陜北礦區煤層穩定性及環境治理技術研究

李高陽

(榆林學院建筑工程學院，陜西 榆林 719000)

陜西省是我國的煤炭大省，其中，陜北地區的煤炭經濟在我國名列前茅。陜北地區的煤層具有埋藏淺、開采厚度大等特點，但是隨著煤礦開采的發展，各類問題逐漸顯露。煤礦開采時需要完全切開上覆基巖，導致基巖面出現比較嚴重的破斷角，而隨著開采深度逐漸加深，邊坡穩定性以及礦井內部穩定性都不同程度受到地質和輕微挖洞影響。對煤炭進行挖掘開采造成上覆基巖出現嚴重破壞，間接影響水-煤資源共生系統，進而影響水資源生態循環，同時還會導致生態環境破壞[1]。

評價礦區煤層穩定性主要是為了分析在某個固定范圍之中煤層的變化特征與變化情況，根據評價分析結果獲得煤層穩定性的綜合指標，依據指標情況判斷煤炭資源開發前景以及開采的合理性。在以往的研究中，由于技術水平限制，評價分析礦區煤層穩定性時會采用定性評價的方式[2-3]，近年來，定量評價方式開始被運用到煤層穩定性分析研究中。但是煤層自身具有灰色特質，導致定量評價對于煤層穩定性的評價分析突破性較小，于莉莉等[4]通過變概比的方法分析煤層穩定性，在一定程度上能夠進行定量分析并獲得變量穩定結果；劉晨光等[5]使用灰色聚類的評價方法，對現有煤礦開展詳細研究。盡管以上方法都嘗試在定量評價方面展開探索，但是經過驗證并沒有獲得滿意結果。煤礦開采會給周圍環境帶來嚴重影響，陜北地區煤炭資源豐富，大規模高強度的開采工作嚴重影響環境生態平衡，這也是煤炭經濟繁榮發展的當下，生態環境方面所面臨的嚴重挑戰，因此，礦區生態環境治理技術同樣是需要關注的問題。本文針對煤炭資源比較豐富的陜北地區進行礦區煤層穩定性及環境治理技術研究，為相似條件礦區提供一定的參考和理論支撐。

1 研究區概況與煤層穩定性分析

1.1 研究區域地質情況

1) 地質及煤層特點。本文所研究的礦區位于陜北榆林地區，地勢自北向南由高至低貫穿榆林市，地形為高海拔平原、丘陵地貌以及河谷平原，最高處海拔接近1 350 m。由于研究區域深處我國內陸平原，受地勢、所處位置、大氣環流等綜合因素的影響，呈現溫帶大陸季風氣候。該研究區域的主要含煤巖系為侏羅系，煤層出露厚度為64.22～274.58 m，巖層上部主要為紫色夾雜灰綠色的泥巖或者粉砂巖，連接夾砂巖透鏡體下部巖層為灰白色砂巖間雜條帶泥巖，最下部是礫巖，呈現出風化裂隙結構。根據巖層特性、煤層組合、古生物特性等，研究區域被劃分成五個中級旋回。榆林地區煤礦受土地剝蝕作用和沉積作用影響，各煤層間距和厚度差異較大，本文重點研究礦區屬于三角洲沉積回旋，中細粒砂巖構成該地區的主要土層結構，土層厚度在65～75 m之間，中間夾雜砂質和碳質泥巖[6]。煤層位于該土層的中上部，平均煤層厚度達到4.65 m，分為5上號煤層、5號煤層、4號煤層、3-1號煤層、3-2號煤層、3-3號煤層，共6層，分別在榆林組的第四段至第一段，其中，5號煤層、3-2號煤層和4號煤層分別位于第四段頂部、第三段上部和第二段中部。5號煤層和3-2號煤層屬于全局可開采煤層，4號煤層屬于局部可開采煤層，其余煤層都屬于不可開采煤層。考慮到需要獲得比較可靠的開采資料，因此只對開采價值較高的5號煤層、3-2號煤層和4號煤層的穩定性開展評價。

2) 煤炭資源開發導致的環境問題。煤炭資源開發是陜北榆林地區的經濟命脈，其煤炭資源產量相當可觀[7]。榆林地區煤礦在開采過程中主要使用全部垮落法，這種開采方法不回填、少支撐，對當地環境造成不可逆轉的破壞，同時破壞水層結構，造成地下水大量流失。除了對地下水源與地表徑流造成嚴重損壞，煤層開采還會嚴重影響礦區的地質環境，礦區各地都出現不同程度的地表裂縫與地表塌陷，地表建筑和土地資源也在各個層面受到破壞，嚴重影響居民生活和農業生產活動[8]。

