摘要：礦產(chǎn)資源開發(fā)利用明顯具有正負(fù)價值的兩面性。尤其象同煤集團(tuán)，在以前將近60年時間內(nèi)，由于在“兩硬”條件下開采，又缺乏環(huán)保意識，形成了現(xiàn)如今獨特的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題，如造成農(nóng)田以及建筑物破壞；山體開裂；有害氣體外泄；村莊遷徙；矸石堆積如山；水土流失；植被破壞。 顯然從科學(xué)發(fā)展觀出發(fā),在開發(fā)煤炭同時必須注意環(huán)境保護(hù)。實現(xiàn)煤炭資源綠色開采。
關(guān)鍵詞: 煤炭資源，環(huán)保型，沖擊地壓，地面塌陷，綜合治理
資源型企業(yè)的普遍發(fā)展規(guī)律，即是“勘探—前期開采—擴大生產(chǎn)—鼎盛—衰退—枯竭”過程。為此原來的煤炭企業(yè)基地除了生產(chǎn)煤炭沒有其它經(jīng)濟優(yōu)勢，相當(dāng)一些因煤炭開發(fā)而出名的企業(yè)，因為長久的開發(fā)造成地面沉陷、矸石堆積如山、地下水系破壞，現(xiàn)在又由于進(jìn)入資源枯竭更難以轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢。這些企業(yè)隨著經(jīng)濟的發(fā)展，綠色GDP系統(tǒng)的構(gòu)造，不僅要面臨著人員、安全的壓力，還進(jìn)一步面臨對環(huán)境保護(hù)的壓力。
在市場經(jīng)濟條件下，使原有的企業(yè)，尤其是資源即將枯竭的企業(yè)處境十分不利。在煤炭的供不應(yīng)求情況下，矛盾不突出，一旦供大于求，企業(yè)自身沒有任何協(xié)調(diào)能力，又將陷于困境。象同煤集團(tuán)同家梁礦現(xiàn)就處于這種情況。
為此對于今后的煤炭開采，煤炭企業(yè)必須轉(zhuǎn)變理念，以經(jīng)濟、安全、環(huán)保三大原則促進(jìn)煤炭工業(yè)得到健康、可持續(xù)發(fā)展。雖然提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟性是煤炭企業(yè)提升競爭力和必然選擇，但要想提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟性，就必須逐步完善煤炭生產(chǎn)的綠色GDP系統(tǒng)，使企業(yè)、社會、環(huán)境進(jìn)入和諧發(fā)展的軌道。不管是新建井，還是資源接近枯竭井，都必須本著煤炭資源綠色開采的原則，來提升企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展空間。
下面就以同煤集團(tuán)同家梁礦作為實例，對煤炭資源環(huán)保型開采以及沖擊地壓和地表塌陷綜合治理的技術(shù)進(jìn)行一些簡單探討。
1、礦井概況
同家梁井田位于大同市西南部南郊區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°58′29″-113°06′41″，北緯40°00′02″-40°03′11″。井田面積28.882km2。井田東北與永定莊礦相鄰，南與四老溝礦及白洞礦為界，西北與燕子山礦及四臺礦相連。
1.1礦井生產(chǎn)建設(shè)概況
同家梁礦開采歷史久遠(yuǎn)，經(jīng)過幾次技術(shù)改造，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力達(dá)到3000 kt。該礦批準(zhǔn)開采所有侏羅系可采煤層，現(xiàn)已采動過7-3、8、9、11、12、14、15號煤層。目前，一水平1080水平報廢，1040水平也基本結(jié)束，現(xiàn)全部轉(zhuǎn)入二水平1035和1013水平?，F(xiàn)主采11、12、14號煤層。開采方式為前進(jìn)式開采。
1.2 以往開采情況
