煤矿采空区地质灾害类型分析及治理措施

2024-01-29刘桂莲

西部探矿工程 2024年1期

刘桂莲

（山西地宝能源有限公司，山西太原 030045）

煤炭是推动社会发展的重要资源，合理规划开采以及对采空区进行治理是促进煤炭行业绿色发展的主要途径之一。但在实际落实过程中，部分地区的煤炭企业在采空区治理方面缺少完善的工作体系。因此，针对煤矿采空区地质灾害进行分析并制定整理方案对于煤炭行业的可持续发展具有重要的现实意义。

1 我国煤矿采空区基本情况

我国是产煤大国，煤炭资源相对较为丰富，但矿区周边布满各类采空区。例如，在神木县煤炭的开采区域的整体采空区域面积已超过50km2;而山西全省范围内的煤炭采空区面积约3×104km2;另外，在江苏省矿区在采煤过程中同时伴随严重的地表沉降。由于地下煤层通常处于地下深处位置，最深处可都超过1000m，而开采煤层厚度普遍在1～4m 左右，煤层状况变化较大，采空区地质环境不尽相同。进一步对采空区进行分类，根据采煤作业深度可具体化分为浅层采空区、中深层采空区、深层采空区。

2 煤矿采空区地质灾害的主要影响

2.1 水资源枯竭

根据实际地质结构的差异以及煤矿作业形式影响，在提高煤炭单位产量的过程中，矿井作业深度将逐渐增加，通常情况下煤层顶部以及底部附近维持与周边水系相互关联，因而在煤炭开采过程应针对地下含水层进行处理以避免出现突水问题。常用方案包括地表水源改道、地下含水层封堵等措施，以此降低对煤炭开采造成的影响，保障煤炭开采作业顺利落实。但是就实际而言，此类煤矿开采作业方案不利于周边水生态系统的循环发展，进而导致周边生态系统市区水资源供给，原有的排水及补水结构逐渐失去作用，进而使得地下水资源逐渐流失。根据相关资料统计可知，现阶段国内水资源分布失衡，南多北少是现阶段水资源分布的基本概况，同时煤炭主要采区多位于北方区域，因而在煤炭开采过程中则可能导致北方地区的水资源匮乏问题逐渐加剧，进而增加南水北调工程的整体压力，不利于区域煤炭经济的稳定发展。另外，水资源匮乏也导致区域资源分配受到了影响，依托水资源发展的各类产业项目将逐渐从北方地区向南部转移，进而导致北方地区的经济发展逐渐减缓，进而对煤炭经济造成严重打击，不利于煤炭企业实现可持续发展。

2.2 破坏土地生产潜力

煤矿开采作业过程中通常产生大量的开采废物，而此类废弃物的堆积与积存将导致周边土壤环境出现变化，影响土壤的肥力，进而出现大规模土壤荒废等问题。同时，矿区作业过程中，为进一步提高开采生产效率，部分煤矿将周边区域的植物进行拔除，但是在煤矿开采后，矿企并未针对遭受破坏的土地环境进行生态恢复，如此以来，则导致煤矿开采区域的土地环境形成恶性循环，难以用于生产耕种，受到煤矿开采废料影响，此类土地在后续治理方面需要大量资金。随着矿区水资源逐渐缺失，地质环境逐渐恶化，土地的生产价值显著降低，周边区域经济发展始终依靠煤炭经济，进而在煤炭资源消失后，此类地区的经济增长窗口瞬间消失，进而导致区域经济急剧回落，甚至出现经济萎缩，受此影响，矿区废弃土地治理工作将难以开展，导致生态环境不断恶化，土地荒漠化面积逐渐增加。

2.3 采空区覆岩破坏

煤层在爆破开采后，内部稳定应力平衡状态消失，长期开采形成的大面积采空区使周边的岩体应力趋于不稳定发展状态，地层为形成新的应力平衡将出现大规模土地位移或塌陷问题。采空区顶部岩层受重力影响，逐渐对采空区产生压力，在开挖深度逐渐增加的情况下，顶部岩层对采空区的压力逐渐上升，当变形超于采空区顶部岩层的极限应变时，将导致采空区塌陷。自上而下分别为弯曲带、裂隙带、冒落带。①弯曲带具有一定的隔水特性，其位于地表以下裂隙带以上。在开采作业过程中，顶部覆岩应力平衡逐渐消失，此时岩层之间的应力强度仍处于极限范围内，土层并未出现明显松动与位移。②裂隙出现在弯曲带之下，冒落带之上，主要指待开采中的裂隙发育带，离层现象较为明显，且在隔水性方面较差，底部处于拉应力作用。③冒落带处于采空区顶部岩层位置，整体结构相当脆弱。在开采扰动影响下顶部的覆岩体逐渐垮落，进而导致顶部岩层的透水性逐渐加剧，进而形成恶性循环，导致采空区顶部岩层结构稳定性逐渐消失，环境地质灾害分类见图1。

