榆神府區煤炭開采強度與地質災害研究＊

范立民

（1.陜西省地質調查院，陜西省西安市，710065；2.陜西省地質環境監測總站，陜西省西安市，710054）

榆神府區煤炭開采強度與地質災害研究＊

范立民1，2

（1.陜西省地質調查院，陜西省西安市，710065；2.陜西省地質環境監測總站，陜西省西安市，710054）

煤炭資源開采強度與地質災害發育程度具有明顯的關系，調查了高強度開采區地質災害發育現狀，提出了煤炭資源開采強度的概念、開采強度劃分標準，以平面上開采面積占比大、空間上開采尺寸大、時間上開采速度快 （推進速度）為特點的開采區域和開采方式定義為高強度開采。按照單位面積范圍內開采區占比，可劃分為極高、高、中、低強度開采區。劃分了榆神府區煤炭資源開采強度分區，認為神東、神南、新民礦區及榆神礦區一、二期規劃區開采強度過大，榆神礦區三期規劃區開發強度過大，提出了適度開發的建議，對于區域內未開工的井田，暫緩開發建設，調查了高強度開采區地質災害發育規律。

煤炭開采 開采強度 高強度采煤 地質災害 榆神府區

1 前言

基于煤炭資源集中連片開采導致的地面塌陷、泉水干涸及河流斷流的實際監測資料，2003年作者曾經提出統一規劃、合理布局、適度規模、分散開發、保水采煤的陜北煤炭資源適度開發建議。近年來，高強度開采逐漸受到關注，并形成了一定的研究基礎。研究人員從不同角度研究了高強度開采誘發的地面變形和巷道圍巖控制技術及綠色礦區評價標準。另外，一些文獻還報道了高強度開采區地下水或瓦斯運移規律、鐵路及村莊下高強度開采試驗與房屋破壞規律等，主要是對單個井田 （煤礦）范圍內連續分布的綜采工作面大采高條件下進行的研究，并提出了防治對策。

以上研究多將綜采視為高強度開采，研究了綜采條件下采動損害特點及規律，沒有界定開采強度的定義及定量劃分指標，未開展開采強度分區及與地質災害發育關系的研究。因此，定義開采強度及量化指標體系，分析其與地質災害發育的關系，有針對性地采取措施減輕地質災害發育程度具有重要意義。

2 煤炭開采強度

繆協興教授將高強度開采表述為開采工作面具有大采高、大采面和快速推進為主要特征的開采。大采高一般采高大于4.50 m，神東、神南礦區已經達到7 m。大采面工作面長度一般大于200 m，多數300～450 m，推進長度2000～7500 m。工作面之間煤柱間隔20 m左右。高強度開采生產效率大幅度提高，全部實現機械化開采，但對于開采強度沒有統一的概念和分類方法與指標。

本文將高強度開采定義為以平面上開采面積占比大、空間上工作面開采尺寸大、時間上開采速度（推進速度）快為特點的開采區域和開采方式。按照單位面積范圍內開采區 （采空區）占比，可劃分為高強度開采區、中強度開采區和低強度開采區；按照采煤工作面規格劃分，大采高、大規格采煤工作面分布區屬于高強度開采區，相應的采高小、采煤工作面規格小的區域為低強度開采區。

2.1 面積開采強度

開采強度是指單位面積范圍內煤炭資源開采量與總量的占比，或表述為單位面積范圍內的開采面積與總面積之比。根據此定義，開采面積與規劃區面積之比為開采強度的定量劃分標準。將開采強度劃分為極高、高、中、低4個級別，其極高開采強度開采區的開采面積與總面積之比大于0.6，高強度開采區的開采面積與總面積之比介于0.6～0.3之間，中強度開采區的開采面積與總面積之比介于0.3～0.1之間，低強度開采區的開采面積與總面積之比小于0.1。

高強度開發區。將擬規劃區含煤區域全部或大部分割成待開發的井田，如榆神礦區三期規劃區，劃分的井田占規劃區的80%，屬于極高強度規劃開發區，沒有預留任何環境保護的緩沖區域，幾乎全部含煤區均規劃開發，不符合陜北生態環境特征。

高強度開采區。神府新民礦區含煤面積2324 km2，已經設置采礦權的開采面積2300 km2，屬于極高強度開采區。礦區是目前正在進行的高強度開采典范區，采礦權面積與規劃區面積之比高達90%以上，目前采空區面積約600 km2，每年以100 km2左右的速度擴展，開采強度之大，遠遠超過了地質環境承載力，不可逆轉的地質環境破壞在所難免。

