煤礦開采沉陷有效控制的新途徑實(shí)踐

楊 澤 李永明

山西大同大學(xué)，山西大同 037003

煤炭生產(chǎn)過程中的開采活動(dòng)會(huì)造成地表沉陷問題，對(duì)礦山周邊環(huán)境影響日益突出，主要的災(zāi)害包括土地塌陷、積水，農(nóng)田減產(chǎn)、絕產(chǎn)，道路塌陷，房屋變形等問題。這些由煤礦開采過程引發(fā)的巖層移動(dòng)造成礦區(qū)出現(xiàn)沉陷，需要及時(shí)進(jìn)行控制，才能減輕地面塌陷程度。

1 影響地面沉陷的主要因素

1.1 地質(zhì)方面

首先，煤礦生產(chǎn)過程中的煤層厚度、傾角、埋深、埋藏條件的可靠性，煤層藏度，煤層松散部分的厚度都屬于影響地面沉陷的自然地質(zhì)因素；其次，開采區(qū)域的斷層、褶皺等都屬于地質(zhì)構(gòu)造方面的影響因素；再者，巖層強(qiáng)度、力學(xué)性質(zhì)、間隙等都屬于巖石物理性質(zhì)方面的影響因素；最后，煤層松散部分的水文、地質(zhì)條件，礦山排水系統(tǒng)狀況、開采方式、頂板管理水平、重復(fù)采動(dòng)等水文地質(zhì)狀況都是影響地面沉陷的主要因素類型[1]。

1.2 開采方面

地表沉降程度、范圍均與開采煤層厚度有正比關(guān)系；地面沉降范圍與開采煤層的埋深有正比關(guān)系，而地面沉降深度與其成反比關(guān)系。開采煤層傾角越大，巖層會(huì)沿垂直采空區(qū)上方移動(dòng)下落，還會(huì)沿煤層方向巖層面出現(xiàn)下滑和剪切移動(dòng)，這些移動(dòng)狀態(tài)會(huì)造成地面沉降出現(xiàn)不對(duì)稱的形態(tài)。而開采煤層的松散部分洪都超過一定數(shù)據(jù)的時(shí)候，基巖的水平移動(dòng)無法傳遞到地表，但是這部分區(qū)域的的孔隙水會(huì)隨礦井和地面排水量的增加大量排出，孔隙會(huì)逐步被壓實(shí)，在開采區(qū)域形成蓬柱狀結(jié)構(gòu)，破壞松散區(qū)域周邊巖層，造成其發(fā)生變形，引發(fā)地表沉降問題。

2 煤礦開采沉陷控制新途徑分析

2.1 開采沉陷控制技術(shù)需要重點(diǎn)考慮的因素

2.1.1 控制形成煤礦開采沉陷問題的條件

針對(duì)煤礦開采沉陷問題，要在其發(fā)生前做好相應(yīng)的預(yù)防工作，選擇合理的采礦技術(shù)工藝，對(duì)開采區(qū)域周邊的水文、地質(zhì)、土壤等因素進(jìn)行細(xì)致勘探，確保開采工作面有效展開，并根據(jù)勘探結(jié)果，結(jié)合不同區(qū)域地質(zhì)條件采取有效的防護(hù)措施，以便改善地表沉陷問題出現(xiàn)的條件，直至將其對(duì)地表的損害降至最低限度，最低限度的保護(hù)地表建筑和礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境[2]。

2.1.2 恢復(fù)和整治開采沉陷區(qū)域環(huán)境

對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)開采沉陷問題的區(qū)域要及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，以土地復(fù)墾技術(shù)對(duì)開采區(qū)域周邊環(huán)境進(jìn)行改善，可以重新耕種的要及時(shí)恢復(fù)農(nóng)作物種植。已經(jīng)出現(xiàn)積水區(qū)域的要及時(shí)采取措施進(jìn)行二次利用，同時(shí)對(duì)于地表建筑，要及時(shí)進(jìn)行加固。對(duì)開采沉陷區(qū)域土地進(jìn)行綜合整治，采取一切手段恢復(fù)開采區(qū)域周邊生態(tài)環(huán)境，保證最大限度恢復(fù)生態(tài)平衡，降低開采沉陷造成的不利影響。

