辛建寶

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

引言

近些年，采空區(qū)因其危害大，治理難度高且治理周期長(zhǎng)的特點(diǎn)而備受關(guān)注[1]。目前國(guó)內(nèi)露天礦的占比遠(yuǎn)低于國(guó)際平均水平，雖然露天開(kāi)采的方式對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響一直受到制約，但國(guó)內(nèi)仍有許多井轉(zhuǎn)露的相關(guān)案例，同時(shí)國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)一系列的研究和治理在采空區(qū)修復(fù)方面取得了一定經(jīng)驗(yàn)[2-4]，但由于采空區(qū)治理難度大，壓藏煤炭資源等問(wèn)題，直接治理仍不是最優(yōu)的治理模式[5]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在早期曾提出通過(guò)地下轉(zhuǎn)露天的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理[6-8]，而目前的新形勢(shì)新政策導(dǎo)致露天采礦的方式受到了較大的制約，但同時(shí)具有一定的機(jī)遇。因此，本文主要從生態(tài)角度針對(duì)目前礦業(yè)發(fā)展的形式探討如何利用露天開(kāi)采的方式治理現(xiàn)有的礦井采空區(qū)，解決礦井采空區(qū)存在地下火區(qū)、地表裂縫以及煤炭資源不能完全回收等問(wèn)題。

本文主要從3個(gè)方面論述露天開(kāi)采在礦井采空區(qū)治理的應(yīng)用前景，通過(guò)對(duì)采空區(qū)危害的介紹分析采空區(qū)制約生產(chǎn)的主要因素，同時(shí)列舉露天開(kāi)采在治理采空區(qū)方面的優(yōu)勢(shì)，闡明露天開(kāi)采的優(yōu)勢(shì)及可行性；介紹露天開(kāi)采在治理采空區(qū)方面面臨的挑戰(zhàn)，為露天開(kāi)采面臨的問(wèn)題提供一些思考，為露天開(kāi)采工作及采空區(qū)治理工作的開(kāi)展提供理論參考和建議。

1 采空區(qū)的危害

1.1 降低土地質(zhì)量

井工煤礦開(kāi)采主要包括地質(zhì)災(zāi)害、水體污染、地表河網(wǎng)及河道景觀破壞、土地壓占及損毀、地貌景觀破壞等問(wèn)題，其對(duì)于生態(tài)環(huán)境的損傷沒(méi)有露天開(kāi)采直接，但是其危害程度不低于露天礦的破壞。同時(shí)某些礦井規(guī)模較小，管理并不規(guī)范，形成的歷史遺留問(wèn)題較大，嚴(yán)重影響區(qū)域土地質(zhì)量。

地下煤層開(kāi)采后，在上覆巖層發(fā)生移動(dòng)與變形的同時(shí)，巖層還會(huì)沿著斷層面發(fā)生滑動(dòng)，在斷層基巖露頭處的地表出現(xiàn)臺(tái)階狀的破壞，導(dǎo)致地面構(gòu)筑物無(wú)法建設(shè)。某些小型礦井對(duì)淺煤層進(jìn)行亂挖濫采，造成埋藏淺、表土層薄、基巖大面積出露，形成的采空區(qū)塌陷裂隙，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，出現(xiàn)地下火區(qū)，使地表溫度升高。同時(shí)，地表裂縫縱橫，地下火區(qū)燃燒產(chǎn)生的煙塵從裂縫溢出，導(dǎo)致土地?zé)o法繼續(xù)使用。若不進(jìn)行治理，采空區(qū)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槌料輩^(qū)，地表積水裂縫頻發(fā)，地表植被成活率低，嚴(yán)重降低土地質(zhì)量[9]。

1.2 影響社會(huì)穩(wěn)定

社會(huì)穩(wěn)定是立國(guó)根基，只有穩(wěn)定才能壓倒一切，群眾對(duì)于采空區(qū)的現(xiàn)狀無(wú)法接受或者直接造成經(jīng)濟(jì)損失，都可能造成群體性事件，影響社會(huì)穩(wěn)定。隨著城市化進(jìn)程加快，群眾對(duì)生活質(zhì)量要求提高，但資源開(kāi)采行業(yè)不可避免會(huì)影響群眾生活，如果隨著礦產(chǎn)開(kāi)挖開(kāi)采形成采空區(qū)，發(fā)生地面沉陷，影響周圍居民生產(chǎn)生活安全，同時(shí)采空區(qū)還會(huì)形成礦震，對(duì)周圍居民的生活造成影響，因此可能激化社會(huì)矛盾，社會(huì)穩(wěn)定會(huì)面臨一定威脅。