1.2 煤層穩定性分析

現有研究多使用定性評價方式分析礦區煤層穩定性，但該評價方法存在界限模糊、區分難度大等問題，為了獲得更加準確合理的煤層穩定性評價結果，需引進定量評價，將煤層的定性評價結果和定量評價結果相結合。定性分析從煤層厚度、結構、煤類、可采性和煤層對比五個方面進行，定量評價依據煤層厚度變異指數和變概比進行，使煤層穩定性的評價更加科學合理。

1) 定性評價。對礦區煤層開展評價時通常會使用可采面積、見煤點數、煤層厚度等指標，定性評價結果見表1。

由表1可知，5號煤層與3-2號煤層被判定為穩定煤層，而4號煤層被判定為較穩定煤層，定性評價煤層穩定性具有一定主觀作用，認為干擾因素較多?？紤]到這種因素影響，進一步使用定量評價方式對研究區域再次開展穩定性評價。

表1 定性評價結果Table 1 The results of qualitative evaluation

2) 定量評價。定量評價礦區煤層穩定性時，針對煤層較薄的區域，可采性指數Km與煤層厚度變異指數γ分別為主要指標和次要指標，對于厚度較高的煤層，指標重要度則相反。這兩種指標在不同厚度煤層中的取值范圍見表2。

表2 指標取值Table 2 The index value

除煤層厚度變異指數外，礦區煤層穩定性評估的另一個重要評價指標是變概比，該指標實質上是煤層可以開采概率與變異指數之間的百分比，即可開采范圍中單位厚度變化所占的比率范圍，占比大但是變概比小說明礦區煤層較穩定，反之則說明煤層不穩定。變概比在0%～30%之間屬于穩定范圍，在31%～60%之間說明煤層較穩定，在61%～90%之間說明煤層不穩定，變概比超過90%則說明煤層極不穩定。

煤層可采性指數計算見式(1)。

(1)

式中：n為參與評價煤層厚度的見煤點數；n′為煤層厚度≥可采厚度的見煤點數。

煤層厚度變異系數計算見式(2)。

(2)

變概比計算見式(3)。

(3)

式中：α為煤點最低厚度;β為煤點最高厚度，如果n低于30，則在式(3)中使用Sn-1，如果n大于30，則在式(3)中使用S。

使用定量評價方法對5號煤層、3-2號煤層和4號煤層的各個指標進行評價，評價結果見表3。經過計算，定量分析結果與定性分析結果基本一致，同時也與研究區域地質研究結果一致，說明該評價分析結果較為準確。

表3 定量評價結果Table 3 The results of quantitative evaluation

通過以上兩種評價結果可知，5號煤層屬于穩定性較高的煤層，且數據顯示近年來其厚度變化較小，具有良好的開采性。通過以上結果還可以看出，定性評價與定量評價相結合使得礦區煤層穩定性評價效果更加準確。

2 環境治理技術研究

2.1 水資源破壞與治理

1) 水資源破壞情況。煤礦開采過程中需要將地下水疏干，這種工程操作造成地下水水位明顯下降，直接導致礦區水資源短缺，統計資料顯示，陜北榆林地區煤礦開采之前湖泊數量近900個，但是進行煤炭資源開采以來，湖泊數量銳減，最近的統計結果顯示湖泊數量不足80個[9]。以窟野河流域為例，從2000年開始陸續出現斷流現象，2002年流量僅為1 680 m3/d，減少了約75%，通過數理統計和YRWBM模型計算得到每噸煤開采導致的河流徑流損失量大約為5.27 m3。諸多主流水域水位嚴重下降水面積成倍數縮減，當地居民生活用水無法得到保障[10]。地下水資源的流失直接造成地下水流場喪失穩定性，煤礦開采前后水流場變化情況如圖1所示。由圖1可知，開采之前在水力梯度場作用下，地下水以較為緩慢的速度向泉口位置流動，實現水源補給；開采后煤層上方會發生不同程度的冒裂，導水裂隙帶通過含水層，地下水流場出現劇烈變化。地下水集中向采空區域匯集，形成一個排泄區[11]。大規模煤礦開采還會在一定程度上造成地下水污染，這主要是由于開采時污水排放不合理導致的。

