī)格劃分，大采高、大規(guī)格采煤工作面分布區(qū)屬于高強(qiáng)度開采區(qū)，相應(yīng)的采高小、采煤工作面規(guī)格小的區(qū)域為低強(qiáng)度開采區(qū)。

2.1 面積開采強(qiáng)度

開采強(qiáng)度是指單位面積范圍內(nèi)煤炭資源開采量與總量的占比，或表述為單位面積范圍內(nèi)的開采面積與總面積之比。根據(jù)此定義，開采面積與規(guī)劃區(qū)面積之比為開采強(qiáng)度的定量劃分標(biāo)準(zhǔn)。將開采強(qiáng)度劃分為極高、高、中、低4個級別，其極高開采強(qiáng)度開采區(qū)的開采面積與總面積之比大于0.6，高強(qiáng)度開采區(qū)的開采面積與總面積之比介于0.6～0.3之間，中強(qiáng)度開采區(qū)的開采面積與總面積之比介于0.3～0.1之間，低強(qiáng)度開采區(qū)的開采面積與總面積之比小于0.1。

高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)。將擬規(guī)劃區(qū)含煤區(qū)域全部或大部分割成待開發(fā)的井田，如榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)，劃分的井田占規(guī)劃區(qū)的80%，屬于極高強(qiáng)度規(guī)劃開發(fā)區(qū)，沒有預(yù)留任何環(huán)境保護(hù)的緩沖區(qū)域，幾乎全部含煤區(qū)均規(guī)劃開發(fā)，不符合陜北生態(tài)環(huán)境特征。

高強(qiáng)度開采區(qū)。神府新民礦區(qū)含煤面積2324 km2，已經(jīng)設(shè)置采礦權(quán)的開采面積2300 km2，屬于極高強(qiáng)度開采區(qū)。礦區(qū)是目前正在進(jìn)行的高強(qiáng)度開采典范區(qū)，采礦權(quán)面積與規(guī)劃區(qū)面積之比高達(dá)90%以上，目前采空區(qū)面積約600 km2，每年以100 km2左右的速度擴(kuò)展，開采強(qiáng)度之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地質(zhì)環(huán)境承載力，不可逆轉(zhuǎn)的地質(zhì)環(huán)境破壞在所難免。

2.2 空間開采強(qiáng)度

空間開采強(qiáng)度主要考核采高和采煤工作面規(guī)格兩個指標(biāo)。將采高大于4.50 m、采煤工作面長度大于200 m、推進(jìn)長度大于2000 m的大規(guī)格采煤工作面稱為空間高強(qiáng)度開采區(qū)。將采高介于1.30～4.50 m之間、采煤工作面長度100～200 m、推進(jìn)長度1000～2000 m的區(qū)域界定為中強(qiáng)度開采區(qū)。采高小于1.30 m的區(qū)域，無論工作面長度與推進(jìn)長度多大，其對于地面地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度影響都較低，稱為低強(qiáng)度開采區(qū)。

也有不少工作面根據(jù)井田規(guī)格設(shè)置，最大推進(jìn)長度可達(dá)7000 m。工作面之間留設(shè)20 m以下的安全煤柱，單個工作面連續(xù)平行排列，最終形成大范圍的采空區(qū)，一旦煤柱失穩(wěn)，會造成大范圍頂板冒落和地面塌陷、裂縫發(fā)育，在溝谷地形區(qū)可導(dǎo)致邊坡滑動與崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

目前榆神府區(qū)設(shè)計能力為10 Mt／a的礦井，采高均大于4.50 m，工作面長度200～450 m，推進(jìn)長度2000～6700 m，均屬于空間高強(qiáng)度開采類型，部分礦井鑒于生態(tài)水位保護(hù)目標(biāo)，采用了限高開采。如榆樹灣煤礦 （設(shè)計能力8 Mt／a）2-2煤層厚11 m，開采高度5.50 m，開采上分層。而大柳塔（設(shè)計能力20 Mt／a）、哈拉溝 （設(shè)計能力10 Mt／a）、榆家梁 （設(shè)計能力17 Mt／a）、石圪臺 （設(shè)計能力10 Mt／a）、張家峁 （設(shè)計能力6 Mt／a）、紅柳林 （設(shè)計能力12 Mt／a）、檸條塔 （設(shè)計能力10 Mt／a）等煤礦，則全部是一次采全高，采高4～7 m，多數(shù)5 m左右。對于薄煤層分布區(qū)，如榆家梁煤礦4＃煤層開采區(qū)，煤層厚度0.70～1.50 m，則一次采全高，不留頂?shù)酌?，工作面回采率達(dá)到90%以上，同一區(qū)域疊加了上部2-2、3-1煤層的高強(qiáng)度開采，也屬于高強(qiáng)度開采區(qū)。