1.3 造成煤炭資源損失

由于小型礦井過(guò)分追求利益，僅開(kāi)發(fā)易于開(kāi)采的區(qū)域，導(dǎo)致大量的煤炭資源未進(jìn)行開(kāi)采，有一部分形成火煤，如不進(jìn)行治理將會(huì)使煤炭資源大量損失。同時(shí)采空區(qū)殘留煤柱，一般工作面區(qū)段隔離煤柱傾斜長(zhǎng)10m不回收，斷裂構(gòu)造煤柱不回收，則會(huì)導(dǎo)致煤炭資源的損失。目前治理的方式一般為注漿和回填裂縫，將采煤區(qū)封堵充填可以實(shí)現(xiàn)治理效果。但治理投入較大，且在治理后，剩余的煤炭資源再次開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性較差，因此剩余的煤炭資源將永久封存，若再次開(kāi)發(fā)勢(shì)必會(huì)造成二次破壞。

2 露天開(kāi)采在礦井采空區(qū)治理的優(yōu)勢(shì)

2.1 有效治理采空火區(qū)

露天開(kāi)采是治理采空區(qū)和火區(qū)的重要手段，其經(jīng)濟(jì)性也是諸多治理手段中最合理的。火煤埋藏于地下，在形成地表裂縫后，火區(qū)的范圍及著火點(diǎn)呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)，起火位置難以尋找，火區(qū)治理難度較大。如不進(jìn)行露天剝挖，則難以完全消除地下著火點(diǎn)，通過(guò)露天開(kāi)采可以采用開(kāi)挖后注水降溫的方法進(jìn)行治理，有效滅除起火點(diǎn)。該方式僅需通過(guò)專業(yè)儀器初步確定采空區(qū)和火區(qū)的位置便可進(jìn)行治理，減少尋找起火點(diǎn)的困難，徹底消除高溫明火。同時(shí)，由于采空區(qū)和火區(qū)治理進(jìn)行的主要工序和設(shè)備均是常規(guī)露天生產(chǎn)工藝，勞動(dòng)生產(chǎn)率高、開(kāi)采損失貧化小、開(kāi)采成本低，所以其經(jīng)濟(jì)合理性是較好的，工序和設(shè)備相對(duì)成熟，沒(méi)有卡脖子的技術(shù)難點(diǎn)。

2.2 露天開(kāi)采使采空區(qū)地形重塑

可以通過(guò)合理的規(guī)劃使采區(qū)地形重塑是露天開(kāi)采最大的優(yōu)勢(shì)，制約露天開(kāi)采的重要原因是露天開(kāi)采對(duì)原生地層的破壞，但對(duì)于采空區(qū)此類已經(jīng)歷過(guò)采礦活動(dòng)的采礦跡地，通過(guò)露天開(kāi)采反而可以得到更好的效果。在重塑過(guò)程中可以以流域?yàn)閱卧?，以鄰近未擾動(dòng)的地形水文形態(tài)特征作為設(shè)計(jì)參照目標(biāo)，利用ArcGIS技術(shù)重新規(guī)劃礦區(qū)的子流域及溝道，從宏觀尺度重構(gòu)礦區(qū)的流域流通性。通過(guò)露天剝離可以將原有采空區(qū)及低洼地帶填平，構(gòu)建規(guī)則性的臺(tái)階地貌或廣闊的平地，從而使土地結(jié)構(gòu)更規(guī)整，易于再次開(kāi)發(fā)利用。地形重塑形成的大面積土地更利于機(jī)械化作業(yè)和管理，通過(guò)進(jìn)行經(jīng)果林栽植、農(nóng)業(yè)種植或搭建大棚區(qū)種植花卉等，使土地性質(zhì)轉(zhuǎn)變，提升土地流轉(zhuǎn)能力，從而使采礦用地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地。同時(shí)地形重塑可以根據(jù)需要人工構(gòu)造丘陵臺(tái)階地貌，在其基礎(chǔ)上構(gòu)建光伏、風(fēng)電等清潔能源用地，該類用地對(duì)土地質(zhì)量要求不高，但對(duì)土地的地質(zhì)穩(wěn)定性要求極高，因此通過(guò)地形重塑可以使原本無(wú)法建造構(gòu)筑物的采空區(qū)土地得以利用。

2.3 露天開(kāi)采治理采空區(qū)效益顯著

在政府主管部門監(jiān)管下進(jìn)行露天開(kāi)采，可以有效解決采空區(qū)存在火區(qū)及露頭煤的問(wèn)題，治理地下采空區(qū)，回收難以回收的煤炭資源。減少煤炭資源的自燃，保護(hù)煤炭資源，通過(guò)回收煤炭資源產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益可以帶動(dòng)企業(yè)對(duì)采空區(qū)治理的積極性。采用露天開(kāi)采將地表進(jìn)行地貌重塑，將采礦工藝與后期轉(zhuǎn)型發(fā)展相結(jié)合，進(jìn)而將采空區(qū)治理、露天開(kāi)采以及生態(tài)轉(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，合理進(jìn)行地形重塑，在排棄過(guò)程中充分考慮遠(yuǎn)期發(fā)展地塊割裂及路網(wǎng)布設(shè)等問(wèn)題，降低土地后續(xù)開(kāi)發(fā)利用的成本，提高土地性質(zhì)轉(zhuǎn)變的可達(dá)性。