图1 环境地质灾害分类

2.4 采空区地表变形特征

煤矿规模存在较大差异，因而采空区环境也不尽相同，周边的具体地表变形也存在一定的随机性问题。大中型煤矿采空区的地表变形问题主要表现为地表移动、地表裂缝、台阶状塌陷等。小型采空区的地表特性主要体现为地表裂隙、小规模沉降，并未处于移动盆地问题。具体表现如下：①地表移动盆地。从形成机理角度而言，采深超出采厚的20～40倍时，可能导致采区顶部岩层出现弯曲、塌落，进而在地表地形环境呈现出沉陷的区域或洼地，称为地表移动盆地。这一地形特征的范围普遍超出采空区，矿层倾斜度越高，地表倾斜问题则更加剧烈。移动盆地处于采空区顶部位置，且该区域的地表沉降量最高。内边缘区位于采空区外侧上方，成凹形，形成应力变形。外边缘区处于采空区外侧矿层顶部位置，地表存在大量的裂隙，地面位移出现倾斜迹象，成凸形。②地表裂缝。在移动盆地的边缘位置出现大量的裂隙，其裂隙宽度与长度通常与土质、深度、宽度有关。塑性小的砂质粘土地表拉伸变形达到3～4mm/m时则可能出现大规模裂隙。内应力较高的粘性土处于6～10mm/m 变形范围内方可出现裂缝。③台阶状塌陷盆地。当采深与采厚差距过于悬殊时，则将出现大规模的塌陷盆地，盆地中央部分平坦，外侧位置呈现阶梯状分布。④塌陷坑。塌陷坑需要在一定的地质变化条件下出现，主要是在缓倾斜煤层的开采中发生，或是在采集倾斜煤层的阶段形成塌陷坑现象，采空区处理技术类型见图2。

图2 采空区处理技术

3 煤矿采空区灾害治理的措施

3.1 合理开展地下水循环保护工作

由于煤矿开采过程中对地下水循环系统造成一定影响，因此作业人员须在煤矿开采过程中积极引入对应的地下水处理方案，避免水资源过度流失，同时应结合地下巷道建设规划方案，综合建设过程中可能出现的含水层结构扰动以及裂隙问题进行对应治理措施，按照相关建设标准制定后续各项工作，以此提高含水层治理效果。同时，针对煤炭开采过程中频繁出现的地下水资源渗漏等问题时，技术人员应明确具体渗漏位置后，采用以堵漏为主的工作方案，在积极维持含水层原有流向的基础上进行裂隙封堵，以此降低对地下含水层产生的各类型扰动问题。

3.2 积极优化煤矿开采方式

煤炭开采作业过程中，煤炭开采企业应积极重视开采技术的升级优化，尽可能避免在煤炭开采过程中大量采用斜井开采方案，应积极引入竖井开采，以此降低对煤层结构的扰动问题。同时，煤炭开采过程应尽可能避免采用爆破式开采方案，以免冲击波对周边矿区地形造成结构影响，进而导致周边地区出现应力失衡问题。具体方案应积极引入新设备，通过信息化采掘设备降低开采过程中对煤层结构稳定性造成的影响。

3.3 不断提高基础设施建设水平

煤矿作业过程中应确保基础设施建设趋于标准化，以此为煤矿生产作业提供基本保障，将各类开采废物进行集中处理，消除废弃物对周边环境产生的负面影响，从而为后续煤炭开采区域的生态恢复提供必要保障。同时，煤矿开采过程中应制定环境恢复工作计划，结合本地区煤矿开采的实际情况，制定煤矿采空区恢复工作的具体布置方案，同时开展防水工程修建，借助煤矸石等废料进行采空区回填，从而逐步推进后续采空区生态环境恢复工作。

3.4 严格落实土地复垦治理工作

为保护煤矿采空区周边的生态环境稳定，维持基本耕地数量供应，煤企管理人员应当加强对煤炭开采技术应用认知，根据地区环保部门规划的土地使用标准，合理调整煤矿开采方式，为煤矿采空区的土地复垦建立基础，具体可通过建设大面积的土地生产恢复方案，提高本地采空区复垦率，并结合土地复垦的基本规划要求，在对应区域种植不同类型的农作物，结合区域优势制定对应的还林还草计划，逐渐提高土壤肥力，逐步实现煤矿采空区的农业稳定发展工作，实现对土地资源的有效保护。

3.5 积极落实废弃巷道加固治理工作

煤矿开采结束后，矿区位置通常存在大量的矿井巷道和采掘面，进而形成连片采空区，对后续区域建设以及恢复工作造成一定影响。为进一步提高恢复工作进度，工作人员应针对矿区中遗留的大量废弃矿道进行填埋封堵工作，首先，应针对废弃井下巷道进行填充处理，并根据矿道深度合理进行填埋规划，将煤炭开采废弃物进行最大化利用。在此基础上，技术人员应结合煤矿采空区治理方案分步落实废弃矿道的填埋与加固作业，以此降低区域内采空区的整体规模，从而为后续的环境治理与恢复提供一定的作业平台。另外，针对开采中遗留的各类型废物，则应采取生态化治理手段，将矿采废弃物用于区域建筑材料的混合料使用，对于低价值废弃物则可选择直接回填至矿井采空区，以此消除岩层应力失衡导致的地面塌陷等问题的。煤矿采空区恢复重建工作开展过程中，工作人员要加强对该类方法的重视，合理开展后续各项工作，保障矿区重建质量。