我礦是一個有60多年開采歷史的老礦，開采煤層為侏羅系大同組，主要開采11#、12#和14#層煤，井田位于大同煤田向斜軸部的東南部。為近水平煤層，煤層厚1.7～3.6M, 層間距8～27M。煤層結(jié)構(gòu)簡單, 開采埋深300～400米。80年代以來均為綜合機械化長臂大冒頂開采方法，工作面傾斜長150M左右，間隔煤柱15～20M。采用盤區(qū)前進(jìn)式，雙翼開采方式。
東部主要以刀柱和倉房開采為主；中部主要以短壁和長壁開采，長壁開采數(shù)量不大且走向長度較短；西部主要以長壁開采。
1.3地質(zhì)災(zāi)害破壞情況
(1)、對水系破壞
第四紀(jì)含水層現(xiàn)大部分已遭到破壞，井田范圍內(nèi)井、泉已多年干枯，同時造成地表植被大面積枯死。
(2)、對村莊、耕地、公路等的破壞。
(3)、有害氣體外泄
通過地表裂縫井下有害氣體外泄，破壞了地表植被和生態(tài)平衡；矸石山自燃，造成空氣污染，并形成各種對人體有害的有害氣體。
2、對以后煤炭資源環(huán)保型開采的幾點建議
2.1 隨采隨治
(1)在水系下開采，盡量采用倉房式開采，并及時對開采部分進(jìn)行充填。
(2)利用綜采開采時，應(yīng)做到對采空區(qū)用煤矸石及時進(jìn)行充填，并采用深孔注液方法，來減輕裂隙延伸長度。目前，利用煤矸石和廢舊石料作為充填，是比較合理的一種選擇。
同時在地面種植大量植被，形成大面積保水工程。
2.2 洗煤與廢水處理
(1)要對所有采出煤炭進(jìn)行洗選，并且要逐步提升洗煤工藝。這不僅能提高煤炭的品牌和知名度，更是提高煤炭經(jīng)濟性的必須選擇。
(2)井下水現(xiàn)已全部經(jīng)過井下淡化泵房進(jìn)行循環(huán)利用；對于井上廢水要全部通過廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，減少外排，這同時也是節(jié)能減耗的一項重要途經(jīng)。
2.3 矸石的再利用
(1)作為土地復(fù)墾和充填地面塌陷的材料。
(2)作為制磚或其它工藝品材料。$Page_Split$
3、對沖擊地壓和地表塌陷的綜合治理技術(shù)探討
3.1 經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析
我礦開采煤層均為細(xì)砂巖和中粗砂巖頂板，巖石堅硬，整體性強，一般采取強制放頂措施，但限于生產(chǎn)技術(shù)條件，一般處理冒落高度在4～5M左右，即處理了堅硬的直接頂?shù)南挛粠r層。而10M厚老頂沒有很好處理，相鄰煤柱也較寬（20M），這就使臨空巷兩側(cè)煤柱形成高應(yīng)力，并且隨著開采深度加深形成復(fù)雜的應(yīng)力疊加條件。當(dāng)達(dá)一定極限時，老頂會形成突然切冒，造成地表整體下沉。下沉量為累計采厚的1/10左右，并且隨著近距離煤層聯(lián)合開采，下沉量還將不斷增加。
由于東部主要以刀柱和倉房開采為主，所以地表沉陷并不明顯，也無規(guī)律可循，地表裂縫較發(fā)育；中部主要以短壁和長壁開采，長壁開采數(shù)量不大且走向長度較短，所以現(xiàn)階段已在307、309盤區(qū)出現(xiàn)地表與工作面布置相似的沉陷范圍，但沉陷量不大；西部主要以長壁開采，由于開采年代較短，所以現(xiàn)無明顯地面沉陷。
從開采309盤區(qū)時，開始出現(xiàn)頂板整體壓力，當(dāng)時采用了強支強放的措施，一直到開采11#層311盤區(qū)81114-81120工作面時，才確定為沖擊地壓。
在開采過程中和開采后對地表的觀察分析結(jié)果看，在斷層破碎帶及頂板整體性不強的地段，沖擊地壓和地表沉陷并不明顯。
目前我們對沖擊地壓治理主要采取“支”、“放”、“卸”等綜合的防治措施有效地治理有重大危害性的沖擊壓力；對地裂縫主要采取地表填充方式進(jìn)行初步治理；對受地表沉陷危險的居民住宅，僅采取避讓搬遷措施。
3.2巖層移動特點
(1)、地表變形明顯
侏羅系煤層全部采完后地表移動變形最大下沉深度可達(dá)10m左右；單層地表移動變形值遠(yuǎn)大于建筑物的地表允許變形值，疊加后變形值更大。
(2)、地表沉陷十分復(fù)雜。