2.2 空間開采強度

空間開采強度主要考核采高和采煤工作面規格兩個指標。將采高大于4.50 m、采煤工作面長度大于200 m、推進長度大于2000 m的大規格采煤工作面稱為空間高強度開采區。將采高介于1.30～4.50 m之間、采煤工作面長度100～200 m、推進長度1000～2000 m的區域界定為中強度開采區。采高小于1.30 m的區域，無論工作面長度與推進長度多大，其對于地面地質災害發育程度影響都較低，稱為低強度開采區。

也有不少工作面根據井田規格設置，最大推進長度可達7000 m。工作面之間留設20 m以下的安全煤柱，單個工作面連續平行排列，最終形成大范圍的采空區，一旦煤柱失穩，會造成大范圍頂板冒落和地面塌陷、裂縫發育，在溝谷地形區可導致邊坡滑動與崩塌等地質災害的發生。

目前榆神府區設計能力為10 Mt／a的礦井，采高均大于4.50 m，工作面長度200～450 m，推進長度2000～6700 m，均屬于空間高強度開采類型，部分礦井鑒于生態水位保護目標，采用了限高開采。如榆樹灣煤礦 （設計能力8 Mt／a）2-2煤層厚11 m，開采高度5.50 m，開采上分層。而大柳塔（設計能力20 Mt／a）、哈拉溝 （設計能力10 Mt／a）、榆家梁 （設計能力17 Mt／a）、石圪臺 （設計能力10 Mt／a）、張家峁 （設計能力6 Mt／a）、紅柳林 （設計能力12 Mt／a）、檸條塔 （設計能力10 Mt／a）等煤礦，則全部是一次采全高，采高4～7 m，多數5 m左右。對于薄煤層分布區，如榆家梁煤礦4＃煤層開采區，煤層厚度0.70～1.50 m，則一次采全高，不留頂底煤，工作面回采率達到90%以上，同一區域疊加了上部2-2、3-1煤層的高強度開采，也屬于高強度開采區。

2.3 煤炭開采強度指標的確定

根據以上敘述，煤炭開采強度主要考核指標包括單位面積內的開采區比例、采高及工作面規格。根據目前實際，如果采煤工作面按照大規格工作面（工作面長度200 m及以上、推進長度2000 m以上）確定，則煤炭資源開采強度可劃分為極高、高、中和低強度開采，見表1。對于規劃區，按照規劃的井田 （開采）占比計算。當采煤工作面規格減小，如采煤工作面長度小于100 m、推進長度為500～1200 m時，則比照表1降低一個級別開采強度。

值得提及的是對于處于臨界值的開采區域，盡管定級按照表1確定，但誘發的地質災害及治理對策，則可按高一級開采強度的模式分析。

表1 煤炭資源開采強度劃分指標

2.4 煤炭開采強度實例及環境影響

（1）極高強度、高強度開采區實例。大柳塔煤礦大柳塔井1996年1月6日投產以來，1-2、2-2煤層已經開采完，其中1-2煤層由于分布范圍小，采煤工作面規格不一，采高3～4.50 m，其下部疊加的2-2煤層開采區，采高均大于4.50 m，采煤工作面長度230～400 m，推進長度3000～6700 m，平面開采面積達到井田面積的75%左右，屬于極高強度 （局部高強度）開采區。由于開采強度高，區內原有的雙溝、五當溝、王渠 （泉）等溝流均已經干涸，地面裂縫發育，黃土溝壑區深、大地裂縫非常明顯，對植被生長影響大。目前，陜北大型、特大型煤礦均屬于此類開采強度。

（2）中強度開采區實例。榆神礦區東南部二墩煤礦、白鷺煤礦、三臺界煤礦、上河煤礦等，雖然具備極高強度開采的地質條件，但一直以房柱式（窄條帶）開采方式為主，采高3～4.50 m，平面開采區占采礦權面積的比例30%～50%，采空區上方未發現地裂縫和地面沉降，采空區第四系地下水水位沒有明顯下降，基本保持了原生生態環境條件。