2.3 煤炭開采強(qiáng)度指標(biāo)的確定

根據(jù)以上敘述，煤炭開采強(qiáng)度主要考核指標(biāo)包括單位面積內(nèi)的開采區(qū)比例、采高及工作面規(guī)格。根據(jù)目前實(shí)際，如果采煤工作面按照大規(guī)格工作面（工作面長度200 m及以上、推進(jìn)長度2000 m以上）確定，則煤炭資源開采強(qiáng)度可劃分為極高、高、中和低強(qiáng)度開采，見表1。對于規(guī)劃區(qū)，按照規(guī)劃的井田 （開采）占比計算。當(dāng)采煤工作面規(guī)格減小，如采煤工作面長度小于100 m、推進(jìn)長度為500～1200 m時，則比照表1降低一個級別開采強(qiáng)度。

值得提及的是對于處于臨界值的開采區(qū)域，盡管定級按照表1確定，但誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害及治理對策，則可按高一級開采強(qiáng)度的模式分析。

表1 煤炭資源開采強(qiáng)度劃分指標(biāo)

2.4 煤炭開采強(qiáng)度實(shí)例及環(huán)境影響

（1）極高強(qiáng)度、高強(qiáng)度開采區(qū)實(shí)例。大柳塔煤礦大柳塔井1996年1月6日投產(chǎn)以來，1-2、2-2煤層已經(jīng)開采完，其中1-2煤層由于分布范圍小，采煤工作面規(guī)格不一，采高3～4.50 m，其下部疊加的2-2煤層開采區(qū)，采高均大于4.50 m，采煤工作面長度230～400 m，推進(jìn)長度3000～6700 m，平面開采面積達(dá)到井田面積的75%左右，屬于極高強(qiáng)度 （局部高強(qiáng)度）開采區(qū)。由于開采強(qiáng)度高，區(qū)內(nèi)原有的雙溝、五當(dāng)溝、王渠 （泉）等溝流均已經(jīng)干涸，地面裂縫發(fā)育，黃土溝壑區(qū)深、大地裂縫非常明顯，對植被生長影響大。目前，陜北大型、特大型煤礦均屬于此類開采強(qiáng)度。

（2）中強(qiáng)度開采區(qū)實(shí)例。榆神礦區(qū)東南部二墩煤礦、白鷺煤礦、三臺界煤礦、上河煤礦等，雖然具備極高強(qiáng)度開采的地質(zhì)條件，但一直以房柱式（窄條帶）開采方式為主，采高3～4.50 m，平面開采區(qū)占采礦權(quán)面積的比例30%～50%，采空區(qū)上方未發(fā)現(xiàn)地裂縫和地面沉降，采空區(qū)第四系地下水水位沒有明顯下降，基本保持了原生生態(tài)環(huán)境條件。

（3）低強(qiáng)度開采區(qū)。目前本區(qū)只有部分薄煤層分布區(qū)屬于低強(qiáng)度開采區(qū)，但疊加了下部 （或上部）的厚煤層開采，也提高了開采強(qiáng)度。

3 榆神府區(qū)煤炭開采強(qiáng)度分區(qū)

3.1 榆神府區(qū)開采 （發(fā)）強(qiáng)度分區(qū)

目前，神東 （即神府新民礦區(qū)、神南礦區(qū)）及榆神礦區(qū)一、二期規(guī)劃區(qū)均處于開采階段，榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)處于規(guī)劃階段。將取得了采礦權(quán)、正在采煤的開采區(qū)稱為開采強(qiáng)度開采區(qū)，將已經(jīng)做了整體規(guī)劃、未頒發(fā)采礦權(quán)的區(qū)域稱為開發(fā)強(qiáng)度開發(fā)區(qū)。

神東礦區(qū)范圍內(nèi)已經(jīng)全部設(shè)置了采礦權(quán)，目前開采強(qiáng)度極大，除未開采的區(qū)域外，多數(shù)以一次采全高的綜采方式開采，大柳塔煤礦采高4～7 m（煤層厚度），推進(jìn)速度快，一個工作面年產(chǎn)就達(dá)到10 Mt，工作面長度初期為150 m，目前為330 m，推進(jìn)長度初期1500 m，目前根據(jù)煤層賦存情況確定，一般推進(jìn)長度5000～7000 m，大采高、快速推進(jìn)、大規(guī)格采煤工作面，使采空區(qū)上方地面出現(xiàn)了大量塌陷、裂縫和地面變形，泉水干涸，河流斷流成為這一高強(qiáng)度開采區(qū)突出的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，為全區(qū)高強(qiáng)度開采區(qū)。