2.2 煤礦開采沉陷控制的主要途徑

煤礦開采過程中一定要注意細(xì)節(jié)，開采過程中要根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)、土壤、建筑物、煤層條件確定相應(yīng)的開采沉陷控制途徑，在煤礦生產(chǎn)過程中，選擇合理的開采技術(shù)方式，謹(jǐn)慎開采，降低開采沉陷造成的危害。并且，要采取有效的培訓(xùn)教育體系，加強(qiáng)礦山工人的專業(yè)技能素質(zhì)，提高其專業(yè)素質(zhì)和安全意識(shí)[3]。

2.2.1 控制形成開采沉陷的主要方式

2.2.1.1 全部填充開采的方式

在煤礦開采生產(chǎn)過程中，煤炭采出后、礦井頂板脫落前，針對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充作業(yè)，確保礦井開采區(qū)域穩(wěn)定，一般常用的填充方式包括：固體材料、風(fēng)力、矸石自溜、水沙這幾種類型。固體材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充可以減少或延緩礦井頂板巖層下沉現(xiàn)象，有效減輕地表下沉現(xiàn)象；風(fēng)力填充是通過風(fēng)力作用將地表沙石吹填進(jìn)采空區(qū)形成填充效果；矸石自溜填充是通過礦井與地面存在的傾斜角度，將地面矸石自行滑進(jìn)采空區(qū)，形成自我填充的效果；水沙填充成效顯著，能有效降低地面沉陷，通過向礦井采空區(qū)灌入水沙形成支護(hù)作用，確保煤礦生產(chǎn)安全。這些全部填充的方式一般都需要專用設(shè)備和充足的填充材料，其投入較大，會(huì)提升煤礦生產(chǎn)成本，因此，必須根據(jù)礦井實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

2.2.1.2 條帶開采的方式

條帶開采的方式根據(jù)煤層、頂層的巖層、覆蓋面組合條件，通過相應(yīng)的比例調(diào)整，在被開采的煤層中預(yù)留相應(yīng)量的煤炭，作為開采時(shí)的支護(hù)，只開采出條帶狀的煤炭資源。這種方式只開采了部分煤炭，不僅能有效支撐上覆巖層，還能減少其移動(dòng)空間，能夠有效控制地表開采沉陷問題，但是這種開采方式對(duì)于煤炭資源的浪費(fèi)較大，開采處理的資源數(shù)量較少，需要花費(fèi)大量時(shí)間、人力、物力掘進(jìn)巷道，造成開采工作量和成本的大大增加[4]。

2.2.1.3 覆巖離層帶注漿充填的方式

結(jié)合采取區(qū)域上方覆巖移動(dòng)特點(diǎn)，在煤礦開采過程的一定時(shí)間內(nèi)，通過鉆孔向離層空間注入泥漿進(jìn)行充填。這種方式對(duì)比全部充填方式，充填量較小，只需要對(duì)離層帶進(jìn)行部分隔離填充即可，這種充填可以加固離層帶，進(jìn)而提升整體的空間穩(wěn)定性；將砌體梁結(jié)構(gòu)加固穩(wěn)定成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，提升離層帶的穩(wěn)定性和抗壓性；并將離層帶的下沉效果不再傳遞向地表，能夠有效減少或緩解地表下沉問題，針對(duì)地表建筑、農(nóng)田能有效保護(hù)。采取這種方式進(jìn)行充填能夠減少相應(yīng)的材料和成本，但是這種處理方式的技術(shù)不夠成熟，操作風(fēng)險(xiǎn)性較大。

2.2.1.4 限厚開采的方式

采用這種方式的時(shí)候需要根據(jù)開采區(qū)域的自然條件、地表建筑高度、抗壓性能等綜合計(jì)算煤層開采厚度。這種方式通過多方面的分析、比較、計(jì)算確定了煤層厚度，但是這種方式只能針對(duì)特定固定厚度的煤層，不涉及其他厚度煤層。這種開采方式較為謹(jǐn)慎，可以有效減少地面沉陷問題，但是這種開采方式需要大量的前期勘探工作、開采范圍受限，并且只能針對(duì)淺層煤炭資源，對(duì)于深層較厚煤層，操作難度高，勘探等工作量都很大。