我礦開采歷史長，采空區(qū)分布非常復(fù)雜。主要原因有二，一者為上部煤層古窯采空區(qū)的分布和大小，無詳盡的歷史記錄，另一者是在60多年的歷史中，曾多次變更井田邊界。采空區(qū)分布的復(fù)雜性、采煤方法和頂板管理的多樣化、覆巖構(gòu)造和厚度的差異性，使得地表沉陷具有復(fù)雜性。
(3)、地表沉陷具突發(fā)性
我礦的煤層、頂板和覆巖堅硬且整體性好，頂板和覆巖的破壞形式絕大多數(shù)為切冒，僅是有一次性整體切冒或分層切冒區(qū)別而已，所以地表沉陷變形具突發(fā)性或陣發(fā)性。
(4)、地表沉陷具滯后性
地表沉陷具滯后性，且沉陷時間無規(guī)律可循，有可能是開采過后數(shù)年甚至數(shù)十年后產(chǎn)生。
(5)、地表沉陷受重復(fù)采動影響產(chǎn)生疊加
下部煤層的重復(fù)開采，特別是采用長壁式綜采工作面開采，會使上部采空區(qū)本來已經(jīng)趨于比較穩(wěn)定的煤柱及頂板又不同程度地多次遭到破壞，與此同時地表也發(fā)生多次移動變形，地表變形疊加后，對地面的破壞回更加嚴(yán)重。
(6)、地表沉陷不充分
地表沉陷后還遺留著難以估算的懸頂和空洞，下伏煤層還要繼續(xù)開采，因此，地表沉陷還會繼續(xù)。
回顧我礦的煤炭開采歷史，可以看到多種多樣的開拓方式、開采方法和頂板管理方法，可以看到地面沉陷諸多的表現(xiàn)形式，也可以看到其諸多的特殊性。
3.3 治理方案提出及費用
(1)改變開采方式
我們首先從開采設(shè)計方案上著手，采用合理的配采方式，把刀柱、倉房和長壁開采相結(jié)合，并且采用錯位開采，減少頂板整體下沉量，來減輕地面下沉。
這種方案雖然投資小，見效快，但這種方法卻與提高回采率、盡量增加資源回收力度不相符，尤其是會造成的頂板彈性能積聚，從而引發(fā)沖擊地壓發(fā)生。所以這種方法并不可取。
(2)加強放頂深度和縮小放頂間距
針對頂板特性，強化放頂工作。我們制定了工作面淺孔和兩順槽及工作面中部深孔爆破相結(jié)合的放頂方案。工作面淺孔是破壞直接頂，分臺階放頂，破壞老頂在煤柱側(cè)的懸頂。深孔爆破是為了斷頂，以降弱老頂?shù)膫鬟f支承壓力，并且破壞其一次整體性下沉量，從而減輕地表沉陷量。
這種方案能減輕沖擊地壓，減緩地表下沉量。但投資較大，且放頂布眼準(zhǔn)確度不高。對于整體治理大約需要費用600萬元左右。
(3)地面打鉆進(jìn)行充填
利用物探與鉆探相結(jié)合，利用鉆孔窺視儀和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對采空塌冒的空間進(jìn)行科學(xué)分析，根據(jù)采動時間，利用地面鉆孔逐步對這些空間進(jìn)行充填，減小地表下沉量。
這種方案對于一次性治理成功率較大，擔(dān)投資較大，且科學(xué)含量較高。對于數(shù)據(jù)分析尤其重要。并且由于充填，將對后期下部煤層開采的防治水治理造成很多不穩(wěn)定因素。對于整體治理大約需要費用1000萬元左右。
(4) 加強放頂深度和縮小放頂間距與地面打鉆進(jìn)行充填相結(jié)合
上述(2)、(3)方法相結(jié)合，開始先進(jìn)行強化放頂工作，后從地面對空間進(jìn)行充填，達(dá)到綜合治理效果。
這種方案是相輔相成地對頂板整體來壓及地表沉陷進(jìn)行綜合治理，既能對采動中的沖擊地壓進(jìn)行預(yù)防，又能對采動后的嚴(yán)重沖出地壓進(jìn)行治理，并且對地表沉陷及地裂縫起到良好效果。對于整體治理大約需要費用1500萬元左右。
4、結(jié)束語
煤炭資源的綠色開采和對地表沉陷等因采煤而發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合治理，本就是的互為一體的綜合發(fā)展方向，也是煤炭企業(yè)逐步向綠色GDP系統(tǒng)靠近的方向。
上述僅僅是我們對煤炭資源的綠色開采以及對沖擊地壓和地表沉陷綜合治理的一個初步構(gòu)想，需要進(jìn)一步的科學(xué)數(shù)據(jù)分析及科技力量的支持。
作者：謝煥鎖 苗連江
單位：同家梁礦地質(zhì)科