神南礦區(qū)面積440 km2，目前正在開采的煤礦有檸條塔、紅柳林、張家峁煤礦及一些地方小煤礦，開采區(qū)面積占規(guī)劃區(qū)面積的84.86%，為高強(qiáng)度開采區(qū)。

新民礦區(qū)設(shè)置了大中小型煤礦，含煤區(qū)分配完畢，煤礦單井產(chǎn)量0.3～5 Mt／a不等，采煤方式有綜采、房柱式開采和炮采，除房柱式采煤區(qū)開采強(qiáng)度中等外，其余均屬于高強(qiáng)度開采區(qū)。

榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)的地方煤礦開采區(qū)，規(guī)劃為高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)，實(shí)際多數(shù)煤礦采用窄條帶開采方式，即長壁式布設(shè)工作面、采12 m留8 m的 “窄條帶”開采，面積開采率0.5以下，開采強(qiáng)度中等。本區(qū)其余區(qū)域還規(guī)劃了大保當(dāng)、曹家灘等井田，全部為特大型煤礦，規(guī)劃開采方式均為綜采，屬于高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)。

榆神礦區(qū)二期規(guī)劃區(qū)目前有錦界 （設(shè)計能力20 Mt／a）、涼水井煤礦 （設(shè)計能力4 Mt／a）及青草界 （設(shè)計能力0.3 Mt／a）、王家溝 （設(shè)計能力0.3 Mt／a）等小煤礦，其余地段為規(guī)劃區(qū)未開發(fā)，可劃分為高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)和高強(qiáng)度開采區(qū)。

榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)處于項目環(huán)評階段，規(guī)劃了小保當(dāng)一號等6個井田，規(guī)劃區(qū)面積870 km2，規(guī)劃的井田面積726 km2，占規(guī)劃區(qū)面積的83.45%，屬于高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)。

綜上，榆神府區(qū)高強(qiáng)度開采區(qū)面積達(dá)2403 km2，占區(qū)域面積的31.67%；中強(qiáng)度開采區(qū)面積639 km2，占區(qū)域面積的8.42%；高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)面積1687 km2，占區(qū)域面積的22.24%。規(guī)劃區(qū)實(shí)施后，高強(qiáng)度開采區(qū)將占全部面積的53.91%，嚴(yán)重超過了環(huán)境容量負(fù)荷，應(yīng)該適當(dāng)放緩未開工井田的建設(shè)步伐，尤其是神府新民礦區(qū)、榆神礦區(qū)未開工的井田，建議暫緩開發(fā)。

3.2 高強(qiáng)度開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

陜西神府新民、內(nèi)蒙古東勝礦區(qū)的高強(qiáng)度開采，造成了泉水干涸和窟野河斷流，這樣的實(shí)例不勝枚舉。1999年，錦界井田開始勘探、開發(fā)，盡管筆者通過不同途徑呼吁暫緩開發(fā)錦界井田 （區(qū)），但沒有奏效。錦界煤礦根據(jù)礦井實(shí)際涌水量設(shè)置了6200 m3／h的排水能力，成為鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田礦井涌水量最大的礦井，不僅大幅度增加了煤炭生產(chǎn)成本和安全投入，而且對采兔溝水庫 （水源地）及禿尾河基流量也會產(chǎn)生較大影響。

高強(qiáng)度開采造成了嚴(yán)重的地面塌陷、地裂縫發(fā)育，對植被根系產(chǎn)生較大拉裂，致使部分裂縫附近植被枯萎或蓋度明顯降低，這種以黃土地貌區(qū)地面變形、地裂縫發(fā)育為特點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害主要分布于神木與府谷縣交接的新民礦區(qū)、神木縣城附近的大砭窯煤礦一帶。而在沙漠地貌區(qū)，雖然采動也造成了地表強(qiáng)烈變形，但由于沙地的松散，自然彌合作用較快，尤其是雨季，裂縫很快彌合，在地表很難發(fā)現(xiàn)裂縫，一旦錯過裂縫顯現(xiàn)時間，很難再看到采動損害現(xiàn)象，但這并不能消除采動損害，尤其是薩拉烏蘇組富水區(qū)，采動損害往往造成含水層地下水水位下降，進(jìn)而影響植被種群及生理指標(biāo)。

因此，榆神府礦區(qū)應(yīng)該合理確定開發(fā)規(guī)模和調(diào)整開發(fā)布局，確保煤炭經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)。

4 結(jié)論

（1）提出了開采強(qiáng)度的定義，開采強(qiáng)度是指單位范圍內(nèi)煤炭資源開采量與總量的占比，或表述為單位面積范圍內(nèi)的開采面積與總面積之比。

