我国采煤沉陷区治理技术现状及发展趋势

李凤明

（中国煤炭科工集团有限公司唐山研究院,河北唐山 063012）

我国采煤沉陷区治理技术现状及发展趋势

李凤明

（中国煤炭科工集团有限公司唐山研究院,河北唐山 063012）

采煤沉陷使矿区生态和地质环境遭到严重破坏,制约了矿区经济、生态和社会的可持续发展,对我国煤炭资源开采、采煤沉陷现状及采煤沉陷区治理技术及应用进行了研究及论述。结合煤炭发展需求,深入分析了我国采煤沉陷区治理技术的未来发展趋势,对我国采煤沉陷区的治理技术的应用和研究具有重要的意义。

采煤沉陷区;治理技术;现状;发展趋势

煤炭资源的大规模开采和利用对我国的经济发展起到巨大的推动作用,但采煤沉陷也给人类的生存环境产生一系列的消极影响,采煤沉陷区的生态恢复与治理直接关系到矿区的经济、社会和生态环境的可持续发展,是我国矿区所面临的一个亟待解决的难题。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）和“十二五”规划均将矿区生态保护及恢复技术的开发作为工作重点,提出发展绿色矿业,推进矿山地质环境恢复治理和矿区土地复垦工作。因此,对采煤沉陷区进行综合治理,恢复矿区生态环境将成为近些年我国矿山工作者的主要研究课题之一。

1 我国煤炭资源开采及沉陷概况

1.1 我国煤炭资源开采现状

我国煤炭资源分布广泛但不均匀。在全国煤炭地质总储量中,以大别山—秦岭—昆仑山为分界线,北部区域煤炭资源量大大多于南方。北方包括东北、华北、西北和苏北、鲁、皖北、豫西 17个省市区,国土面积 5×106km2,占全国总面积的52%,煤炭地质储量占全国的 93.5%;南方包括西南、两湖、两广、海南和赣、浙、沪、闽 14个省市区,国土面积 4.6×106km2,占全国总面积的48%,煤炭地质储量仅占全国的 6.5%。在南方区域,煤炭资源又主要集中在云、贵、川 3省,煤炭地质储量占南方总储量的 90%。以京广铁路为分界线,西部区域煤炭资源大大多于东部。西部包括西北、西南和晋、蒙西、豫西 13个省市区,国土面积约 6.1×106km2,煤炭地质储量占全国的85%;西部地区煤炭资源又主要集中在以山西为中心的周边地区,国土面积 1.1×106km2,煤炭地质储量占全国的 51%。东部地区 18个省市区,国土面积 3.5×106km2,煤炭地质储量仅占全国的 15%。从省区来看,新疆、内蒙古、山西和陕西 4省区的煤炭地质储量占全国的 81.3%;东北 3省占 1.6%;华东 7省市区占 2.8%,江南 9省占 1.5%。

煤炭是我国的主要能源,自 1988年以来,我国煤炭的产量在世界上一直居首位,占世界总产量的 30%左右。中国原煤产量自 2000年降至0.999Gt的低谷后,随着经济的快速增长而加速增长,2002年原煤产量为 1.415Gt,2005年突破2.0Gt为 2.113Gt,至 2009年我国原煤产量破3.0Gt,2002～2010年全国煤炭产量见图 1。山西省和内蒙古自治区的煤炭产量都已突破 0.7Gt,分别为 0.782Gt和 0.741Gt,陕西省煤炭产量达0.355Gt,成为我国煤炭产量的三大省份。据有关机构预测,2011年全国煤炭消费总量将达到3.6Gt,比 2010年增加 0.3Gt左右。

图1 我国煤炭产量变化

我国将处于工业化进程加快的关键时期,随着煤炭工业经济增长方式的转变、煤炭用途的扩展,煤炭的战略地位仍然十分重要,能源专家预测,煤炭在我国 21世纪能源总消费结构中仍将占据主导地位。

1.2 开采沉陷及环境地质问题

我国煤炭工业以井工开采为主,其产量占煤炭总产量的 95%以上,且井工开采的矿井绝大多数是长壁工作面、全陷落法处理顶板,再加上开采强度及开采规模日益加大、开采方式和工作面结构参数不合理、小煤矿的不规范开采等影响,致使采煤区地面塌陷比较严重。据统计,平均每采出 10kt原煤其土地沉陷面积为 0.2hm2,目前全国已有开采沉陷地面积 8×105hm2,并且随着煤炭资源的开采,采煤塌陷范围以每年 200km2的速度递增。

