龐 喆

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)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(gè)大型煤炭建設(shè)基地之一，全市54%的土地面積含煤，煤炭已探明儲(chǔ)量1500億t，預(yù)測儲(chǔ)量2800億t，占全省已探明儲(chǔ)量的86%，約占全國儲(chǔ)量的1/5[1]。

榆林市的煤炭資源開發(fā)起步于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過20a的開發(fā)建設(shè)，煤炭工業(yè)得到了快速發(fā)展。1997年時(shí)，全市中小煤礦數(shù)多達(dá)854個(gè)，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(guān)井壓產(chǎn)”、“整頓小煤礦”，關(guān)閉了449個(gè)小煤礦。2005年底，全市共有煤礦404個(gè)，全市煤炭產(chǎn)量首次突破億t大關(guān)。到2008年，榆林市煤炭產(chǎn)量達(dá)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(shù)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(yán)重浪費(fèi)，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(zāi)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(yán)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(shí)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(fù)地質(zhì)環(huán)境、保護(hù)生存環(huán)境，不僅可實(shí)現(xiàn)國家“綠色礦業(yè)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，達(dá)到環(huán)境保護(hù)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(fù)治理的成功經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)于構(gòu)建和諧社會(huì)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(duì)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(dá)，水土流失嚴(yán)重。區(qū)域?qū)訇儽辟_紀(jì)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(fēng)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(yán)重，各煤層多處于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)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(diǎn)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(gòu)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(xiàng)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(quán)面積共計(jì)105.4294km2，對(duì)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(jìn)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(jì)32.0506km2。

1.3 采空治理區(qū)災(zāi)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(shí)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(fèi)；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(shí)治理會(huì)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(zāi)害。

對(duì)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(jìn)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(duì)地表建(構(gòu))筑物(民居、廟宇、高壓線塔、信號(hào)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(duì)未塌陷房柱式采空區(qū)進(jìn)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(yàn)表明，發(fā)生抽冒時(shí)，抽冒的最大高度約為采空區(qū)最大采高的90%，經(jīng)計(jì)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(duì)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(shù)、采空區(qū)殘留煤柱充填回收技術(shù)、采空區(qū)露天剝離治理技術(shù)和未塌采空區(qū)頂板崩落治理技術(shù)等。

2.1 治理技術(shù)簡介

2.1.1 采空區(qū)地面注漿隔離治理技術(shù)

采空區(qū)注漿隔離治理技術(shù)是一種利用注漿柱進(jìn)行支撐的局部填充方法和技術(shù)，即把采空區(qū)按一定面積劃分為多個(gè)塊段進(jìn)行注漿隔離，達(dá)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(shù)主要適用于建(構(gòu))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(shù)適應(yīng)性廣、治理深度較大、技術(shù)成熟可靠。

該技術(shù)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(yàn)，房柱式采空區(qū)一般需多布置10%～30%的鉆孔，具體應(yīng)結(jié)合榆林市地方煤礦現(xiàn)場調(diào)查與踏勘、煤柱留設(shè)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(shù)

對(duì)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(gòu))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(shù)進(jìn)行治理。該技術(shù)方法不僅能實(shí)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(fēng)積砂充填。

針對(duì)榆林市采空區(qū)特點(diǎn)及風(fēng)積沙分布特點(diǎn)，對(duì)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(jìn)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(fēng)積沙和黃土，材料來源面廣量大，通過初步的配比試驗(yàn)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(shù)

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(gè)臺(tái)階(底部臺(tái)階)上采用爆破崩落采空區(qū)頂板[5]。露天剝離治理時(shí)，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(duì)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(tái)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(fèi)用高，但是回收的煤可補(bǔ)償部分工程費(fèi)用。因此，該技術(shù)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(yīng)用較多，且具有較好經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.4 未塌采空區(qū)頂板崩落治理技術(shù)

未塌采空區(qū)頂板崩落治理技術(shù)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(yīng)力分布，有效控制地壓。我國山西大同、新疆艾維溝煤礦曾對(duì)于堅(jiān)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(yīng)盡量避開煤柱布置，根據(jù)工程實(shí)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(shè)置5～6m的頂部堵塞段，采用細(xì)沙或泥等堵實(shí)。

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(diǎn)，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(duì)比，對(duì)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(fèi)用較低，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，一般優(yōu)先選用；對(duì)于存在近距離下層煤開采且地表無建(構(gòu))筑物的房柱式采空區(qū)，為了降低上部采空區(qū)對(duì)下部煤層開采應(yīng)力集中的影響，應(yīng)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(duì)比府谷縣新民鎮(zhèn)17個(gè)治理區(qū)內(nèi)地方煤礦采空區(qū)的隱患類型、特點(diǎn)、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(yàn)，對(duì)府谷縣新民鎮(zhèn)17個(gè)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(gè)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(quán)總面積105.4294km2，采空區(qū)面積共計(jì)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(gè)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(fèi)、采空區(qū)內(nèi)煤層自燃，不及時(shí)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(gòu))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(zāi)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(gòu)成對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞、采空區(qū)誘發(fā)一系列社會(huì)問題等8大主要類型。

提出了17個(gè)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(duì)成熟的采空區(qū)綜合治理方法，對(duì)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(gè)治理片區(qū)的開采技術(shù)特點(diǎn)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(xiàng)目實(shí)施過程中，先開展試點(diǎn)工程，然后逐步推廣；根據(jù)實(shí)時(shí)、實(shí)際情況，治理方案和實(shí)施期限可作適當(dāng)調(diào)整。采空區(qū)隱患綜合治理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單靠某個(gè)部門難以實(shí)施。因此，建議采取“政府牽頭組織、相關(guān)部門配合、政策和措施結(jié)合”的辦法，成立相應(yīng)的組織管理領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，采取“黨委領(lǐng)導(dǎo)、政府負(fù)責(zé)、企業(yè)參與”的辦法，以確保采空區(qū)綜合治理各項(xiàng)工作落到實(shí)處。

采空區(qū)治理過程中，應(yīng)在時(shí)空上注意與煤礦開采統(tǒng)籌協(xié)調(diào)；應(yīng)充分考慮開采所產(chǎn)生的地表移動(dòng)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(shí)，務(wù)必加強(qiáng)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(zāi)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(shí)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(duì)采空區(qū)不明區(qū)段應(yīng)先進(jìn)行物探工作，對(duì)地表建(構(gòu))筑物、水體等下壓煤開采應(yīng)編制專題論證報(bào)告，加強(qiáng)地表沉陷監(jiān)測工作，在開采、采空區(qū)隱患治理等各項(xiàng)工作過程中一定要落實(shí)各項(xiàng)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(dāng)?shù)匕踩a(chǎn)和發(fā)展的重大安全隱患。因此，應(yīng)盡快實(shí)施新民鎮(zhèn)采空區(qū)隱患治理規(guī)劃項(xiàng)目，為消除當(dāng)?shù)夭煽諈^(qū)隱患，控制環(huán)境惡化、恢復(fù)地質(zhì)環(huán)境、保護(hù)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(yàn)。

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