党昊;王宁
【摘 要】结合区域地质、工程地质等地质环境条件和人类工程活动,分析环境地质问题的形成因素,针对神木县朱家沟、白泥塔煤矿采空区的特点对其塌陷治理提出方案及建议. 【期刊名称】《高原地震》
【年(卷),期】地沟油提炼生物柴油2017(029)003
【总页数】4页(P65-68)
【关键词】采空区;塌陷地震;防治措施
【作 者】党昊;王宁
【作者单位】吸油茶中国地震局第二监测中心,陕西西安710054;陕西省地矿总公司908分公司,陕西西安710054
【正文语种】中 文
【中图分类】P315.72+8
近年来，陕西省神木及周边地区多处煤矿采空区发生塌陷，造成小型塌陷地震频发。塌陷地震是因岩层崩塌陷落而形成的地震，约占地震总数的3%，且震源浅，震级也不大，影响范围及危害较小。但在矿区范围内，塌陷地震也会对矿区人员的生命造成威胁，并直接影响矿区生产。随着煤炭资源的不断开采，神木矿区出现了资源毁坏、地质灾害、环境污染等问题。而神木县煤矿开采规模、强度大，煤矿采空区也大，严重影响当地居民的生命财产安全，且煤矿开采造成水资源极大的浪费和生态环境的恶化。因此，对煤矿采空区进行及时有效治理，并提出切实可行的防灾、减灾措施，对该地区社会经济的可持续发展有着十分重要的现实意义。
朱家沟煤矿位于陕西省陕北侏罗纪煤田神木北部矿区活鸡兔井田西北部，东与神木县中鸡镇白泥塔煤矿相连，地处陕北黄土高原的北端和毛乌素沙漠东南缘的接壤地带，其地貌单元属黄土丘陵沟壑区，地表大部被第四系风积沙和黄土所覆盖，地形总体趋势南高北低。矿区在地质构造上位于鄂尔多斯台向斜东翼陕北斜坡上，褶皱和断裂不发育，基底表现为
区域性向西缓倾的单斜构造，岩层宽缓，倾角1°～3°坡降5%～7%。矿区地层主要为侏罗系中统延安组、第四系中更新统离石组和第四系全新统风积沙。侏罗系中统延安组是主要的含煤地层，可采煤层5层， 朱家沟限定开采煤层为1-2上，1-2，开采深度标高为+1 116 m～+1 070 m标高；白泥塔煤矿限定开采煤层为1-2上，1-2号煤，限定开采标高范围为+1 115 m～+1 080 m标高。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为泥岩，遇水易软化，为I类—即易冒落的松软顶板。 根据现场调查的情况，目前1-2上煤层已全部为采空区，开采方式为房柱式炮法，采6留6，实际采高2.5 m；1-2煤层煤已全部为采空区，开采方式为房柱式炮法，采6留6，实际采高3.7 m。电动抽气机
酒精壁炉矿区内主要存在的危害有：
(1)地面塌陷。当地下煤层采空后，空区顶板岩层在自身重力和上覆岩层压力作用下，产生变形、移动。当顶板岩层内部所产生的拉张应力超过该岩的抗拉强度时，直接顶板首先发生断裂和破碎，并相继垮塌、冒落、侧帮压垮、片帮。接着上覆岩层开始变形移动，进而发生断裂离层。随着采煤工作面向前推进，受采动影响的范围也在不断扩大，形成较采空
变压器防盗锁区大得多的变形区。表现形式主要有地裂缝、地面塌陷，严重威胁矿山安全生产和采空区内众的财产安全；同时造成地表植被退化、树木枯死、农田毁坏、蠢民房屋损毁，甚至造成人员伤亡事故。
(2)滑坡。矿业开发引发滑坡灾害较少，主要因削坡，爆破等诱发滑坡或地面塌陷过程中诱发滑坡灾害。但这类灾害对土地的破坏较大，造成土地无法复垦、荒芜，严重时可造成土地沙化。
(3)泥石流。矿山弃渣、煤矸石等不合理堆放，在暴雨条件下形成泥石流灾害。引起河道堵塞，对煤矿、炼焦厂、村庄、学校等构成威胁。由于年降雨量偏少，降雨的持续时间相对要短，因此矿区内这类灾害较少。
(4)残留煤自燃。煤矿生产工作面采空区以氧化带内的漏风量不足以带走煤氧化产生的热量，则煤温逐渐升高，这时煤处于自燃发热状态，当温度达到煤的临界温度以上，氧化急剧加快，产生大量热量，又使煤温迅速升高，达到煤的着火温度时便燃烧起来，即进入自燃状态。井采空巷长期受自然界的风化、剥蚀和地下水的冲蚀、淋溶，煤柱片帮缩小直到坍塌，导致地面塌陷、裂缝；空气沿地面裂缝进入采空区后，随着时间的推移，采空区内
氧气聚积含量增加，浮煤及残留煤会慢慢自燃，最终引起采空区残留煤大面积自燃，对当地村民的生命财产安全及新农村建设构成威胁。
通过对矿区环境地质问题的分析，其主要因素如下：
(1)陕北煤田煤层埋藏较浅，在神府煤田的309个煤矿中，开采深度一般在30 m～100 m之间，甚至有的煤矿开采深度小于30 m，造成顶板岩层承重过大，形成冒顶，引发地面塌陷、地裂缝的发生[1]。
(2)陕北煤田中的含水层高于煤层，形成含水层在上，煤层在下，煤矿的开采致使上部含水层结构遭受到破坏，造成浅层地下水流失，使得地表土壤因失水而干旱，无法耕种并逐渐荒芜。
