府谷县地方煤矿采空区综合治理浅谈

庞 喆

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

榆林市是煤炭资源富集区，是国家规划的13个大型煤炭建设基地之一，全市54%的土地面积含煤，煤炭已探明储量1500亿t，预测储量2800亿t，占全省已探明储量的86%，约占全国储量的1/5[1]。

榆林市的煤炭资源开发起步于20世纪80年代，经过20a的开发建设，煤炭工业得到了快速发展。1997年时，全市中小煤矿数多达854个，多数是3～6万t的小煤矿，总年产量不足2000万t。经过几年的“关井压产”、“整顿小煤矿”，关闭了449个小煤矿。2005年底，全市共有煤矿404个，全市煤炭产量首次突破亿t大关。到2008年，榆林市煤炭产量达到1.55亿t，占陕西全省总产量的73%，占全国产量的5.7%。2010年榆林市煤炭总产量已超过2亿t，仅次于相邻的内蒙古鄂尔多斯市，稳居全国第2产煤大市的位置。2012年榆林煤炭产量依然稳步增长，生产原煤3.2亿t，约占全省产量的70%。

早期的榆林矿井，大多采用“房柱式”或“残柱式”的炮采采煤方法，生产技术及装备水平低，工艺落后，管理水平低，生产能力小。落后的开采方式回采率低造成资源严重浪费，废旧的房柱式采空区存在重大安全隐患，大面积悬顶也多次诱发地质灾害，有些采空区还发生自燃着火，地表塌陷面积逐年增加，地下水位不断下降，生态环境破坏严重。老采空区所诱发的一些问题已经成为困扰企业和全市煤炭工业安全、可持续发展的重大问题。因此，实施老空区隐患综合治理，合理解决上述重大问题、控制环境恶化、恢复地质环境、保护生存环境，不仅可实现国家“绿色矿业”的战略目标，达到环境保护的目的，而且可起到典型示范作用，推广矿山地质环境恢复治理的成功经验。同时，对于构建和谐社会具有重大意义。

1 煤矿采空区概况

1.1 水文地质条件概述

本研究以榆林市府谷县煤矿采空区为研究对象，该地区位于陕北黄土高原东北部，属典型黄土高原地貌景观。区内沟谷纵横，树枝状水系发育，区内植被稀疏，农牧业不发达，水土流失严重。区域属陕北侏罗纪煤田一部分，地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区，矿区地面广泛覆盖着现代风积砂及第四系黄土层，属半掩盖区[2]。整合区地处陕北黄土高原的梁峁区，地形支离破碎，树枝状冲沟发育，侵蚀切割严重，各煤层多处于当地侵蚀基准面以上，为煤层的自燃提供了外在条件。各煤层均属低变质阶段的烟煤，自燃倾向高，易于氧化，使着火点温度降低，这些内在因素为煤层的自燃提供了便利条件。本区覆盖层主要为第四系中上更新统土黄色亚砂土—亚粘土，具垂直节理，结构松散，易于垮落流失。

1.2 采空区分布勘查

此次榆林市地方煤矿采空区隐患综合治理项目共涉及府谷县新民镇地方煤矿矿井24座，踏勘面积为93.7394km2，涉及的24座矿井矿权面积共计105.4294km2，对24座地方煤矿井田内地表覆盖层、地表建筑物、道路、高压线、农田、林地、地表塌陷(裂缝)范围、河流沟谷等进行了现场踏勘。本次瞬变电磁法探测使用的是加拿大凤凰公司生产的V8多功能电磁法探测仪和加拿大GEONICS公司生产的PROTEM系列瞬变电磁仪，确定采空区面积共计32.0506km2。

1.3 采空治理区灾害现状

该地区矿井均为小型矿井，大多采用“房柱式”方式开采，“房柱式”开采所致老空区由于遗留了大量的煤炭资源，同时顶板冒落规律性差，存在很多安全隐患。造成煤炭资源的浪费；老空区容易积水或积聚有毒有害气体，成为煤矿安全开采的重大隐患[3]；众多老空区尚未冒落，成为地表建筑物、公路、铁路、高压线路的潜在威胁；部分采空区不及时治理会形成火区；破坏生态环境，造成地下水资源的流失；老空区遗留的煤柱极大地影响上下煤层的正常开采；老空区塌陷引起地震等地质灾害。