（3）低強度開采區。目前本區只有部分薄煤層分布區屬于低強度開采區，但疊加了下部 （或上部）的厚煤層開采，也提高了開采強度。

3 榆神府區煤炭開采強度分區

3.1 榆神府區開采 （發）強度分區

目前，神東 （即神府新民礦區、神南礦區）及榆神礦區一、二期規劃區均處于開采階段，榆神礦區三期規劃區處于規劃階段。將取得了采礦權、正在采煤的開采區稱為開采強度開采區，將已經做了整體規劃、未頒發采礦權的區域稱為開發強度開發區。

神東礦區范圍內已經全部設置了采礦權，目前開采強度極大，除未開采的區域外，多數以一次采全高的綜采方式開采，大柳塔煤礦采高4～7 m（煤層厚度），推進速度快，一個工作面年產就達到10 Mt，工作面長度初期為150 m，目前為330 m，推進長度初期1500 m，目前根據煤層賦存情況確定，一般推進長度5000～7000 m，大采高、快速推進、大規格采煤工作面，使采空區上方地面出現了大量塌陷、裂縫和地面變形，泉水干涸，河流斷流成為這一高強度開采區突出的地質環境特點，為全區高強度開采區。

神南礦區面積440 km2，目前正在開采的煤礦有檸條塔、紅柳林、張家峁煤礦及一些地方小煤礦，開采區面積占規劃區面積的84.86%，為高強度開采區。

新民礦區設置了大中小型煤礦，含煤區分配完畢，煤礦單井產量0.3～5 Mt／a不等，采煤方式有綜采、房柱式開采和炮采，除房柱式采煤區開采強度中等外，其余均屬于高強度開采區。

榆神礦區一期規劃區的地方煤礦開采區，規劃為高強度開發區，實際多數煤礦采用窄條帶開采方式，即長壁式布設工作面、采12 m留8 m的 “窄條帶”開采，面積開采率0.5以下，開采強度中等。本區其余區域還規劃了大保當、曹家灘等井田，全部為特大型煤礦，規劃開采方式均為綜采，屬于高強度開發區。

榆神礦區二期規劃區目前有錦界 （設計能力20 Mt／a）、涼水井煤礦 （設計能力4 Mt／a）及青草界 （設計能力0.3 Mt／a）、王家溝 （設計能力0.3 Mt／a）等小煤礦，其余地段為規劃區未開發，可劃分為高強度開發區和高強度開采區。

榆神礦區三期規劃區處于項目環評階段，規劃了小保當一號等6個井田，規劃區面積870 km2，規劃的井田面積726 km2，占規劃區面積的83.45%，屬于高強度開發區。

綜上，榆神府區高強度開采區面積達2403 km2，占區域面積的31.67%；中強度開采區面積639 km2，占區域面積的8.42%；高強度開發區面積1687 km2，占區域面積的22.24%。規劃區實施后，高強度開采區將占全部面積的53.91%，嚴重超過了環境容量負荷，應該適當放緩未開工井田的建設步伐，尤其是神府新民礦區、榆神礦區未開工的井田，建議暫緩開發。

3.2 高強度開采區地質災害調查

陜西神府新民、內蒙古東勝礦區的高強度開采，造成了泉水干涸和窟野河斷流，這樣的實例不勝枚舉。1999年，錦界井田開始勘探、開發，盡管筆者通過不同途徑呼吁暫緩開發錦界井田 （區），但沒有奏效。錦界煤礦根據礦井實際涌水量設置了6200 m3／h的排水能力，成為鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田礦井涌水量最大的礦井，不僅大幅度增加了煤炭生產成本和安全投入，而且對采兔溝水庫 （水源地）及禿尾河基流量也會產生較大影響。

高強度開采造成了嚴重的地面塌陷、地裂縫發育，對植被根系產生較大拉裂，致使部分裂縫附近植被枯萎或蓋度明顯降低，這種以黃土地貌區地面變形、地裂縫發育為特點的地質災害主要分布于神木與府谷縣交接的新民礦區、神木縣城附近的大砭窯煤礦一帶。而在沙漠地貌區，雖然采動也造成了地表強烈變形，但由于沙地的松散，自然彌合作用較快，尤其是雨季，裂縫很快彌合，在地表很難發現裂縫，一旦錯過裂縫顯現時間，很難再看到采動損害現象，但這并不能消除采動損害，尤其是薩拉烏蘇組富水區，采動損害往往造成含水層地下水水位下降，進而影響植被種群及生理指標。