(3)上覆岩层为第四系土层时，矿层顶板即使小面积暴露，也会在局部地方沿直线向上发生垮落，并直达地表，地表将出现漏斗型塌陷坑[2]。
(4)地形地貌。矿山建设多在地形切割比较强烈的沟壑中，边坡陡峻，利用开拓，但同时也为安全生产埋下隐患。尤其是在建设中切坡过陡，往往造成边坡稳定性下降，在降雨的作
用下引发滑坡、崩塌等地质灾害[1]。
(5)区内雨季主要集中于7～9月，降雨多以突发性暴雨形式出现，易于形成泥(石)流灾害。一些矿山集中的山沟中排放的废石、矸石堆随处可见，这就为泥石流的形成提供了充分的物源。
(6)朱家沟和白泥塔煤矿瓦斯成分以N2为主，占80%以上，CH4含量在0.02 ml/kg～0.04 ml/kg。各层煤均属于低变质烟煤，煤尘爆炸指数远大于10%，煤尘具有爆炸的危险性。根据地质资料，还原样燃点与氧化燃点之差值ΔT1-3℃变化范围大，煤还原样着火点温度为242℃～356℃，氧化样着火点温度为236℃～315℃，自燃发火期短，属于自燃—易自燃煤。
采空塌陷诱发的地质灾害作为矿区的破坏性地质灾害之一，对自然环境和社会环境已造成了危害。随着矿业的发展，采空塌陷地质灾害必将对当地经济的持续发展造成较大影响。因此，地质灾害的防治成为当务之急。
地面塌陷的预防措施有：①严格执行《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开4d动感座椅
采规程》。②在重要建筑物下采煤时采用矿井充填技术充填采空区或留保安煤柱、加固建筑物等。③减少开采厚度或采用条带法开采，有效控制地面变形。④加强对采空区的监测，利用现有的理论对监测结果进行预测，对可能引起的灾害破坏提前采取相应措施[3]。⑤城镇规划和工程选址时，必须进行地质环境影响评价，对各种工程要科学地进行选址，使乡、村居民点和重要工程设施尽可能避开地质灾害危险区[4]。
根据预防措施进行综合治理。综合治理分为2个步骤：首先，进行工程治理；其次，在工程治理的基础上进行生态治理。工程治理的目的是以有序的、针对性的工程措施，结合后期的生态治理，为生态治理创造良好的治理条件，减少后期的生态治理的土地复垦基础工程量。
根据朱家沟、白泥塔煤矿矿区区域地形地貌，煤层埋藏特征、开采现状以及存在的隐患情况，对几种治理方法进行对比：
(1)“钻探灌注”水泥砂浆或粉煤灰砂浆的治理方法。该方法就是在治理区域采用地面注浆充填法充填采空区。地面采用深孔钻机向采空区打钻孔，采用水泥砂浆或粉煤灰砂浆注浆充填，填实下部采空区，阻止采煤沉陷，消除煤层自燃的安全隐患。该方法虽然可以治理，
但投资大，企业无法承担，没有产出，没有经济效益，且采空区上部的土地仍然没有治理。同时治理需要大量砂源，这样虽然治理老采空区，但又形成新的生态环境问题。
(2)充填巷道。由于白泥塔煤矿井下煤层自燃，巷道CO、CO2等有毒有害气体浓度超标，充填巷道法安全性差，工程已经无实施条件。
(3)剥离回填治理方法。剥离回填方法就是在采空区范围内自上而下分台阶开挖，露出采空区残留的煤炭后，挖除残留的煤炭，后期用黄土覆盖煤层露头，用开挖的剥离物回填采空区。最后回填开挖坑，平整及再覆盖黄土，并绿化复垦。这种方法不需要国家投资，可回收部分煤炭资源，以抵补项目投资，且治理彻底，覆土造田效果好，但施工工艺较复杂，前期投资大，适用于采空区距地表近、开挖深度不大、四周有临时堆放剥离物场地的采空区。
经过分析对比，认为朱家沟、白泥塔煤矿适宜于利用剥挖的治理方法，其有利条件有：①煤层厚度变化不大，覆盖层薄，规律性明显，结构简单，含一层夹矸，夹矸岩性以泥岩为主，属稳定型煤层。原采用房柱式开采，煤炭可回收的资源量大。②朱家沟和白泥塔煤矿1-2上煤层为持续开采煤层，其井下巷道、工作面布置资料齐全，井上下对照图明确无误，
有利于剥离回填治理。③水文、工程地质条件简单：1-2号煤层顶板主要充水层为砂岩裂隙承压水(或潜水)，矿井最大涌水量为50 m3/天，最小涌水量为5 m3/天，主要来自煤层顶板砂岩，矿井水文地质类型属以裂隙充水为主的水文地质条件简单型，涌水量小。④具备外排的条件。在治理区范围以南，有朱家沟的一个支沟，地势低洼，是初始临时外排的良好外排土场。⑤工程地质条件好。朱家沟和白泥塔煤矿，大地构造位置处于鄂尔多斯台向斜宽缓的东翼—陕北斜坡上，无岩浆活动。总体为向西倾斜的缓倾单斜构造，地层走向北北东—北东东，倾角1°～3°，未发现断层，工程地质条件好。为达到根本治理的目标，防止残留边角煤自燃，对本矿区实行自东向西“分层剥离、交错回填”的办法，在把采空区上部的覆盖层全部挖出，重新回填、压实的过程中，要清理出残留的边角煤。彻底避免地表塌陷和残留煤在地下自燃造成对环境的污染。
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