露天開采在礦井采空區(qū)治理的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

辛建寶

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

引言

近些年，采空區(qū)因其危害大，治理難度高且治理周期長的特點而備受關注[1]。目前國內露天礦的占比遠低于國際平均水平，雖然露天開采的方式對生態(tài)環(huán)境的影響一直受到制約，但國內仍有許多井轉露的相關案例，同時國內外學者通過一系列的研究和治理在采空區(qū)修復方面取得了一定經驗[2-4]，但由于采空區(qū)治理難度大，壓藏煤炭資源等問題，直接治理仍不是最優(yōu)的治理模式[5]。國內很多學者在早期曾提出通過地下轉露天的方式對采空區(qū)進行治理[6-8]，而目前的新形勢新政策導致露天采礦的方式受到了較大的制約，但同時具有一定的機遇。因此，本文主要從生態(tài)角度針對目前礦業(yè)發(fā)展的形式探討如何利用露天開采的方式治理現(xiàn)有的礦井采空區(qū)，解決礦井采空區(qū)存在地下火區(qū)、地表裂縫以及煤炭資源不能完全回收等問題。

本文主要從3個方面論述露天開采在礦井采空區(qū)治理的應用前景，通過對采空區(qū)危害的介紹分析采空區(qū)制約生產的主要因素，同時列舉露天開采在治理采空區(qū)方面的優(yōu)勢，闡明露天開采的優(yōu)勢及可行性；介紹露天開采在治理采空區(qū)方面面臨的挑戰(zhàn)，為露天開采面臨的問題提供一些思考，為露天開采工作及采空區(qū)治理工作的開展提供理論參考和建議。

1 采空區(qū)的危害

1.1 降低土地質量

井工煤礦開采主要包括地質災害、水體污染、地表河網及河道景觀破壞、土地壓占及損毀、地貌景觀破壞等問題，其對于生態(tài)環(huán)境的損傷沒有露天開采直接，但是其危害程度不低于露天礦的破壞。同時某些礦井規(guī)模較小，管理并不規(guī)范，形成的歷史遺留問題較大，嚴重影響區(qū)域土地質量。

地下煤層開采后，在上覆巖層發(fā)生移動與變形的同時，巖層還會沿著斷層面發(fā)生滑動，在斷層基巖露頭處的地表出現(xiàn)臺階狀的破壞，導致地面構筑物無法建設。某些小型礦井對淺煤層進行亂挖濫采，造成埋藏淺、表土層薄、基巖大面積出露，形成的采空區(qū)塌陷裂隙，導致采空區(qū)漏風嚴重，出現(xiàn)地下火區(qū)，使地表溫度升高。同時，地表裂縫縱橫，地下火區(qū)燃燒產生的煙塵從裂縫溢出，導致土地無法繼續(xù)使用。若不進行治理，采空區(qū)將逐步轉變?yōu)槌料輩^(qū)，地表積水裂縫頻發(fā)，地表植被成活率低，嚴重降低土地質量[9]。

1.2 影響社會穩(wěn)定

社會穩(wěn)定是立國根基，只有穩(wěn)定才能壓倒一切，群眾對于采空區(qū)的現(xiàn)狀無法接受或者直接造成經濟損失，都可能造成群體性事件，影響社會穩(wěn)定。隨著城市化進程加快，群眾對生活質量要求提高，但資源開采行業(yè)不可避免會影響群眾生活，如果隨著礦產開挖開采形成采空區(qū)，發(fā)生地面沉陷，影響周圍居民生產生活安全，同時采空區(qū)還會形成礦震，對周圍居民的生活造成影響，因此可能激化社會矛盾，社會穩(wěn)定會面臨一定威脅。

1.3 造成煤炭資源損失

由于小型礦井過分追求利益，僅開發(fā)易于開采的區(qū)域，導致大量的煤炭資源未進行開采，有一部分形成火煤，如不進行治理將會使煤炭資源大量損失。同時采空區(qū)殘留煤柱，一般工作面區(qū)段隔離煤柱傾斜長10m不回收，斷裂構造煤柱不回收，則會導致煤炭資源的損失。目前治理的方式一般為注漿和回填裂縫，將采煤區(qū)封堵充填可以實現(xiàn)治理效果。但治理投入較大，且在治理后，剩余的煤炭資源再次開采的經濟性較差，因此剩余的煤炭資源將永久封存，若再次開發(fā)勢必會造成二次破壞。

2 露天開采在礦井采空區(qū)治理的優(yōu)勢

2.1 有效治理采空火區(qū)

露天開采是治理采空區(qū)和火區(qū)的重要手段，其經濟性也是諸多治理手段中最合理的?；鹈郝癫赜诘叵拢谛纬傻乇砹芽p后，火區(qū)的范圍及著火點呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)，起火位置難以尋找，火區(qū)治理難度較大。如不進行露天剝挖，則難以完全消除地下著火點，通過露天開采可以采用開挖后注水降溫的方法進行治理，有效滅除起火點。該方式僅需通過專業(yè)儀器初步確定采空區(qū)和火區(qū)的位置便可進行治理，減少尋找起火點的困難，徹底消除高溫明火。同時，由于采空區(qū)和火區(qū)治理進行的主要工序和設備均是常規(guī)露天生產工藝，勞動生產率高、開采損失貧化小、開采成本低，所以其經濟合理性是較好的，工序和設備相對成熟，沒有卡脖子的技術難點。