（2）初步給出了面積開采強(qiáng)度、空間開采強(qiáng)度和時間開采強(qiáng)度的定量指標(biāo)，認(rèn)為面積開采率達(dá)到0.6以上屬于極高強(qiáng)度開采，0.3～0.6屬于高強(qiáng)度開采，0.1～0.3屬于中強(qiáng)度開采，0.1以下屬于低強(qiáng)度開采；空間開采強(qiáng)度，采高達(dá)到4.50 m屬于高強(qiáng)度開采，1.30～4.50 m屬于中強(qiáng)度開采，1.30 m以下屬于低強(qiáng)度開采；時間開采強(qiáng)度未界定。以面積、空間開采強(qiáng)度組合后，確定一個區(qū)域的煤炭開采強(qiáng)度。

（3）目前神府新民礦區(qū)和榆神礦區(qū)的一、二期開發(fā)區(qū)開采強(qiáng)度過大，已經(jīng)超過了環(huán)境承載力，建議停止在這些區(qū)域新建煤礦，原有煤礦不宜再擴(kuò)大規(guī)模，并對采礦權(quán)面積小的一些煤礦進(jìn)行關(guān)閉，榆神礦區(qū)三期已經(jīng)規(guī)劃，建設(shè)序幕已經(jīng)拉開，建議只建設(shè)小保當(dāng)一號井，其余規(guī)劃井田暫不建設(shè)。榆神礦區(qū)西部可新建1處大型煤礦。

［1］范立民 .論陜北煤炭資源的適度開發(fā)問題 ［J］.中國煤田地質(zhì)，2004（2）

［2］范立民 .論保水采煤問題 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005 （5）

［3］范立民 .陜北煤炭基地規(guī)劃中幾個關(guān)鍵技術(shù)問題的探討 ［J］.陜西煤炭，2005（1）

［4］王雙明，范立民，黃慶享等 .生態(tài)脆弱地區(qū)的煤炭工業(yè)區(qū)域性規(guī)劃 ［J］.中國煤炭，2009（11）

［5］趙曉光，宋世杰，管園園 .基于灰色關(guān)聯(lián)度的開采沉陷關(guān)鍵影響因子分析 ［J］.中國煤炭，2010（9）

［6］張金鎖，劉春光，張偉等 .煤炭資源安全綠色高效開發(fā)綜合評價研究 ［J］.中國煤炭，2014（2）

［7］李亮 .高強(qiáng)度開采條件下堤防損害機(jī)理及治理對策研究 ［D］.中國礦業(yè)大學(xué)，2010

［8］張周權(quán) .高強(qiáng)度開采區(qū)域孤島回采的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)的研究 ［J］.能源技術(shù)與管理，2008（5）

［9］王永強(qiáng) .高強(qiáng)度開采條件下巷道穩(wěn)定性研究 ［D］.太原理工大學(xué)，2010

［10］滕永海，劉克功 .五陽煤礦高強(qiáng)度開采條件下地表移動規(guī)律的研究 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2002（4）

［11］劉鵬亮 .寬條帶充填全柱開采地表移動變形特征研究 ［J］.中國煤炭，2014（2）

［12］范立民 .陜北地區(qū)采煤造成的地下水滲漏及對策［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007 （5）

［13］馬雄德，王文科，范立民等 .生態(tài)脆弱礦區(qū)采煤對泉的影響 ［J］.中國煤炭地質(zhì)，2010（1）

On coal mining intensity and geo-hazard in Yulin-Shenmu-Fugu mine area

Fan Limin1，2
（1.Shaanxi Geological Survey，Xi'an，Shaanxi 710065，China；2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi'an，Shaanxi 710054，China）

The development of geo-hazard in mining area is related to the coal mining intensity.This paper proposes the concept of high-intensity mining and the classification standard of mining intensity based on the surveyed status of geo-hazard in high-intensity mining area.Highintensity mining is characterized by large mining acreage in level plane，large mining dimension in space and high advancing speed.It can be divided into extremely-high，high，moderate and low intensity mining areas according to the mining intensity in unit mining area.Then，the paper lists the partition in the Yulin-Shenmu-Fugu mining area according to the mining intensity：in Shendong，Shennan，Xinmin mining areas and in 1st，2nd stage planning area in Yulin-Shenmu mining area，the mining intensity is too high；in the 3rd stage planning area in Yulin-Shenmu mining area，the exploitation is excessive，so the moderate exploitation is necessary and the development and construction should be slowed down in the underdeveloped area.Finally，this paper surveys the development regularity of geo-hazard in high-intensity mining areas.

coal mining，mining intensity，high-intensity coal mining，geology hazard，Yulin-Shenmu-Fugu mining area

TD823

A

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究 （973）計劃 “西部煤炭高強(qiáng)度開采下地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)研究”（2013CB227900）

范立民 （1965-），男，山西曲沃人，教授級高級工程師，從事礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）