榆神府区煤炭开采强度与地质灾害研究_范立民

1、 煤炭科技 ·开拓与开采 榆神府区煤炭开采强度与地质灾害研究 *范立民 1,2(1. 陕西省地质调查院 , 陕西省西安市 , 710065; 2. 陕西省地质环境监测总站 , 陕西省西安市 , 710054 摘 要 煤炭资源开采强度与地质灾害发育程度具有明显的关系 , 调查了高强度开采区地质灾害发育现状 , 提出了煤炭资源开采强度的概念 、 开采强度划分标准 , 以平面上开采面 积占比大 、 空间上开采尺寸大 、 时间上开采速度快 (推进速度 为特点的开采区域和开采方 式定义为高强度开采 。 按照单位面积范围内开采区占比 , 可划分为极高 、 高 、 中 、 低强度开 采区 。 划分

2、了榆神府区煤炭资源开采强度分区 , 认为神东 、 神南 、 新民矿区及榆神矿区一 、 二期规划区开采强度过大 , 榆神矿区三期规划区开发强度过大 , 提出了适度开发的建议 , 对 于区域内未开工的井田 , 暂缓开发建设 , 调查了高强度开采区地质灾害发育规律 。关键词 煤炭开采 开采强度 高强度采煤 地质灾害 榆神府区 中图分类号 T D 823 文献标识码 A *基金项目 :国家重点基础研究 (973 计划 “ 西部煤 炭高强 度 开 采 下 地 质 灾 害 防 治 与 环 境 保 护 基 础 研 究 ” (2013C B 227900O n c o a l m i n i n g i n

3、t e n s i t y a n d g e o -h a z a r d i n Y u l i n -S h e n m u -F u g u m i n e a r e a F a n L i m i n 1,2(1. S h a a n x i G e o l o g i c a l S u r v e y, X i ' a n , S h a a n x i 710065, C h i n a ; 2. S h a a n x i I n s t i t u t e o f G e o -E n v i r o n m e n t M o n i t o r i n g ,

4、 X i ' a n , S h a a n x i 710054, C h i n a A b s t r a c t T h e d e v e l o p m e n t o f g e o -h a z a r d i n m i n i n g a r e a i s r e l a t e d t o t h e c o a l m i n i n g i n t e n s i -t y . T h i s p a p e r p r o p o s e s t h e c o n c e p t o f h i g h -i n t e n s i t y m i n

5、i n g a n d t h e c l a s s i f i c a t i o n s t a n d a r d o f m i n i n g i n t e n s i t y b a s e d o n t h e s u r v e y e d s t a t u s o f g e o -h a z a r d i n h i g h -i n t e n s i t y m i n i n g a r e a . H i g h -i n t e n s i t y m i n i n g i s c h a r a c t e r i z e d b y l a r g

6、 e m i n i n g a c r e a g e i n l e v e l p l a n e , l a r g e m i n i n g d i m e n s i o n i n s p a c e a n d h i g h a d v a n c i n g s p e e d . I t c a n b e d i v i d e d i n t o e x t r e m e l y -h i g h , h i g h , m o d e r a t e a n d l o w i n t e n s i t y m i n i n g a r e a s a c

7、c o r d i n g t o t h e m i n i n g i n t e n s i t y i n u n i t m i n i n g a r e a . T h e n , t h e p a p e r l i s t s t h e p a r t i t i o n i n t h e Y u l i n -S h e n m u -F u g u m i n i n g a r e a a c c o r d i n g t o t h e m i n i n g i n t e n s i t y :i n S h e n -d o n g , S h e n

8、n a n , X i n m i n m i n i n g a r e a s a n d i n 1s t , 2n d s t a g e p l a n n i n g a r e a i n Y u l i n -S h e n m u m i n i n g a r e a , t h e m i n i n g i n t e n s i t y i s t o o h i g h ; i n t h e 3r d s t a g e p l a n n i n g a r e a i n Y u l i n -S h e n m u m i n i n g a r e -a

9、, t h e e x p l o i t a t i o n i s e x c e s s i v e , s o t h e m o d e r a t e e x p l o i t a t i o n i s n e c e s s a r y a n d t h e d e v e l o p m e n t a n d c o n s t r u c t i o n s h o u l d b e s l o w e d d o w n i n t h e u n d e r d e v e l o p e d a r e a . F i n a l l y , t h i s