对采空区顶板及煤柱稳定性、最小失稳面积、地表沉陷影响进行分析，新民镇地方煤矿存在的房柱式采空区一旦失稳塌陷将对地表建(构)筑物(民居、庙宇、高压线塔、信号塔、炸药库、矿区公路等)、地表植被等产生很大影响，必须对未塌陷房柱式采空区进行治理，避免采空区大面积塌陷诱发矿震。新民镇地方煤矿采空区由于埋深较浅，采空区地表极易发生抽冒型破坏。经验表明，发生抽冒时，抽冒的最大高度约为采空区最大采高的90%，经计算，新民镇地方煤矿采空区发生抽冒高度在2.43～6.12m，大部分在3～5m，抽冒型破坏对地表建筑物的影响将是毁灭性的，必须引起足够重视。

2 采空区综合治理方案

目前，采空区隐患综合治理主要有采空区地面注浆隔离治理技术、采空区残留煤柱充填回收技术、采空区露天剥离治理技术和未塌采空区顶板崩落治理技术等。

2.1 治理技术简介

2.1.1 采空区地面注浆隔离治理技术

采空区注浆隔离治理技术是一种利用注浆柱进行支撑的局部填充方法和技术，即把采空区按一定面积划分为多个块段进行注浆隔离，达到避免或减弱大面积采空区突然塌陷诱发矿震的一种治理方法[1]。采空区地面注浆治理技术主要适用于建(构)筑物特别是重要建筑物下采空区的治理[4]。榆林市地方煤矿大都为房采采空区，且采空区内有毒有害气体浓度情况、积水情况、垮塌情况不明，基本不具备井下充填治理的条件，仅能通过地面注浆充填治理。采空区地面注浆充填技术适应性广、治理深度较大、技术成熟可靠。

该技术将水、水泥及粉煤灰一起送入一次搅拌筒，搅拌均匀后，浆液流入二次搅拌筒。注浆以静注为主，采用全钻孔注浆法完成注浆。工艺流程详见图1所示。水泥粉煤灰浆液配比一般按水∶水泥∶粉煤灰=1∶0.3∶0.9。

根据注浆治理工程钻孔施工经验，房柱式采空区一般需多布置10%～30%的钻孔，具体应结合榆林市地方煤矿现场调查与踏勘、煤柱留设面积比、煤柱片帮等多方面因素综合考虑。

2.1.2 采空区残留煤柱充填回收技术

对于采空区埋藏深度较大、煤层厚度小于3m，煤房煤柱分布明确、地表无建(构)筑物的房采采空区，适合采用采空区残留煤柱充填回收技术进行治理。该技术方法不仅能实现煤柱资源回收，还能减小矿压和地表沉陷的发生。残留煤柱充填回收主要方法有膏体充填、矸石充填、超高水材料充填、风积砂充填。

针对榆林市采空区特点及风积沙分布特点，对于采空区分布清楚的房采采空区，可以考虑采用膏体充填法进行煤柱充填回收。膏体充填所需要的主要充填原材料选择风积沙和黄土，材料来源面广量大，通过初步的配比试验也表明能够满足膏体充填的需要。

2.1.3 采空区露天剥离治理技术

采空区露天剥离治理是采用露天剥离的方式回收煤柱或先接近采空区，然后在最后一个台阶(底部台阶)上采用爆破崩落采空区顶板[5]。露天剥离治理时，一般利用地表有利于接近采空区的地形条件(如地表露天沟、冲沟、洼地或其它下凹等有利地形)，在确保安全的前提下最大程度接近采空区。对于不能继续安全剥离的，在剥离上部岩层后形成的底部台阶上，采用垂直或倾斜中深孔崩落顶板，以彻底消除采空区突然塌陷的安全隐患，如图2所示。

采空区露天剥离治理是浅埋采空区隐患最有效、最彻底的一种治理方式。施工简单，能最大限度回收煤炭资源，适合火区治理且灭火效果好，然而工程量大、工期长、费用高，但是回收的煤可补偿部分工程费用。因此，该技术在浅埋采空区隐患治理和浅地表自燃煤层火区灭火中应用较多，且具有较好经济效益。

2.1.4 未塌采空区顶板崩落治理技术

未塌采空区顶板崩落治理技术采用采空区上方的围岩，使岩石充满采空区或形成缓冲垫层，以改变围岩应力分布，有效控制地压。我国山西大同、新疆艾维沟煤矿曾对于坚硬难冒顶板均采取过放炮的方法，将顶板崩落下来，避免顶板发生大面积突然塌陷。为提高爆破效果，炮孔应尽量避开煤柱布置，根据工程实际，采用五花眼、三花眼或单排眼布置方式。炮眼间排距视情况而定。

