基于煤矿绿色开采理论的采空区治理关键技术分析

摘要：神木市采煤沉陷及火灾隐患区面积大，影响范围广，属典型的矿山地质灾害，是生态文明建设的重要一环。本文通过采空区治理关键技术分析，以推动老窑采空区的实现绿色闭坑。

关键词：老窑采空区；矿山地质灾害；绿色闭坑[1]

引言

煤炭开采过程中受生产技术、开采工艺（主要是房柱式）等因素制约，在2005年以前，煤炭生产工艺落后区域，煤矿全部采用房柱式开采。由于房采工艺回采率很低，在井下遗留了大量的呆滞煤炭资源，造成了资源的极大浪费。老采空区派生灾害隐患巨大，如老采空区大面积悬顶、浮煤自燃发火引发井田火灾、有毒有害气体泄漏、老空巷积水或山洪灌井、不可预测预见及控制的地表突然塌陷等，不仅成为威胁周边井工煤矿安全生产的重大隐患，也造成了环境污染等次生灾害，恶化了生态环境，给居住地人民生命财产安全构成了严重威胁。

目前，神木市已形成采空沉陷面积324km2[2]，老采空区内残存煤炭资源量约10亿t，导致大量耕地、林草地被损毁，有45km2采空区存在火烧隐患或正在自燃着火，矿山地质灾害及环境污染呈蔓延趋势。神木市自2009年启动采煤沉陷区及火灾隐患区综合治理项目，取得一定成效，但仍存在大量项目“批而不建，建而不竣”的现象。本文从绿色开采理论出发分析具体问题，已达到从技术角度推动采空区治理项目的实施。

1煤矿绿色开采理论及采空区治理方法

煤炭资源绿色开采的内涵主要表现在，改革开采技术，减轻对地表的扰动和水土的破坏，减少废弃物排放，矿山废弃物的资源化利用，最终实现循环经济。采空区治理即采用适当的技术，消除采空区安全隐患，在回收资源的同时重建生态，最终达到人与矿山开采和谐相处的目的。

采空区治理方案中，常用的方法有封闭、崩落、加固和充填四种类型，针对不同的采空区条件，选用一种或多种方法共同治理以达到治理目的。伴随着露天开采技术及设备的进步，现阶段通过露天剥挖方式进行采空区治理的方式已经逐渐发展起来。通过露天剥挖的方式，一方面可以回收采空区残存的煤炭资源，获得良好的经济效益，另一方面可以从根本上消除采空区诱发新的地质环境灾害，通过内、外排土场复垦造地，还耕于民，达到良好的社会效益。

2露天剥挖治理思路

针对遗留的采空区，采用成熟的露天开采技术，利用采出残煤的价值抵消治理費用，消除火源，剥挖回填，进行山、水、田、林、路统一规划，实施生态恢复和复垦造田。露天剥挖方式治理采空区的主要步骤为：采空区火区探测—安全作业厚度判断—表土回收—上覆岩层剥离（安全作业厚度以上）—灭火降温—爆破充填—快速采装—残煤回收—煤层封堵—回填碾压—黄土、表土覆盖—绿化复垦。采用边剥挖边恢复，实现治理工程与周边环境协调发展的目标。

3工程治理关键技术

3.1经济剥采比

综合治理项目不以盈利为目的，但经济效益仍是衡量建设项目能否有效运作的标准之一。活鸡兔沟相邻4个综合治理项目，由于剥采比过高，项目实施过半时因成本超出企业预算，项目中止。同时，由于现场措施不到位，诱发大面积火灾。

由于综合治理以残煤价值抵消治理费用，故引入经济剥采比概念，同时将生态恢复、灭火降温等工程费用折算至吨煤成本之中。评估项目可行性时，以平均剥采比略小于经济剥采比，达到盈亏平衡。

3.2灭火降温技术

剥挖治理本身就是彻底治理火区的一种方案，但是剥挖过程中的高温爆破是项目实施的难点。按照《爆破安全规程》，在进行爆破作业时，高温炮孔80℃以下称为低温孔，可进行一般爆破作业。所以针对性的选择快速、经济的灭火降温技术，使爆破孔控制低温孔以下即达到目的。采空区火区可分为高温火区及次生火区。