10、p a p e r s u r v e ys t h e d e v e l o p m e n t r e g u l a r i t y o f g e o -h a z a r d i n h i g h -i n t e n s i t y m i n i n g a r e a s . K e y w o r d s c o a l m i n i n g , m i n i n g i n t e n s i t y , h i g h -i n t e n s i t y c o a l m i n i n g , g e o l o g y h a z a r d , Y u

11、-l i n -S h e n m u -F u g u m i n i n g a r e a 1 前言基于煤炭资源集中连片开采导致的地面塌陷 、 泉水干涸及 河 流 断 流 的 实 际 监 测 资 料 , 2003年 作者曾经提出统一规划 、 合理布局 、 适度规模 、 分散 开发 、 保水采煤的陕北煤炭资源适度开发建议 。 近 年来 , 高强度开采逐渐受到关注 , 并形成了一定的 研究基础 。 研究人员从不同角度研究了高强度开采 诱发的地面变形和巷道围岩控制技术及绿色矿区评 价标准 。 另外 , 一些文献还报道了高强度开采区地 下水或瓦斯运移规律 、 铁路及村庄下高强度开采试25中国煤炭

12、第 40卷第 5期 2014年 5月验与房屋破坏规律等 , 主要 是对单个井田 (煤矿 范围内连续分布的综采工作面大采高条件下进行的 研究 , 并提出了防治对策 。以上研究多将综采视为高强度开采 , 研究了综采 条件下采动损害特点及规律 , 没有界定开采强度的定 义及定量划分指标 , 未开展开采强度分区及与地质灾 害发育关系的研究 。 因此 , 定义开采强度及量化指标 体系 , 分析其与地质灾害发育的关系 , 有针对性地采 取措施减轻地质灾害发育程度具有重要意义 。2 煤炭开采强度缪协兴教授将高强度开采表述为开采工作面具 有大采高 、 大采面和快速推进 为主要特征的开 采 。 大采高一般 采

13、高 大 于 4. 50m , 神 东 、 神 南 矿 区 已 经达到 7m 。 大 采 面 工 作 面 长 度 一 般 大 于 200m , 多数 300450m , 推进长度 20007500m 。 工作 面之间煤柱间隔 20m 左右 。 高强度开采生产效率 大幅度提高 , 全部实现机械化开采 , 但对于开采强 度没有统一的概念和分类方法与指标 。本文将高强度开采定义为以平面上开采面积占 比大 、 空间上工作面开采尺寸大 、 时间上开采速度 (推进速度 快为特点的开采区域和开采方式 。 按 照单位面积范围内开采区 (采空区 占比 , 可划分 为高强度开采区 、 中强度开采区和 低强度开采 区

14、 ; 按照采煤工作面规格划分 , 大采高 、 大规格采煤工 作面分布区属于高强度开采区 , 相应的采高小 、 采 煤工作面规格小的区域为低强度开采区 。2. 1 面积开采强度开采强度是指单位面积范围内煤炭资源开采量 与总量的占比 , 或表述为单位面积范围内的开采面 积与总面积之比 。 根据此定义 , 开采面积与规划区 面积之比为开采强度的定量划分标准 。 将开采强度 划分为极高 、 高 、 中 、 低 4个级别 , 其极高开采强 度开采区的开采面积与总面积之比大于 0. 6, 高强 度开采区的开 采 面 积 与 总 面 积 之 比 介 于 0. 60. 3之间 , 中强度开采区的开采面积与总面

15、积之比介于 0. 30. 1之间 , 低 强 度 开 采 区 的 开 采 面 积 与 总 面 积之比小于 0. 1。高强度开发区 。 将拟规划区含煤区域全部或大 部分割成待开发的 井 田 , 如榆神矿 区 三 期 规 划 区 , 划分的井田占规划区的 80%, 属于极高强度规划开 发区 , 没有预留任何环境保护的缓冲区域 , 几乎全 部含煤区均规划开发 , 不符合陕北生态环境特征 。高强 度 开 采 区 。 神 府 新 民 矿 区 含 煤 面 积 2324k m 2, 已经设置采矿权的开采面积 2300k m 2, 属于极高强度开采区 。 矿区是目前正在进行的高强 度开采典范区 , 采矿权面积