采煤沉陷造成地面建 （构）筑物、道路损毁,良田无法耕种,生态环境遭到严重破坏。我国黄淮中部地区地势平坦潜水位高,如徐州、淮北、淮南、枣庄、兖州等矿区,开采沉陷使地下水水位上升到地表标高以上或接近地表,形成常年积水或季节性积水区,其积水最大深度达 10m左右。如徐州矿区塌陷地已达 5000hm2,常年积水面积占 1/4;淮南矿区开采塌陷面积约为 1417hm2,老区最大下沉深度已达 19m之多,占总面积的 12.6%;淮北矿区的塌陷面积已达 7000hm2,其中常年积水面积占 1/3。采煤塌陷后陆地生态环境退变为水生生态环境,大面积采煤塌陷地在地表形成积水移动盆地,矿区水资源和周围生态环境受到污染和破坏,大片良田荒废,数万农民失地待业,采煤沉陷积水严重制约矿区经济、生态和社会的发展[5]。

在我国中西部地区由于煤层开采疏干含水层,地下水水位急剧下降。如山西太原、运城、大同等地因采煤沉陷使地下水水位大幅下降,造成泉水断流、机井报废、水质恶化。采煤沉陷已成为制约矿区经济、生态和社会可持续发展的关键问题。

2 采煤沉陷区治理技术及应用

2.1 农业复垦技术

采煤沉陷使大面积耕地受到损害,生产力降低甚至无法耕种,保护和恢复耕地是采煤沉陷区治理的主要任务和目标,我国经过几十年的积极探索逐步发展了疏排法、就地取土法、挖深垫浅法和固体废物充填法等农业复垦技术。在我国淮南、淮北、徐州、兖州等矿区对采煤沉陷区进行综合治理,本着因地制宜、综合治理、综合利用的原则,坚持“宜农则农、宜林则林、宜建则建、宜水则水”,开发了集种植业、渔业、家禽养殖业为一体的综合治理模式。将煤矸石、粉煤灰等矿业固体废物作为充填材料进行充填复垦,释放了大量的压占土地,改善了矿区生态环境,破解了采煤沉陷区失地群众的居住、就业、后续发展等系列难题,实现了矿区经济、生态和社会的可持续发展。

2.2 建筑复垦技术

城镇化建设是我国“十一五”和“十二五”的主要发展目标,随着我国城镇化进程的加快,理想的工程建设用地日趋紧张,综合应用采空区探测技术、采动区地基稳定性评价技术、采空区处理技术及建 （构）筑物抗变形等技术,将沉陷区开发为建设用地是缓解我国城镇建设用地 “瓶颈”的有效途径。在不断的应用和实践过程中,我国采煤沉陷区建筑复垦技术不断地得到发展和完善。如开滦矿区在开采 50年以上的老采空区地面建设了大型工业厂房、在开采 30年左右的老采空区地面建设了 2～3层楼房、酒店、会议中心等建筑物;焦作市工业聚集区在采煤塌陷区上进行工业园区建设,建设抗采动变形的框架结构工业厂房 14栋,总建筑面积 19.37hm2,居民住宅楼 34栋,总面积9.5hm2,建筑采取了基础圈梁、变形缝等抗变形技术措施,所有建筑自投入使用以来一直安全使用。

2.3 景观生态复垦技术

将景观生态学、恢复生态学等理论引进到采煤沉陷区治理中,这一复垦模式改变了过去以恢复采矿受损土地为重点的土地复垦理念,土地复垦更加关注矿区的景观生态协调和社会的可持续发展,安徽淮南、河北开滦等矿区将景观生态复垦技术应用于采煤沉陷区的治理工程,取得了良好的效果。唐山市在开滦矿区开采百年的沉陷区范围内,建设了集生态保护、休闲娱乐、旅游度假、文化会展、住宅建设、商业购物、高新技术产业为一体的新城区——南湖生态城,城市中央生态公园面积达28km2,其中有 11.5km2的湖面面积,18km2的城市森林,引入各类昆虫、鸟类等动物,形成了良好的生态系统,在全国树立了采煤沉陷区治理的典范。

2.4 充填开采技术

在煤炭资源开发的同时减少生态环境的破坏,实现绿色开采是时代发展的必然需求,充填开采已成为煤矿绿色开采技术的重要组成部分,煤矿充填开采经历了由水砂充填、低浓度胶结充填、高浓度胶结充填和膏体泵送充填阶段,目前充填开采有超高水材料充填、膏体充填、固体物充填 3种。