2.2 露天開采使采空區(qū)地形重塑

可以通過合理的規(guī)劃使采區(qū)地形重塑是露天開采最大的優(yōu)勢，制約露天開采的重要原因是露天開采對原生地層的破壞，但對于采空區(qū)此類已經歷過采礦活動的采礦跡地，通過露天開采反而可以得到更好的效果。在重塑過程中可以以流域為單元，以鄰近未擾動的地形水文形態(tài)特征作為設計參照目標，利用ArcGIS技術重新規(guī)劃礦區(qū)的子流域及溝道，從宏觀尺度重構礦區(qū)的流域流通性。通過露天剝離可以將原有采空區(qū)及低洼地帶填平，構建規(guī)則性的臺階地貌或廣闊的平地，從而使土地結構更規(guī)整，易于再次開發(fā)利用。地形重塑形成的大面積土地更利于機械化作業(yè)和管理，通過進行經果林栽植、農業(yè)種植或搭建大棚區(qū)種植花卉等，使土地性質轉變，提升土地流轉能力，從而使采礦用地轉變?yōu)檗r業(yè)用地。同時地形重塑可以根據需要人工構造丘陵臺階地貌，在其基礎上構建光伏、風電等清潔能源用地，該類用地對土地質量要求不高，但對土地的地質穩(wěn)定性要求極高，因此通過地形重塑可以使原本無法建造構筑物的采空區(qū)土地得以利用。

2.3 露天開采治理采空區(qū)效益顯著

在政府主管部門監(jiān)管下進行露天開采，可以有效解決采空區(qū)存在火區(qū)及露頭煤的問題，治理地下采空區(qū)，回收難以回收的煤炭資源。減少煤炭資源的自燃，保護煤炭資源，通過回收煤炭資源產生經濟效益可以帶動企業(yè)對采空區(qū)治理的積極性。采用露天開采將地表進行地貌重塑，將采礦工藝與后期轉型發(fā)展相結合，進而將采空區(qū)治理、露天開采以及生態(tài)轉型發(fā)展進行統(tǒng)籌考慮，合理進行地形重塑，在排棄過程中充分考慮遠期發(fā)展地塊割裂及路網布設等問題，降低土地后續(xù)開發(fā)利用的成本，提高土地性質轉變的可達性。

基于露天開采治理采空區(qū)社會效益顯著，由于很多小型礦井的開采，土地損毀嚴重，治理難度較高，對居民的生產生活穩(wěn)定造成了較大影響，在周圍居民的固有印象中，該區(qū)域便是礦區(qū)，盡管停止開采，地質隱患一天不消除，該區(qū)域的土地資源也無法正常使用。因此，選用露天開采的方式便可以很好地解決這個問題。通過徹底消除采空區(qū)并進行地形重塑，可以有效地重新利用土地，轉變土地性質，社會效益顯著。

2.4 露天開采生態(tài)修復技術成果豐富

目前針對于露天開采生態(tài)修復的研究較多，研究的層次較為豐富。從設計規(guī)劃角度，目前很多露天礦正在進行《礦山生態(tài)修復規(guī)劃設計》、《全生命周期地質環(huán)境恢復治理與生他恢復規(guī)劃》、《礦山生態(tài)恢復成果監(jiān)測與分析》、《綠色礦山規(guī)劃》、《礦山地質環(huán)境恢復治理與土地復墾規(guī)劃》(三合一報告、四合一報告)等指導生態(tài)修復的相關規(guī)劃，在生態(tài)修復上也取得了顯著成果，真正的使到界區(qū)域還建一片綠水青山。目前除了在露天采場區(qū)域內無良好的治理措施外，對于其它永久到界及臨時到界區(qū)域的生態(tài)修復措施基本無難點，同時有較多礦山基于現(xiàn)有排土場開展生態(tài)農牧業(yè)，取得了良好效果。露天礦地形重塑可以采用仿自然地貌的方式，將遙感技術與地形重塑相結合，提取周圍地貌特點，基于歸一化植被指數(shù)，將外排土場構建尾臺階式，形成仿自然地貌的斜坡式和波浪式等邊坡，最大程度消除采礦痕跡。因此，采用露天開采進行地形重塑后，其土地的生態(tài)修復及開發(fā)使用基于現(xiàn)有技術是完全可以實現(xiàn)的。

3 露天開采在礦井采空區(qū)治理應用面臨的挑戰(zhàn)

