重视保护矿区生态地貌——煤矿地面塌陷防治技术分析

张 猛

(黑龙江省桩基础工程公司，哈尔滨150036)

目前全国煤矿的开采方式以井口开采为主，露天开采仅占全国总储量的7.5%。由于煤矿开采区的强烈人为扰动，特别是采取放炮方式的采煤区，受剧烈震动的影响，极易发生地下渗漏及岩石塌方危害。根据不完全统计，2000 年以前，全国平均采煤1.2×109t/a，塌陷土地面积2.4×104km2/a。至2000 年以后，每年塌陷土地面积将达4%～5%的速度增长，至2020 年土地塌陷面积将达1.2×106km2。随着我国煤炭资源的不断开采，煤矿采煤塌陷区的不断扩大，塌陷区环境治理工作越来越重要。

1 煤矿采空区及塌陷影响因素

煤矿采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔。一般来说采空区分布受到煤炭资源分布影响，煤炭资源丰富且容易开采的地方在开采后将形成大量的地下空洞，经过一段时间后会形成塌陷，如果得不到有效的恢复治理，会对煤矿周边生态环境和生态地貌造成影响。采空区塌陷发生和形成过程受到采空区暴露面积、围岩岩性、地质构造和地下水等4 大因素影响。

2 煤矿塌陷治理的方法

不能有效利用塌陷区域的土地资源及复垦后的耕地需要一段时期熟化和改良耕种是目前采煤塌陷采用补偿损失、塌陷地闲置、治理的模式主要问题。有关资料测算，全国平均每采万吨煤，塌陷土地约0.2 hm2，由于担心地表塌陷导致压煤总量达到137 亿t。煤矿开采造成的采空区的预防与生态修复，目前没有取得突破性进展。

2.1 井下采空区处理技术简述

采空区的处理工程在国内仍然不多，因此这方面的研究依然是处于摸索阶段，还不成熟。用充填的办法把采矿造成的采空区填满是解决塌陷的主要办法。井下采空区的填充方法是一项比较成熟的技术。降低充填成本，是充填技术发展关键。煤矸石回填技术包括采空区回填、低洼地充填、煤矿塌陷区复垦、路基充填等。而且煤矸石中的氮、磷、钾等还为作物生长提供了很好的营养成分，回填使煤矸石与空气隔离，避免了煤矸石自燃，经济效益和社会效益显著。据统计，回填用煤矸石约占其总利用量的70%。

2.2 采空区充填方法

1)膏体胶结填充。利用无需建立复杂的隔排水系统的城市生活垃圾综合处理技术，将适合作为填充物的工业炉渣等生活垃圾经过分选进行回收利用。通过充填泵用管道将一般浓度在76%～85%由矸石、粉煤灰、工业炉渣、河沙等加工成不脱水具有隔绝空气，避免自燃发火特点的牙膏状浆体输送井下进行填充。

2)采空区冒落矸石空隙注浆充填。由钻孔利用冒落带特性在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前向离层空间灌注具有固化功能能填充离层和冒落空间细粒级浆体(粒状浆材料或化学浆材料。价格低廉、使用简单的水泥是粒状浆材料的主体)。覆岩层则由细粒级浆体在有限的时间内与冒落矸石胶结后形成的固化体与冒落岩块共同支撑，起到减缓地表变形作用。

3)煤矸石似膏体充填。配15%～30%的细粒级砂，以工业垃圾或者河砂等做骨料加入胶结剂(工业废渣)，制成重量浓度为74%～76%辅以胶结材料在地面加工制成无临界、不沉淀，外观似膏体具有良好泵送性能的填充混合浆料，称之为“似膏体填充”。

3 煤矿塌陷防治技术应用实例

3.1 实施填充工程的矿井地质情况

对某煤矿采空区实施井下填充工程。某矿井设计开采91 层，井田最高点+100 m 标高，最低点－80 m标高，走向长1 010 m，倾斜宽950 m，矿区面积1.08 km2。该煤层平均厚度为0.6 m，煤层倾角10°～15°，煤层发育较稳定，煤种属于1/3JM。煤层顶、底板均为粉砂岩。91 层资源储量80 万t，可采储量70 万t。该矿井主提升井460 m，副井长度390 m。根据煤矿具体开采技术条件研究采用工艺简单、操作过程容易管理、管道泵送系统可靠的煤矸石似膏体充填方法［1］。

3.2 采空区填充工艺

3.2.1 煤矸石似膏体构成

1)以普通32.5 硅酸盐水泥为胶凝材料。由水泥、粉煤灰、粒度为5 mm煤矸石(充填骨料)、减水剂组成基本的填充材料。

2)充填材料技术参数:质量浓度为70%左右的似膏体为上述混合物料加水形成。

3)浆配比参数:①1∶4不含减水剂的填充材料质量比为1 ∶413;②骨料为粒径＜5 mm的煤矸石;③质量浓度为70%;④复合减水剂加量为1.0%～1.4%(水泥与煤炭灰质量和的百分比)。

混合浆料具有高悬浮性、低脱水率、低管道磨损率、流动性好的优点满足填充采空区的填充要求。煤矸石似膏体充填法其工艺流程见图1。

3.2.2 充填施工

煤矸石、水泥和粉煤灰进行储藏和输送方法相同。汽车将经过破碎分选后5 mm以下煤矸石送至充填站煤矸石场;粗碎站的选址定于煤矸石山附近，5 mm以上煤矸石进入建材厂中碎工序。充填输送过程为由安装在料仓底部的圆盘式给料机分次将装载机由堆场铲至料仓的媒矸石向皮带运输机供料，计量后送至搅拌桶。为防止扬尘污染，水泥、粉煤灰用专用封闭罐车运送，通过压气卸入立式水泥仓和粉煤灰仓内，经插板阀、星形给料机、冲板流量计计量后通过单螺旋输送机送至搅拌桶。减水剂桶中的减水剂由泵计量后加入搅拌桶中。将高位水池中的充填用水通过计量后加其中，通过强力搅拌形成质量浓度约为70%混合物，沿着井下管道自流送至待充采场。

图1 填充工艺流程图

3.3 地面防治措施

矿区上部局部积水对林地内植物生长影响不大，其地质环境可自然恢复。局部积水严重区可采取沿地形坡度在上方挖设坝高0.4 m的拦水坝，在下方挖设排水沟疏导排水，用煤矸石及周边废弃地荒土回填的方式铺垫至原地面标高。用煤矸石填平推土机在塌陷区顶部剥离0.5 m深度的耕植土和黏土至距原有水平地面0.5 m高度后反复碾压再将黏土推回压实，最后将原有耕植土层覆盖至原有地面高度，实现土地重新利用。

4 结 语

煤矿采空区充填技术从矿区开采工艺出发，以实现矸石零排放为目标变废为宝。同时为综合利用城市生活垃圾提供有效途径，通过合理分选回收可以再利用的资源提取填充物质，通过科技不断降低填充技术成本，保护矿区生态地貌，减轻煤矿采空区塌陷对地质环境的影响。

［1］张发旺，侯新伟，韩占涛.煤炭开发引起水环境演化及其控制技术［J］.地球学报，2001，22(04):345－350.