3.2.1 高温火区

高温火区为采空区已经发火，浓烟通过裂隙冒出。该类火区一般采用黄土碾压封闭裂隙，窒息灭火。剥挖工程先从满足低温孔条件处开始实施，采用超前剥离，为快速通过火区创造条件。随降深增加，接近火区时采用钻孔注水、注浆、液氮、注三相泡沫灭火（由气（氮气或空气）、固（粉煤灰或黄泥等）、液（水）三相经发泡后而形成，具有降温、阻化、惰化、抑爆等综合性防灭火性能），以缩短灭火至挖出残煤的时间。

3.2.2次生火区

次生火区具有隐蔽性而易被忽视，发火源于采空区浮煤自燃，是伴随剥挖中顶板垮塌或揭露原井工小煤窑采空区，漏风加大，充分供氧，致使采空区内处于阴燃状态的煤体发生复燃，自燃火势沿巷道迅速扩散。次生火区为埋藏较浅的火区，一般施工钻孔即可达到火源点。可以借鉴安家岭露天煤矿成熟的灭火工艺，即以三相泡沫为主，注水、注浆为辅综合灭火工艺，通过生产钻孔注入。充分发挥三项泡沫降温速度快、流动性强、易堆积点，对高中低位火点实现快速灭火。

3.3煤层封闭工艺

活鸡兔沟部分治理项目实施过程中，内排时未对端帮采空区煤层有效的处理，导致火区的扩大，故煤层封堵工艺为治理结束后不引发次生灾害的关键一环。煤层封堵工艺具体作业为：对于揭露旧巷道，设置封闭墙两道，间距20m，采用砖混结构，墙厚不小于500mm，墙面采用喷浆封闭，隔绝氧气；然后将封闭墙及煤柱采用密实粘土或者黄土覆盖，高度自煤层底板至煤层顶板6.0m，按30cm分层重型压实，压实度达到85%以上。如图1所示。

3.4排土造地工艺

排土造地须兼顾边坡稳定、减轻非均匀沉降、有害物质对土地的影响、及利于植被生长等。具体作业如下：

a、将大块、坚硬的岩石排放在底部，可以保证排土场的稳定性；采取岩土混排逐层压实，注意对土壤粗细粒径的合理搭配，使细颗粒的黄土充填到岩块的缝隙中，增加单位空间的岩土容量，减轻非均匀沉降。

b、利用黄土对火煤、煤矸石进行包埋在采坑中部，以减少酸性元素对土地的影响。

c、堆状地面排土，即大型运输机械在铺覆黄土时，排土后不碾压，堆成蜂窝状起伏的土堆，再用小型推土机稍推，而后进行人工平整。优点在于：土壤容重<1.4g/cm3，土体疏松且可容纳大量水分，为植物提供了良好的根系伸展空间；蜂窝状连续起伏的土堆，可控制暴雨时的径流汇集，根治水土流失；虚土很大程度上可自动填补非均匀沉降产生的裂缝。

4结论及建议

1）采空区剥挖治理关键技术成熟，已经过实践证明，可以实现老窑采空区绿色闭坑。

2）神木市采煤沉陷区及火灾隐患区综合治理项目已起到示范作用，可进行煤矿矿山地质灾害治理推广工作。

3）政府应完善审批、审查流程，加强实施前、中、后期监管。

参考文献：

[1]陈忠胜关于矿区“绿色闭坑”的几点探讨[J].徐州：能源技术与管理，2010年，01：142-143.

[2]黄博神木推行采空区治理回收残煤千万吨[N].北京：中国青年报，2014-8-15（5）.

[3]张云祥露天矿采空区火区发展规律及治理技术研究[D].徐州：中国矿业大学.

[4]余明高我国煤矿防灭火技术的最新发展及应用[J].重庆：矿业安全与环保.2000，27（1）：21-23.

[5]张杰高温炮孔爆破的安全处理探讨[J]. 北京：工程爆破.2013，19（1）：101-103.

作者简介：

商德伟（1984-），男，河南宁陵人，工程师，2008年毕业于中国矿业大学，现就职于中煤西安设计工程有限责任公司，从事露天采矿、运输设计工作。