基于露天開(kāi)采治理采空區(qū)社會(huì)效益顯著，由于很多小型礦井的開(kāi)采，土地?fù)p毀嚴(yán)重，治理難度較高，對(duì)居民的生產(chǎn)生活穩(wěn)定造成了較大影響，在周圍居民的固有印象中，該區(qū)域便是礦區(qū)，盡管停止開(kāi)采，地質(zhì)隱患一天不消除，該區(qū)域的土地資源也無(wú)法正常使用。因此，選用露天開(kāi)采的方式便可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)徹底消除采空區(qū)并進(jìn)行地形重塑，可以有效地重新利用土地，轉(zhuǎn)變土地性質(zhì)，社會(huì)效益顯著。

2.4 露天開(kāi)采生態(tài)修復(fù)技術(shù)成果豐富

目前針對(duì)于露天開(kāi)采生態(tài)修復(fù)的研究較多，研究的層次較為豐富。從設(shè)計(jì)規(guī)劃角度，目前很多露天礦正在進(jìn)行《礦山生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)》、《全生命周期地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理與生他恢復(fù)規(guī)劃》、《礦山生態(tài)恢復(fù)成果監(jiān)測(cè)與分析》、《綠色礦山規(guī)劃》、《礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理與土地復(fù)墾規(guī)劃》(三合一報(bào)告、四合一報(bào)告)等指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)的相關(guān)規(guī)劃，在生態(tài)修復(fù)上也取得了顯著成果，真正的使到界區(qū)域還建一片綠水青山。目前除了在露天采場(chǎng)區(qū)域內(nèi)無(wú)良好的治理措施外，對(duì)于其它永久到界及臨時(shí)到界區(qū)域的生態(tài)修復(fù)措施基本無(wú)難點(diǎn)，同時(shí)有較多礦山基于現(xiàn)有排土場(chǎng)開(kāi)展生態(tài)農(nóng)牧業(yè)，取得了良好效果。露天礦地形重塑可以采用仿自然地貌的方式，將遙感技術(shù)與地形重塑相結(jié)合，提取周圍地貌特點(diǎn)，基于歸一化植被指數(shù)，將外排土場(chǎng)構(gòu)建尾臺(tái)階式，形成仿自然地貌的斜坡式和波浪式等邊坡，最大程度消除采礦痕跡。因此，采用露天開(kāi)采進(jìn)行地形重塑后，其土地的生態(tài)修復(fù)及開(kāi)發(fā)使用基于現(xiàn)有技術(shù)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

3 露天開(kāi)采在礦井采空區(qū)治理應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

露天開(kāi)采在礦井采空區(qū)治理上具備一定的優(yōu)勢(shì)，但在推廣方面仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。在政策層面面臨很大的阻力，目前國(guó)家對(duì)于煤炭資源的政策主要是去產(chǎn)能，在生態(tài)環(huán)保方面的政策也是限制露天開(kāi)采，因此能否將采礦區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槁短扉_(kāi)采仍需要遵循政府對(duì)于能源調(diào)控的安排進(jìn)行。只有在類似方面良好的政策引領(lǐng)，才能確保露天開(kāi)采的順利進(jìn)行。

在實(shí)施層面存在一定的挑戰(zhàn)，目前礦山企業(yè)的素質(zhì)良莠不齊，對(duì)于礦山開(kāi)采的理念以及礦山生態(tài)修復(fù)的理念各有不同，實(shí)施若是沒(méi)有明確的規(guī)劃作指引，所謂的地質(zhì)環(huán)境治理可能就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸I挖盜采煤炭資源的外衣。因此，在采空區(qū)進(jìn)行露天開(kāi)采前應(yīng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用方案、儲(chǔ)量核實(shí)以及生態(tài)規(guī)劃等相關(guān)文件作為指引，不能漫無(wú)目的地進(jìn)行挖采，要做到有組織、有規(guī)劃，這樣才能更持久的將這項(xiàng)工作進(jìn)行推廣，彰顯露天開(kāi)采的優(yōu)越性。