16、与规划区面积之比高达 90%以 上 , 目 前 采 空 区 面 积 约 600k m 2, 每 年 以 100k m 2左右的速度 扩展 , 开采强度之大 , 远远超 过了地质环境承载力 , 不可逆转的地质环境破坏在 所难免 。2. 2 空间开采强度空间开采强度主要考核采高和采煤工作面规格 两个指标 。 将 采 高 大 于 4. 50m 、 采 煤 工 作 面 长 度 大于 200m 、 推进长度大于 2000m 的大规格采煤 工作面称为 空 间 高 强 度 开 采 区 。 将 采 高 介 于 1. 30 4. 50m 之间 、 采煤工作面长度 100200m 、 推 进长度 10002000

17、m 的 区 域 界 定 为 中 强 度 开 采 区 。 采高小于 1. 30m 的区域 , 无论工作面长度与 推进长度多大 , 其对于地面地质灾害发育程度影响 都较低 , 称为低强度开采区 。也有不少工作面根据井田规格设置 , 最大推进 长度可达 7000m 。 工作面之间留设 20m 以下的安 全煤柱 , 单个工作面连续平行排列 , 最终形成大范 围的采空区 , 一旦煤柱失稳 , 会造成大范围顶板冒 落和地面塌陷 、 裂缝发育 , 在沟谷地形区可导致边 坡滑动与崩塌等地质灾害的发生 。目前榆神府区设计能力为 10M t /a 的矿井 , 采 高均大于 4. 50m , 工作面长度 20045

18、0m , 推进 长度 20006700m , 均属于空间高强度开采类型 , 部分矿井 鉴 于 生 态 水 位 保 护 目 标 , 采 用 了 限 高 开 采 。 如榆树湾煤矿 (设计能力 8M t /a 2-2煤层厚 11m , 开采高度 5. 50m , 开采上分 层 。 而 大 柳 塔 (设计能 力 20M t /a 、 哈 拉 沟 (设 计 能 力 10M t / a 、 榆家梁 (设 计 能 力 17M t /a 、 石 圪 台 (设 计 能力 10M t /a 、 张家峁 (设计能力 6M t /a 、 红柳 林 (设 计 能 力 12M t /a 、 柠 条 塔 (设 计 能 力

19、10 M t /a 等煤 矿 , 则 全 部 是 一 次 采 全 高 , 采 高 4 7m , 多数 5m 左右 。 对于薄煤层分布区 , 如榆家 梁煤矿 4#煤 层 开 采 区 , 煤 层 厚 度 0. 701. 50m , 则一次 采 全 高 , 不 留 顶 底 煤 , 工 作 面 回 采 率 达 到 90%以上 , 同 一 区 域 叠 加 了 上 部 2-2、 3-1煤 层 的 高强度开采 , 也属于高强度开采区 。2. 3 煤炭开采强度指标的确定根据以上叙述 , 煤炭开采强度主要考核指标包 括单位面积内的开采区比例 、 采高 及 工 作 面 规 格 。 3 5榆神府区煤炭开采强度与地质

20、灾害研究 *根据目前实际 , 如果采煤工作面按照大规格工作面 (工作面长度 200m 及以上 、 推进长度 2000m 以上 确定 , 则煤炭资源开采强度可划分为极高 、 高 、 中 和低强度开采 , 见表 1。 对于规划区 , 按照规划的 井田 (开采 占 比 计 算 。 当 采 煤 工 作 面 规 格 减 小 , 如采煤工作面长度小于 100m 、 推 进 长 度 为 500 1200m 时 , 则比照表 1降低一个级别开采强度 。 值得提及的是对于处于临界值的开采区域 , 尽 管定级按照表 1确定 , 但诱发的地质灾害及治理对 策 , 则可按高一级开采强度的模式分析 。表 1 煤炭资源开