现阶段充填开采将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体废物作为充填材料,通过泵压或重力作用,经过管道输送到回采工作面,形成以充填体为主的上覆岩层支撑体系,有效控制地表沉陷在建筑物允许值范围内,实现村庄不搬迁,矸石零排放,安全开采“三下”压煤,保护矿区生态环境。充填开采具有充填材料来源广泛、成本低廉、制浆与输送工艺简便、充填体强度高等显著优势,目前已在我国河北邢台、山东兖州、黑龙江双鸭山、七台河等矿区试验应用,取得了较好的效果。

3 采煤沉陷区治理技术发展趋势

（1）据不完全统计,我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到 14Gt以上,其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的 60%以上,水体下（包括承压水体上）压煤占 28%左右,铁路下压煤占 12%左右,然而,到目前为止,我国仅从 “三下”采出的煤炭约有 1Gt,只占整个“三下”压煤量的 7%左右,这些压煤量严重制约着矿区的生产和可持续发展。随着资源可采储量的减少及对煤炭资源采出率要求的提高,如何实现绿色开采成为近些年煤炭企业急需解决的技术难题,充填开采技术已取得了一定阶段性成果,近些年来将会不断完善并逐步推广应用。

（2）合理规划开采布局是减轻甚至是避免开采沉陷损害的必要手段和措施,要充分利用变形规律和地面规划要求有机结合,做到有的放矢,避免开采和治理的脱节。

（3）伴随着煤炭资源的大规模开采,我国中东部煤炭资源将逐步枯竭矿井相继关闭,我国煤矿的关闭开始于上个世纪末,自 2000年我国集中关闭 40个国有煤矿后,到目前为止,已经先后关闭了约 300个国有大煤矿。关闭矿井综合生态问题越来越凸现出来,其特点是修复的综合性和复杂性,进行集关闭煤矿的塌陷地植被、水环境、工业垃圾堆积为一体的综合生态修复再造,是资源枯竭型矿区社会实现可持续发展的迫切需要。

（4）随着资源逐步减少,开采难度加大,我国能源重心西移趋势越来越明显,晋陕蒙宁甘等 5省区煤炭资源储量占全国总储量的 68%,2010年晋陕蒙 3省煤炭产量占全国煤炭产量的 50%以上,并有逐年增加趋势。西部地区由于独特的干旱气候和地理环境,生态环境极为脆弱,环境容量低下,敏感性强而稳定性差,抵御外界干扰能力弱和自然恢复功能差。因此,西部生态脆弱矿区采煤沉陷区治理及生态环境保护的任务艰巨。

[1]钱鸣高,许家林,缪协兴 .煤矿绿色开采技术 [J].中国矿业大学学报,2003,32（4）:343-348.

[2]国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006-2020年）[EB/OL].http://politics.people.com.cn/GB/1026/4089311.html,2006-02-09.

[3]国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 [EB/OL].http://www.gov.cn/2011lh/content_1825838.htm,2011-3-16.

[4]董维武 （译）.世界煤炭生产与消费趋势 [J].中国煤炭,2006,32（12）:76-78.

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[6]张俊英,王金庄 .采空区地表新建建筑地基稳定性评价技术研究 [J].矿山测量,2003（3）:28-30.

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[10]王广利 .资源型城市阜新矿山环境问题分析与治理 [J].辽宁工程技术大学学报 （自然科学版）,2010,29（3）.

[11]徐友宁,李智佩,陈华清,等 .生态环境脆弱区煤炭资源开发诱发的环境地质问题——以陕西省神木县大柳塔煤矿区为例 [J].地质通报,2008,27（8）:1344-1350.

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Current Status and Development Tendency of Coal Mining Subsidence Area Treatment Technology in China

LI Feng-ming
（Tangshan Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group Corp,Tangshan 063012,China）

In coalmining subsidence area,ecological and geological environment is destroyed seriously and sustainable developmentof economic,zoology and society in mine area is restricted.Combiningwith coal development demand and introducing coalmining subsidence area status and its treatment technology,future development tendency of treatment technology of coalmining subsidence area was analyzed deeply.It is significant for researching and applying treatment technology of coalmining subsidence area.

coalmining subsidence area;treatment technology;current status;development tendency

TD88

A

1006-6225（2011）03-0008-03

2011-04-11

“十一五”国家科技支撑计划重点资助项目 （2006BAC09B01）

李凤明 （1962-）,男,辽宁锦州人,研究员,博士,博士生导师,从事“三下”采煤与矿区生态环境保护等方面的研究。

[责任编辑:施红霞]