在礦山污染防治方面存在一定的挑戰(zhàn)，露天開(kāi)采最大的危害便是對(duì)原生地層的破壞，采空區(qū)也是對(duì)土地的一種破壞形式，但應(yīng)用于采空區(qū)這種危害便會(huì)減小，但露天開(kāi)采帶來(lái)的粉塵污染是無(wú)法進(jìn)行避免的，這也是進(jìn)行露天開(kāi)采的又一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。隨著露天開(kāi)采技術(shù)的提高，綠色開(kāi)采手段不斷豐富，對(duì)于開(kāi)采重要環(huán)節(jié)的降塵方法較多，因此在進(jìn)行露天開(kāi)采之前要對(duì)粉塵污染進(jìn)行嚴(yán)格的防控，應(yīng)用先進(jìn)的抑塵技術(shù)對(duì)卡車、破碎站、道路運(yùn)輸、爆破、生產(chǎn)系統(tǒng)等產(chǎn)塵環(huán)節(jié)進(jìn)行粉塵治理，把露天礦產(chǎn)塵降到最小。

在礦山生態(tài)環(huán)境治理方面存在一定的挑戰(zhàn)，采空區(qū)存在地裂縫和地下火區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害，但由于其對(duì)地面直接損傷較小，因此還具有一定的生態(tài)修復(fù)效果，但如果改用露天開(kāi)采，地表植被將會(huì)完全毀壞，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響過(guò)于直觀。因此，需要對(duì)露天采場(chǎng)盡早完成內(nèi)排，實(shí)現(xiàn)采排覆一體化，減少礦區(qū)在開(kāi)采過(guò)程中的裸露面，提高礦山綠化率，改變露天礦山大深坑的形象，將露天礦建成綠水青山。

4 露天開(kāi)采在礦井采空區(qū)治理應(yīng)用的展望

露天采礦和地下開(kāi)采本就是相輔相成的，尋求最經(jīng)濟(jì)合理的煤炭資源獲取模式才是對(duì)資源最大的利用。在2030年前，煤炭作為主要能源的戰(zhàn)略地位仍然不能改變，同時(shí)碳達(dá)峰對(duì)于煤炭的開(kāi)采與利用是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，露天開(kāi)采回收礦井部分剩余的煤炭資源是對(duì)于區(qū)域煤炭資源回收以及煤炭保障的重要手段。因此，如何做好降低露天開(kāi)采對(duì)外界的損傷，將露天開(kāi)采后的生態(tài)修復(fù)做到與周圍地貌相融合，是露天開(kāi)采能否應(yīng)用于治理的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)露天開(kāi)采的比例遠(yuǎn)低于國(guó)外水平，這對(duì)于露天開(kāi)采是一項(xiàng)機(jī)遇，只有將露天礦生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)打牢，嚴(yán)格執(zhí)行礦山的生態(tài)修復(fù)策略，才能真正使露天開(kāi)采得到認(rèn)可。因此，對(duì)于露天開(kāi)采在礦井采空區(qū)治理應(yīng)用存在以下展望。

露天開(kāi)采徹底改善礦井采空區(qū)的地層條件和地形地貌，將開(kāi)采對(duì)地層的擾動(dòng)降到最低；露天開(kāi)采與區(qū)域水文流域特征相結(jié)合，修復(fù)后消除地下水降落漏斗，改善地下水賦存條件；露天開(kāi)采在土地綜合利用方面做到邊開(kāi)采邊利用，將到界的排土場(chǎng)轉(zhuǎn)變土地利用性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)全生命周期的礦山生態(tài)經(jīng)濟(jì)體。重構(gòu)平緩地貌，結(jié)合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)，恢復(fù)機(jī)械化耕種，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

露天開(kāi)采在對(duì)采空區(qū)治理存在明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，具備一定可行性。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)注意以下問(wèn)題。

在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)在行政主管部門的管控下進(jìn)行，不能擅自開(kāi)挖、盲目挖取煤炭資源，應(yīng)服從能源調(diào)控政策，按采礦證產(chǎn)能采煤。開(kāi)采應(yīng)具有明確的開(kāi)發(fā)利用方案作為指引，開(kāi)采工藝及開(kāi)采順序應(yīng)明確；礦山生態(tài)規(guī)劃應(yīng)與開(kāi)發(fā)利用方案并進(jìn)，實(shí)現(xiàn)礦山全生命周期的生態(tài)保護(hù)。開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)控制粉塵、噪聲等污染對(duì)周邊的影響，降低露天開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響。露天開(kāi)采應(yīng)遵循采排覆一體化的原則，及時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，減少礦區(qū)地表裸露面，降低水土流失。進(jìn)行開(kāi)采前應(yīng)對(duì)形成的地形地貌、遠(yuǎn)期的利用方向、生態(tài)修復(fù)措施等進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃，展現(xiàn)出以開(kāi)采對(duì)于采空區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的美好愿景，繪制綠水青山的生態(tài)藍(lán)圖。