2) 水資源治理。針對陜北礦區煤礦開采造成的水資源污染及受到大范圍破壞問題，從煤層礦井排水的角度開展制定治理措施。整合煤礦結構，將陜北榆林礦區劃分成6個開采區，其中，1號開采區～5號開采區同時開采，6號開采區后期開采。設置污水處理站，前5個開采區的平均排水量為300 m3/h，平均復用量與排放量分別達到2 548.34 m3/d與6 487.12 m3/d。根據污水處理站的監測數據分析，礦區中的污染物主要是固體懸浮物與化學需氧量排放物，污水處理站針對這些污染物通常使用沉淀結合過濾的混凝處理工藝，保證經過處理的地下水能夠符合相關規定的要求。礦區開采時，工人生活區也在礦區的關鍵位置，產生大量生活污水，因此礦區中還需要設置生活污水處理站。各開采區平均排水量達到644.3 m3/d，而開采區中的高端技術污水處理設備每日可處理污水達到731 m3，驗證后顯示，經過處理的生活用水，均可在礦區復用。由于煤礦開采需要排空地下水，導致無法從源頭改變地下水流場和水資源利用情況，因此采取措施從污水處理的角度改善礦區水資源污染問題。

由于陜北礦區煤礦開采造成的含水層破壞、水位大幅下降等問題，其地下水分布結構與水流場都受到破壞，對陜北礦區煤層含水層的保護以在開采階段實施保護措施為主。在煤礦開采過程中，采煤層采空區合理留設煤柱，其留設高度應大于導水裂隙帶高度加保護層厚度，通常為60 m，以有效阻隔下部松散層孔隙水在開采的影響下泄入礦坑中，從而減輕礦坑排水對松散層孔隙含水層的破壞。對于已出現的含水層出水點，應及時進行注漿封堵或化學封堵等，減少地下水的流失。對于陜北礦區進行保水開采，保持基巖保護層厚度為15 cm，隨著沙層厚度和潛水含水層厚度增加而增加，頂板基巖厚度在20 m以內，且該厚度與采高之比小于5，當煤層上覆隔水巖組厚度為采高的18倍以上時，停止開采，以加強煤礦開采用水管理，防止水資源的浪費，避免超采深層地下水。

2.2 生態污染與治理

1) 生態污染情況。陜北礦區的檸條塔煤礦、東坡煤礦、韓家灣煤礦緊鄰黃土高原與沙地，土壤結構受風化和干旱影響，土質較松，土地表面縱橫破碎遍布溝壑，煤礦開采導致土地塌陷，受到地形和氣候的綜合影響，植被遭受嚴重破壞，造成生態環境處于惡性循環的狀態之中，煤礦開采加劇水土流失和土地荒漠化的進程。據資料顯示，1992—2006年間，陜北侏羅紀煤田由于采礦工作產生的沙漠化面積達到167.3 km2，地表塌陷新增39.6 km2。

2) 生態環境治理。為恢復礦區生態環境，使用抗逆造林技術恢復礦區植被綠化。本文研究區域土地貧瘠，干旱情況嚴重，在使用抗逆造林技術之前還需要先使用樹種土壤水分消耗模型分析植被水分消耗情況，以選擇適合當地植被的沙地生長植物。預算水平平衡，需要使用降水量減去徑流量、土壤儲水量、土壤內排水量的總和，獲得礦區實際蒸發蒸騰量，而降低土壤蒸發量，能夠提升礦區中植物的葉面積指數。礦區土壤保水措施就是提升總蒸發量與植物蒸發量比重，進而提升植物水分利用率，在一定程度上保證礦區植物的生態平衡。

綜上所述，在研究區域引進120個植物品種，豐富當地植被物種。考慮到研究區域早春時期容易出現干旱情況，使用抗旱保水新材料技術實現當地植被的供水。該技術通常使用吸水劑、保水劑以及塑料薄膜等設備實現當地植被作物在春夏兩季的抗旱保水工作。在陜北神府礦區，使用粒徑在0.5 mm以內的沃特保水劑，將神府礦區耕作土壤的綜合肥力指數從0.20～0.45提升為0.45～0.60，達到中等肥力水平。從實際土地用肥情況和立地條件較低出發研究土壤保水情況，結合綠植所使用肥料的種類和用肥時間，調整植被修復施肥料的使用量，促進植物生長。

2.3 固體污染物與治理

1) 固體污染物情況。煤礦開采過程中，會從礦井下運輸出大量矸石，屬于煤礦開采的固體廢物，大量堆積無法得到合理運用，造成固體污染物堆積。大量堆存的矸石長時間堆積在礦區中，極容易出現自燃、雨淋、泥化等情況，矸石作為固體環境污染物對礦區自然環境造成嚴重影響。1983—2004年，陜北神府煤礦僅在第一開發期和第二開發期就產生了6.32億t的礦渣和廢棄土石，每年生成3 160萬t固體廢棄物，平均每年占地達到290.72 hm2。