炮孔装药均采用粒状铵油炸药，单段装药，装药高度为10～15m。为提高爆破效果，炮孔最上部一般设置5～6m的顶部堵塞段，采用细沙或泥等堵实。

2.2 治理方案比选

各种采空区治理方法都有其显著的优缺点，适用于不同的工程条件，见表1。

表1 采空区治理方案比选

通过对比，对于不存在近距离下层煤开采的房柱式采空区，注浆隔离治理法费用较低，技术优点突出，一般优先选用；对于存在近距离下层煤开采且地表无建(构)筑物的房柱式采空区，为了降低上部采空区对下部煤层开采应力集中的影响，应考虑采用顶板崩落隔离法治理。

2.3 采空区治理方案确定

综合对比府谷县新民镇17个治理区内地方煤矿采空区的隐患类型、特点、煤柱稳定性分析等，结合国内煤矿采空区治理方面的经验，对府谷县新民镇17个治理区提出了采空区露天剥离治理、露天剥离生态综合治理、建筑物下采空区注浆治理、采空区注浆隔离治理、采空区顶板崩落隔离治理和采空区地表裂缝与塌陷治理等6种治理方法；并提出了17个治理区6类采空区综合治理方案。表2为新民镇采空区综合治理工程一览表。

表2 新民镇地方煤矿采空区综合治理工程汇总表

3 结论与建议

3.1 结论

在府谷县县委、县政府、能源局、国土资源局、矿管办、新民镇政府等部门大力支持和协调下，在各煤炭企业的全力配合下，开展了24座地方煤矿的资料收集、现场调查与踏勘、物探勘查和钻探勘查工作。24座地方煤矿矿权总面积105.4294km2，采空区面积共计40.5606km2，涉及1-2煤层、2-1煤层、2-2煤层、3-1煤层、3-3煤层、4-3煤层、5-2煤层和5-2上煤层共8个煤层。

新民镇地方煤矿采空区隐患类型主要为房柱式采空区造成煤炭资源浪费、采空区内煤层自燃，不及时治理可能形成火区、采空区容易积水或积聚有毒有害气体、未垮落采空区成为地表重要建(构)筑物的潜在威胁、大面积采空区突然塌陷诱发矿震等地质灾害、采空区遗留的煤柱极大地影响上下煤层的正常开采、采空区构成对生态环境的破坏、采空区诱发一系列社会问题等8大主要类型。

提出了17个治理区6种治理方法6类综合治理方案，分析了国内外相对成熟的采空区综合治理方法，对新民镇24座地方煤矿采空区综合治理提出了采空区露天剥离治理、露天剥离生态综合治理、建筑物下采空区注浆治理、采空区注浆隔离治理、采空区顶板爆破隔离治理和采空区地表裂缝与塌陷治理等6种治理方法。根据17个治理片区的开采技术特点与地形地质特征，通过综合分析，提出6类采空区综合治理方案。

3.2 建议

在项目实施过程中，先开展试点工程，然后逐步推广；根据实时、实际情况，治理方案和实施期限可作适当调整。采空区隐患综合治理是一项复杂的系统工程，单靠某个部门难以实施。因此，建议采取“政府牵头组织、相关部门配合、政策和措施结合”的办法，成立相应的组织管理领导机构，采取“党委领导、政府负责、企业参与”的办法，以确保采空区综合治理各项工作落到实处。

采空区治理过程中，应在时空上注意与煤矿开采统筹协调；应充分考虑开采所产生的地表移动规律。新民镇地方煤矿采空区大都未充分垮落，在开采采空区上下煤层时，务必加强矿压监测和巷道超前探测等工作，以有效避免采空区隐患引发一系列地质灾害的发生。为最大程度地降低已有采空区造成的安全隐患，建议调整开采顺序，采取安全措施，在条件许可时优先开采采空区区域的其它煤层。

建议今后开采过程中，对采空区不明区段应先进行物探工作，对地表建(构)筑物、水体等下压煤开采应编制专题论证报告，加强地表沉陷监测工作，在开采、采空区隐患治理等各项工作过程中一定要落实各项安全措施，确保安全。

据调查研究，府谷县还存在众多房柱式采空区，这些采空区的存在同样是当地安全生产和发展的重大安全隐患。因此，应尽快实施新民镇采空区隐患治理规划项目，为消除当地采空区隐患，控制环境恶化、恢复地质环境、保护生存环境，起到典型示范作用，尽快在府谷县甚至榆林市推广矿山采空区隐患治理的成功经验。

随着科技的发展，可积极尝试采用新技术、新工艺、新设备、新材料进行采空区综合治理。