21、采强度划分指标采高 /m 平面开采比 60%平面开采比 60%30%平面开采比 30%10%平面开采比 10% 4. 50及以上 极高 高 中 低1. 304. 50高 中 中 低1. 30以下 中 低 低 低2. 4 煤炭开采强度实例及环境影响(1 极高强度 、 高强度开采区实例 。 大柳塔煤矿大柳塔井 1996年 1月 6日 投 产 以 来 , 1 -2 、 2 -2煤层已经开 采 完 , 其 中 1-2煤 层 由 于 分 布 范 围 小 , 采煤工作面规格不一 , 采高 34. 50m , 其下部叠加的 2-2煤层开采区 , 采高均大于 4. 50m , 采煤工 作面长度 230400m

22、 , 推 进 长 度 30006700m , 平面开采面 积 达 到 井 田 面 积 的 75%左 右 , 属 于 极 高强度 (局部高强 度 开 采 区 。 由 于 开 采 强 度 高 , 区内原有的双沟 、 五当沟 、 王渠 (泉 等沟流均已 经干涸 , 地面裂缝发育 , 黄土沟壑区深 、 大地裂缝 非常明显 , 对 植被生长影响大 。 目前 , 陕 北 大 型 、 特大型煤矿均属于此类开采强度 。(2 中强度开采区实例 。 榆神矿区东南部二墩 煤矿 、 白鹭煤矿 、 三台界煤矿 、 上河煤矿等 , 虽然 具备极 高 强 度 开 采 的 地 质 条 件 , 但 一 直 以 房 柱 式 (窄

23、条带 开采方式为主 , 采高 34. 50m , 平面开 采区占采矿权面积的比例 30%50%, 采空区上方 未发现地裂缝和地面沉降 , 采空区第四系地下水水 位没有明显下降 , 基本保持了原生生态环境条件 。 (3 低强度开采区 。 目前本区只有部分薄煤层 分布区属于 低 强 度 开 采 区 , 但 叠 加 了 下 部 (或 上 部 的厚煤层开采 , 也提高了开采强度 。3 榆神府区煤炭开采强度分区3. 1 榆神府区开采 (发 强度分区目前 , 神东 (即神府新民矿区 、 神南矿区 及榆 神矿区一 、 二期规划区均处于开采阶段 , 榆神矿区三 期规划区处于规划阶段 。 将取得了采矿权 、 正

24、在采煤 的开采区称为开采强度开采区 , 将已经做了整体规 划 、 未颁发采矿权的区域称为开发强度开发区 。 神东矿区范围内已经全部设置了采矿权 , 目前开采强度极大 , 除未开采的区域外 , 多数以一次采 全高 的 综 采 方 式 开 采 , 大 柳 塔 煤 矿 采 高 47m (煤层厚度 , 推进速度快 , 一个工作面年产就达到 10M t , 工作面长度初期为 150m , 目前为 330m , 推进长度初期 1500m , 目 前 根 据 煤 层 赋 存 情 况 确 定 , 一般推 进 长 度 50007000m , 大 采 高 、 快 速 推进 、 大规格采煤工作面 , 使采空区上方地

25、面出现 了大量塌陷 、 裂缝和地面变形 , 泉水干涸 , 河流断 流成为这一高强度开采区突出的地质环境特点 , 为 全区高强度开采区 。神南矿区面积 440k m 2, 目前正在开采的煤矿 有柠条 塔 、 红 柳 林 、 张 家 峁 煤 矿 及 一 些 地 方 小 煤 矿 , 开采区面积占规划区面积的 84. 86%, 为高强 度开采区 。新民矿区设置了大中小型煤矿 , 含煤区分配完 毕 , 煤矿单井产量 0. 35M t /a 不等 , 采煤方式有 综采 、 房柱式开采和炮采 , 除房柱式采煤区开采强 度中等外 , 其余均属于高强度开采区 。榆神矿区一期规划区的地方煤矿开采区 , 规划 为高