2.2.1.5 協(xié)調(diào)開采的方式

這種開采方式針對(duì)較厚煤層。厚煤層開采一般采用分層方式，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際狀況、開采設(shè)備、開采條件等確定開采順序和步驟，使煤層開采力度形成抵消效果，使煤層開采產(chǎn)生的地表沉陷全部抵消或部分抵消。采用這種方式能夠有效降低煤炭采動(dòng)引發(fā)的地表沉陷問題，針對(duì)各方協(xié)調(diào)形成沉陷程度的抵消。這種開采方式較為方便，但是實(shí)施難度較大，無法有效把握煤層間的距離，對(duì)于相應(yīng)的勘探技術(shù)要求較高，對(duì)于生產(chǎn)組織的要求高，當(dāng)前我國礦山生產(chǎn)工人的專業(yè)素養(yǎng)還存在較大差距。2.2.2 恢復(fù)和整治開采沉陷區(qū)域環(huán)境的方式

在礦井生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)大量煤矸石，若輸送到表進(jìn)行排放，既要占用大量土地資源，又會(huì)造成環(huán)境污染；而通過向煤矸石當(dāng)中添加適量的微生物活化劑，在經(jīng)過一個(gè)植物生長期后就可建立起穩(wěn)固的植物生長層，形成熟化土壤，用于恢復(fù)開采沉陷區(qū)域的土地，不僅能改善地表環(huán)境，還能減少煤矸石的額占地。同時(shí)，若煤礦存在電廠，可以利用電廠廢棄物、粉煤灰對(duì)開采沉陷區(qū)域進(jìn)行充填，提高開采沉陷區(qū)域土地的復(fù)墾面積，將沉陷區(qū)和粉煤灰造成的危害問題轉(zhuǎn)變成改善開采沉陷區(qū)環(huán)境的有利之處[5]。

針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)積水的沉陷區(qū)，可根據(jù)積水深度進(jìn)行利用，對(duì)于水位較高的區(qū)域，若水面面積較大可以采用發(fā)展網(wǎng)箱養(yǎng)魚、圍欄養(yǎng)魚、蓄洪作灌溉水源、建造水上公園等二次利用方式進(jìn)行改善。若水面面積較小或受季節(jié)性影響較為顯著，可以采用人工或機(jī)械方式將積水沉陷區(qū)域挖深，改變成適合養(yǎng)魚、蓄水灌溉等功能的水面區(qū)域，將挖出的泥土填充到開采沉陷較小的區(qū)域，使其成為可以種植的耕地；對(duì)于水位較低的區(qū)域，可采用土地平整、改造成田地的方式進(jìn)行復(fù)墾利用，如將水位較低的邊坡地帶改造成梯田，其水平寬度和梯坎高度可根據(jù)坡度抖緩、土層薄厚、工程量大小、作物種類、耕種機(jī)械化程度綜合考慮來進(jìn)行確定，對(duì)于梯田的田間坡度、坡向可根據(jù)原有坡度、灌溉條件、土地用途來進(jìn)行確定，若整體水量較少，可通過開挖排水渠道，將積水引入河流、湖泊、坑塘、水庫等作蓄水用，而開采沉陷造成的水淹地能夠重新進(jìn)行復(fù)墾。

3 結(jié)語

煤礦開采沉陷問題在礦區(qū)普遍存在，并且是造成礦區(qū)環(huán)境出現(xiàn)問題的主要根源，在煤礦開采過程中一定要加以重視，在開采前做好預(yù)防工作，開采過程中控制開采技術(shù)方式和沉陷問題處理措施，有效減輕地面沉陷程度。雖然煤礦開采沉陷對(duì)地表土地資源的影響與破壞是不可避免的，但是不同礦區(qū)可以根據(jù)自身實(shí)際條件，結(jié)合日常生產(chǎn)活動(dòng)安排，通過采用合理技術(shù)來防止和控制開采沉陷，提高土地復(fù)墾能力，對(duì)地表沉陷區(qū)域進(jìn)行綜合治理和開發(fā)利用，才能降低對(duì)地面建筑的損害，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1] 買買提江·買合木提.有效控制煤礦開采沉陷的新途徑[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2017（ 7）：9，27.

[2] 王振海.煤礦開采沉陷充填開采技術(shù)及其應(yīng)用[J].技術(shù)與市場，2015，22（6）：228，230.

[3] 段正亮.淺談煤礦開采沉陷防治和控制的技術(shù)[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2013（4）：114.

[4] 李秀山，曹忠，柳成懋，等.岱莊煤礦條帶煤柱矸石膏體充填開采地表沉陷研究[J].煤炭工程，2012（ 4）：85-87.

[5] 戈海賓，張玉建，余同勇.煤礦開采沉陷有效控制新途徑的探討[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2006（ 1）：71-72.