露天開采在礦井采空區治理的優勢與挑戰

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環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修復方面取得了一定經驗[2-4]，但由于采空區治理難度大，壓藏煤炭資源等問題，直接治理仍不是最優的治理模式[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，本文主要從生態角度針對目前礦業發展的形式探討如何利用露天開采的方式治理現有的礦井采空區，解決礦井采空區存在地下火區、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治理的應用前景，通過對采空區危害的介紹分析采空區制約生產的主要因素，同時列舉露天開采在治理采空區方面的優勢，闡明露天開采的優勢及可行性；介紹露天開采在治理采空區方面面臨的挑戰，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治理工作的開展提供理論參考和建議。

1 采空區的危害

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，其對于生態環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。同時某些礦井規模較小，管理并不規范，形成的歷史遺留問題較大，嚴重影響區域土地質量。

地下煤層開采后，在上覆巖層發生移動與變形的同時，巖層還會沿著斷層面發生滑動，在斷層基巖露頭處的地表出現臺階狀的破壞，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，形成的采空區塌陷裂隙，導致采空區漏風嚴重，出現地下火區，使地表溫度升高。同時，地表裂縫縱橫，地下火區燃燒產生的煙塵從裂縫溢出，導致土地無法繼續使用。若不進行治理，采空區將逐步轉變為沉陷區，地表積水裂縫頻發，地表植被成活率低，嚴重降低土地質量[9]。

1.2 影響社會穩定

社會穩定是立國根基，只有穩定才能壓倒一切，群眾對于采空區的現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，發生地面沉陷，影響周圍居民生產生活安全，同時采空區還會形成礦震，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，僅開發易于開采的區域，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。同時采空區殘留煤柱，一般工作面區段隔離煤柱傾斜長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，將采煤區封堵充填可以實現治理效果。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，若再次開發勢必會造成二次破壞。

2 露天開采在礦井采空區治理的優勢

2.1 有效治理采空火區

露天開采是治理采空區和火區的重要手段，其經濟性也是諸多治理手段中最合理的。火煤埋藏于地下，在形成地表裂縫后，火區的范圍及著火點呈現發散狀態，起火位置難以尋找，火區治理難度較大。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儀器初步確定采空區和火區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，由于采空區和火區治理進行的主要工序和設備均是常規露天生產工藝，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 露天開采使采空區地形重塑

可以通過合理的規劃使采區地形重塑是露天開采最大的優勢，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特征作為設計參照目標，利用ArcGIS技術重新規劃礦區的子流域及溝道，從宏觀尺度重構礦區的流域流通性。通過露天剝離可以將原有采空區及低洼地帶填平，構建規則性的臺階地貌或廣闊的平地，從而使土地結構更規整，易于再次開發利用。地形重塑形成的大面積土地更利于機械化作業和管理，通過進行經果林栽植、農業種植或搭建大棚區種植花卉等，使土地性質轉變，提升土地流轉能力，從而使采礦用地轉變為農業用地。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土地得以利用。

2.3 露天開采治理采空區效益顯著

在政府主管部門監管下進行露天開采，可以有效解決采空區存在火區及露頭煤的問題，治理地下采空區，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對采空區治理的積極性。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展相結合，進而將采空區治理、露天開采以及生態轉型發展進行統籌考慮，合理進行地形重塑，在排棄過程中充分考慮遠期發展地塊割裂及路網布設等問題，降低土地后續開發利用的成本，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定造成了較大影響，在周圍居民的固有印象中，該區域便是礦區，盡管停止開采，地質隱患一天不消除，該區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 露天開采生態修復技術成果豐富

目前針對于露天開采生態修復的研究較多，研究的層次較為豐富。從設計規劃角度，目前很多露天礦正在進行《礦山生態修復規劃設計》、《全生命周期地質環境恢復治理與生他恢復規劃》、《礦山生態恢復成果監測與分析》、《綠色礦山規劃》、《礦山地質環境恢復治理與土地復墾規劃》(三合一報告、四合一報告)等指導生態修復的相關規劃，在生態修復上也取得了顯著成果，真正的使到界區域還建一片綠水青山。目前除了在露天采場區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域的生態修復措施基本無難點，同時有較多礦山基于現有排土場開展生態農牧業，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，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，其土地的生態修復及開發使用基于現有技術是完全可以實現的。

3 露天開采在礦井采空區治理應用面臨的挑戰

露天開采在礦井采空區治理上具備一定的優勢，但在推廣方面仍然面臨很大的挑戰。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，在生態環保方面的政策也是限制露天開采，因此能否將采礦區轉變為露天開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，目前礦山企業的素質良莠不齊，對于礦山開采的理念以及礦山生態修復的理念各有不同，實施若是沒有明確的規劃作指引，所謂的地質環境治理可能就會轉變為盜挖盜采煤炭資源的外衣。因此，在采空區進行露天開采前應進行開發利用方案、儲量核實以及生態規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，彰顯露天開采的優越性。

在礦山污染防治方面存在一定的挑戰，露天開采最大的危害便是對原生地層的破壞，采空區也是對土地的一種破壞形式，但應用于采空區這種危害便會減小，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。隨著露天開采技術的提高，綠色開采手段不斷豐富，對于開采重要環節的降塵方法較多，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、生產系統等產塵環節進行粉塵治理，把露天礦產塵降到最小。

在礦山生態環境治理方面存在一定的挑戰，采空區存在地裂縫和地下火區等地質災害，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，對于生態環境的影響過于直觀。因此，需要對露天采場盡早完成內排，實現采排覆一體化，減少礦區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，露天開采回收礦井部分剩余的煤炭資源是對于區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，只有將露天礦生態修復的基礎打牢，嚴格執行礦山的生態修復策略，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治理應用存在以下展望。

露天開采徹底改善礦井采空區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，實現全生命周期的礦山生態經濟體。重構平緩地貌，結合現代化農業技術，恢復機械化耕種，提高農業生產效率。

5 結論

露天開采在對采空區治理存在明顯優勢，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利用方案作為指引，開采工藝及開采順序應明確；礦山生態規劃應與開發利用方案并進，實現礦山全生命周期的生態保護。開采過程中應控制粉塵、噪聲等污染對周邊的影響，降低露天開采對環境的影響。露天開采應遵循采排覆一體化的原則，及時實現內排，減少礦區地表裸露面，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、生態修復措施等進行系統性規劃，展現出以開采對于采空區生態環境治理的美好愿景，繪制綠水青山的生態藍圖。