26、强度开发区 , 实际多数煤矿采用窄条带开采方 式 , 即长壁式布设工作面 、 采 12m 留 8m 的 “ 窄 条带 ” 开 采 , 面 积 开 采 率 0. 5以 下 , 开 采 强 度 中 等 。 本区 其 余 区 域 还 规 划 了 大 保 当 、 曹 家 滩 等 井 田 , 全部为特大型煤矿 , 规划开采方式均为综采 , 属于高强度开发区 。榆神矿 区 二 期 规 划 区 目 前 有 锦 界 (设 计 能 力 20M t /a 、 凉水井 煤 矿 (设 计 能 力 4M t /a 及 青 草界 (设 计 能 力 0. 3M t /a 、 王 家 沟 (设 计 能 力 0. 3M t /

27、a 等小煤矿 , 其余地段为规划区未开发 , 可划分为高强度开发区和高强度开采区 。榆神矿区三期规划区处于项目环评阶段 , 规划 了小保当一 号 等 6个 井 田 , 规 划 区 面 积 870k m 2,45中国煤炭第 40卷第 5期 2014年 5月规划 的 井 田 面 积 726k m 2, 占 规 划 区 面 积 的 83. 45%, 属于高强度开发区 。综 上 , 榆 神 府 区 高 强 度 开 采 区 面 积 达 2403k m 2, 占区域面积的 31. 67%; 中强度开采区 面积 639k m 2, 占区域面积的 8. 42%; 高强度开发 区面积 1687k m 2, 占区

28、域面积的 22. 24%。 规划区 实施后 , 高 强 度 开 采 区 将 占 全 部 面 积 的 53. 91%, 严重超过了环境容量负荷 , 应该适当放缓未开工井 田的建设步伐 , 尤其是神府新民矿区 、 榆神矿区未 开工的井田 , 建议暂缓开发 。3. 2 高强度开采区地质灾害调查陕西神 府 新 民 、 内 蒙 古 东 胜 矿 区 的 高 强 度 开 采 , 造成了泉水干涸和窟野河断流 , 这样的实例不 胜枚举 。 1999年 , 锦 界 井 田 开 始 勘 探 、 开 发 , 尽 管笔者通过不同途径呼吁暂缓开发锦界井田 (区 , 但没有奏效 。 锦界煤矿根据矿井实际涌水量设置了 620

29、0m 3/h 的排水能力 , 成为鄂尔多斯盆地侏罗纪 煤田矿井涌水量最大的矿井 , 不仅大幅度增加了煤 炭生产成本和安全投入 , 而且对采兔沟水库 (水源 地 及秃尾河基流量也会产生较大影响 。高强度开采造成了严重的地面塌陷 、 地裂缝发 育 , 对植被根系产生较大拉裂 , 致使部分裂缝附近 植被枯萎或盖度明显降低 , 这种以黄土地貌区地面 变形 、 地裂缝发育为特点的地质灾害主要分布于神 木与府谷县交接的新民矿区 、 神木县城附近的大砭 窑煤矿一带 。 而在沙漠地貌区 , 虽然采动也造成了 地表强烈变形 , 但由于沙地的松散 , 自然弥合作用 较快 , 尤其是雨季 , 裂缝很快弥合 , 在地

30、表很难发 现裂缝 , 一旦错过裂缝显现时间 , 很难再看到采动 损害现象 , 但这并不能消除采动损害 , 尤其是萨拉 乌苏组富水区 , 采动损害往往造成含水层地下水水 位下降 , 进而影响植被种群及生理指标 。因此 , 榆神府矿区应该合理确定开发规模和调 整开发布局 , 确保煤炭经济发展与环境保护相协调 。4 结论(1 提出了开采强度的定义 , 开采强度是指单 位范围内煤炭资源开采量与总量的占比 , 或表述为 单位面积范围内的开采面积与总面积之比 。(2 初步给出了面积开采强度 、 空间开采强度 和时间开采强度的定量指标 , 认为面积开采率达到 0. 6以上属于极高强度开采 , 0. 30. 6属于高强度 开采 , 0. 10. 3属于中强度开采 , 0. 1以下属于低强度开采 ; 空间开采强度 , 采高达到 4. 50m 属于 高 强 度 开 采 , 1. 304. 50m 属 于 中 强 度 开 采 , 1. 30m 以下属于 低 强 度 开 采 ; 时 间 开 采 强 度 未 界 定 。 以面积 、 空间开采强度组合后 , 确定一个区域 的煤炭开采强度 。(3 目前神府新民矿区和榆神矿区的一 、 二期