因此，榆神府礦區應該合理確定開發規模和調整開發布局，確保煤炭經濟發展與環境保護相協調。

4 結論

（1）提出了開采強度的定義，開采強度是指單位范圍內煤炭資源開采量與總量的占比，或表述為單位面積范圍內的開采面積與總面積之比。

（2）初步給出了面積開采強度、空間開采強度和時間開采強度的定量指標，認為面積開采率達到0.6以上屬于極高強度開采，0.3～0.6屬于高強度開采，0.1～0.3屬于中強度開采，0.1以下屬于低強度開采；空間開采強度，采高達到4.50 m屬于高強度開采，1.30～4.50 m屬于中強度開采，1.30 m以下屬于低強度開采；時間開采強度未界定。以面積、空間開采強度組合后，確定一個區域的煤炭開采強度。

（3）目前神府新民礦區和榆神礦區的一、二期開發區開采強度過大，已經超過了環境承載力，建議停止在這些區域新建煤礦，原有煤礦不宜再擴大規模，并對采礦權面積小的一些煤礦進行關閉，榆神礦區三期已經規劃，建設序幕已經拉開，建議只建設小保當一號井，其余規劃井田暫不建設。榆神礦區西部可新建1處大型煤礦。

［1］范立民 .論陜北煤炭資源的適度開發問題 ［J］.中國煤田地質，2004（2）

［2］范立民 .論保水采煤問題 ［J］.煤田地質與勘探，2005 （5）

［3］范立民 .陜北煤炭基地規劃中幾個關鍵技術問題的探討 ［J］.陜西煤炭，2005（1）

［4］王雙明，范立民，黃慶享等 .生態脆弱地區的煤炭工業區域性規劃 ［J］.中國煤炭，2009（11）

［5］趙曉光，宋世杰，管園園 .基于灰色關聯度的開采沉陷關鍵影響因子分析 ［J］.中國煤炭，2010（9）

［6］張金鎖，劉春光，張偉等 .煤炭資源安全綠色高效開發綜合評價研究 ［J］.中國煤炭，2014（2）

［7］李亮 .高強度開采條件下堤防損害機理及治理對策研究 ［D］.中國礦業大學，2010

［8］張周權 .高強度開采區域孤島回采的礦壓顯現特點的研究 ［J］.能源技術與管理，2008（5）

［9］王永強 .高強度開采條件下巷道穩定性研究 ［D］.太原理工大學，2010

［10］滕永海，劉克功 .五陽煤礦高強度開采條件下地表移動規律的研究 ［J］.煤炭科學技術，2002（4）

［11］劉鵬亮 .寬條帶充填全柱開采地表移動變形特征研究 ［J］.中國煤炭，2014（2）

［12］范立民 .陜北地區采煤造成的地下水滲漏及對策［J］.礦業安全與環保，2007 （5）

［13］馬雄德，王文科，范立民等 .生態脆弱礦區采煤對泉的影響 ［J］.中國煤炭地質，2010（1）

On coal mining intensity and geo-hazard in Yulin-Shenmu-Fugu mine area

Fan Limin1，2
（1.Shaanxi Geological Survey，Xi'an，Shaanxi 710065，China；2.Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi'an，Shaanxi 710054，China）

The development of geo-hazard in mining area is related to the coal mining intensity.This paper proposes the concept of high-intensity mining and the classification standard of mining intensity based on the surveyed status of geo-hazard in high-intensity mining area.Highintensity mining is characterized by large mining acreage in level plane，large mining dimension in space and high advancing speed.It can be divided into extremely-high，high，moderate and low intensity mining areas according to the mining intensity in unit mining area.Then，the paper lists the partition in the Yulin-Shenmu-Fugu mining area according to the mining intensity：in Shendong，Shennan，Xinmin mining areas and in 1st，2nd stage planning area in Yulin-Shenmu mining area，the mining intensity is too high；in the 3rd stage planning area in Yulin-Shenmu mining area，the exploitation is excessive，so the moderate exploitation is necessary and the development and construction should be slowed down in the underdeveloped area.Finally，this paper surveys the development regularity of geo-hazard in high-intensity mining areas.

coal mining，mining intensity，high-intensity coal mining，geology hazard，Yulin-Shenmu-Fugu mining area

TD823

A

國家重點基礎研究 （973）計劃 “西部煤炭高強度開采下地質災害防治與環境保護基礎研究”（2013CB227900）

范立民 （1965-），男，山西曲沃人，教授級高級工程師，從事礦區環境地質工作。

（責任編輯 張毅玲）