露天開采在礦井采空區(qū)治理上具備一定的優(yōu)勢，但在推廣方面仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。在政策層面面臨很大的阻力，目前國家對于煤炭資源的政策主要是去產能，在生態(tài)環(huán)保方面的政策也是限制露天開采，因此能否將采礦區(qū)轉變?yōu)槁短扉_采仍需要遵循政府對于能源調控的安排進行。只有在類似方面良好的政策引領，才能確保露天開采的順利進行。

在實施層面存在一定的挑戰(zhàn)，目前礦山企業(yè)的素質良莠不齊，對于礦山開采的理念以及礦山生態(tài)修復的理念各有不同，實施若是沒有明確的規(guī)劃作指引，所謂的地質環(huán)境治理可能就會轉變?yōu)楸I挖盜采煤炭資源的外衣。因此，在采空區(qū)進行露天開采前應進行開發(fā)利用方案、儲量核實以及生態(tài)規(guī)劃等相關文件作為指引，不能漫無目的地進行挖采，要做到有組織、有規(guī)劃，這樣才能更持久的將這項工作進行推廣，彰顯露天開采的優(yōu)越性。

在礦山污染防治方面存在一定的挑戰(zhàn)，露天開采最大的危害便是對原生地層的破壞，采空區(qū)也是對土地的一種破壞形式，但應用于采空區(qū)這種危害便會減小，但露天開采帶來的粉塵污染是無法進行避免的，這也是進行露天開采的又一項重大挑戰(zhàn)。隨著露天開采技術的提高，綠色開采手段不斷豐富，對于開采重要環(huán)節(jié)的降塵方法較多，因此在進行露天開采之前要對粉塵污染進行嚴格的防控，應用先進的抑塵技術對卡車、破碎站、道路運輸、爆破、生產系統(tǒng)等產塵環(huán)節(jié)進行粉塵治理，把露天礦產塵降到最小。

在礦山生態(tài)環(huán)境治理方面存在一定的挑戰(zhàn)，采空區(qū)存在地裂縫和地下火區(qū)等地質災害，但由于其對地面直接損傷較小，因此還具有一定的生態(tài)修復效果，但如果改用露天開采，地表植被將會完全毀壞，對于生態(tài)環(huán)境的影響過于直觀。因此，需要對露天采場盡早完成內排，實現(xiàn)采排覆一體化，減少礦區(qū)在開采過程中的裸露面，提高礦山綠化率，改變露天礦山大深坑的形象，將露天礦建成綠水青山。

4 露天開采在礦井采空區(qū)治理應用的展望

露天采礦和地下開采本就是相輔相成的，尋求最經濟合理的煤炭資源獲取模式才是對資源最大的利用。在2030年前，煤炭作為主要能源的戰(zhàn)略地位仍然不能改變，同時碳達峰對于煤炭的開采與利用是一項重要挑戰(zhàn)，露天開采回收礦井部分剩余的煤炭資源是對于區(qū)域煤炭資源回收以及煤炭保障的重要手段。因此，如何做好降低露天開采對外界的損傷，將露天開采后的生態(tài)修復做到與周圍地貌相融合，是露天開采能否應用于治理的關鍵。目前國內露天開采的比例遠低于國外水平，這對于露天開采是一項機遇，只有將露天礦生態(tài)修復的基礎打牢，嚴格執(zhí)行礦山的生態(tài)修復策略，才能真正使露天開采得到認可。因此，對于露天開采在礦井采空區(qū)治理應用存在以下展望。

露天開采徹底改善礦井采空區(qū)的地層條件和地形地貌，將開采對地層的擾動降到最低；露天開采與區(qū)域水文流域特征相結合，修復后消除地下水降落漏斗，改善地下水賦存條件；露天開采在土地綜合利用方面做到邊開采邊利用，將到界的排土場轉變土地利用性質，實現(xiàn)全生命周期的礦山生態(tài)經濟體。重構平緩地貌，結合現(xiàn)代化農業(yè)技術，恢復機械化耕種，提高農業(yè)生產效率。

5 結論

露天開采在對采空區(qū)治理存在明顯優(yōu)勢，經濟效益和社會效益顯著，具備一定可行性。但在實際應用過程中還應注意以下問題。

在實施過程中應在行政主管部門的管控下進行，不能擅自開挖、盲目挖取煤炭資源，應服從能源調控政策，按采礦證產能采煤。開采應具有明確的開發(fā)利用方案作為指引，開采工藝及開采順序應明確；礦山生態(tài)規(guī)劃應與開發(fā)利用方案并進，實現(xiàn)礦山全生命周期的生態(tài)保護。開采過程中應控制粉塵、噪聲等污染對周邊的影響，降低露天開采對環(huán)境的影響。露天開采應遵循采排覆一體化的原則，及時實現(xiàn)內排，減少礦區(qū)地表裸露面，降低水土流失。進行開采前應對形成的地形地貌、遠期的利用方向、生態(tài)修復措施等進行系統(tǒng)性規(guī)劃，展現(xiàn)出以開采對于采空區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的美好愿景，繪制綠水青山的生態(tài)藍圖。