2) 治理措施。本文研究區域矸石產量約為55萬t/a，按照上文中劃分的6個開采區，1號開采區和2號開采區將煤礦開采后產生的矸石使用礦車經過軌道運輸到2號開采區周圍的臨時區統一堆放，經過統一處理后運輸到矸石處理廠。使用副立井提出3號開采區和4號開采區的開采矸石，運輸到位于3號開采區的后山推擠，開采工作完成后使用膠帶機運輸到矸石處理廠。其余開采區的矸石存放場地設置在距離研究區域2 km的無人溝渠中，占地約為24.88 hm2，預估容量約為350萬m3。為了防止矸石堆放區域對周圍的生態環境造成污染影響，在矸石堆放區域周圍設置防洪擋墻與排水溝，使用沉淀池處理矸石長期淋溶造成的污染液體，在春季干燥氣候條件下還需要注意矸石粉末轉變為揚塵污染。如果矸石開采區域長期堆積，會占用大量礦區空地，并造成土地污染、環境污染。雖然矸石與煤炭相比，是一種礦物質廢料，但卻是一種重要的建筑材料，為合理使用矸石廢料，本文研究區域附近的矸石處理廠都已經引進設備將矸石廢料制作成矸石磚，實現“變廢為寶”。由于陜北礦區煤礦開采區域較大，所產生的煤矸石數量較多，因此在政府和地方相關部門的支持下建立三所大型矸石磚制作工廠，每年合計生產矸石磚超過3億塊，充分利用煤炭開采的矸石廢料，既可以解決煤礦開采造成的固體污染物問題，還可以創造大量收入。由于矸石具有自燃能力，所以制作磚石時消耗較少，僅靠矸石自燃產生的熱量即可燒制質量較高的矸石磚，這一特殊作用能夠減少燒制過程中的煤炭能源消耗，據統計，每年在能源方面的節省價值超過1 000萬元。設置矸石處理磚廠能夠有效緩解矸石堆放問題，降低土地污染發生概率，有效解決固體污染物問題。

2.4 地表塌陷與治理

1) 礦區地表塌陷。陜北礦區煤炭資源較多，是“十三五”期間我國煤礦重點建設區域，但大量煤炭資源的開發，誘發了地表沉陷和塌陷事故。在對檸條塔煤礦、哈拉溝煤礦進行調查時發現，該區域地表主要為黃土溝壑，由于其自身特性容易在外界條件的影響下造成滑坡、變形等情況，在此條件下開采煤礦，土體滑移、變形等造成地表下沉，進而導致地表塌陷。在陜北神木縣因開采導致的采空區面積達到了27.72 km2，致使附近近千戶人家房屋出現損壞或倒塌，造成巨大的經濟損失。

2) 治理措施。對于陜北礦區地表塌陷事故的防治措施主要有收集陜北礦區的地質數據、加強監測和預測地表塌陷災害?？偨Y陜北礦區地面塌陷的分布規律，結合煤礦開采活動的進度對未開采地區地表塌陷進行預測，并制定預防方案。對于已經產生少許沉降的地區，可以采取減輕地表塌陷的開采方法，如水砂充填法、矸石風力充填法等。對于已經產生地表塌陷的礦區，及時填埋土壤并壓實，防止水土流失，保證土地的利用率。

3 結 論

本文對陜北礦區煤層穩定性及環境治理技術進行研究，采用兩種方法綜合評價研究區域的煤層穩定性，并提出多種措施以解決煤礦開采所導致的環境污染問題。穩定性評價結果與環境治理措施如下所述。

1) 針對可開采的5號煤層、3-2號煤層、4號煤層，綜合定性評價方法和定量評價方法進行煤層穩定性的評價，兩種評價方法均顯示5號煤層、3-2號煤層屬于穩定煤層，4號煤層屬于較穩定煤層。如果這兩種評價方法存在差異，可以將定性評價結果作為主要評價結果，定量評價結果作為次要評價結果，結合礦區的實際情況，開展綜合性分析，更加科學合理地對研究區域煤層穩定性進行評價。

2) 陜北地區的地形、水資源、生態資源受到不同程度影響，針對這一情況，采取措施在礦區周圍種植綠植，處理污水，通過矸石場處理固體污染物，實現研究區域環境治理。