資源型企業(yè)的普遍發(fā)展規(guī)律，即是“勘探—前期開(kāi)采—擴(kuò)大生產(chǎn)—鼎盛—衰退—枯竭”過(guò)程。為此原來(lái)的煤炭企業(yè)基地除了生產(chǎn)煤炭沒(méi)有其它經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，相當(dāng)一些因煤炭開(kāi)發(fā)而出名的企業(yè)，因?yàn)殚L(zhǎng)久的開(kāi)發(fā)造成地面沉陷、矸石堆積如山、地下水系破壞，現(xiàn)在又由于進(jìn)入資源枯竭更難以轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)。這些企業(yè)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綠色GDP系統(tǒng)的構(gòu)造，不僅要面臨著人員、安全的壓力，還進(jìn)一步面臨對(duì)環(huán)境保護(hù)的壓力。
在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，使原有的企業(yè)，尤其是資源即將枯竭的企業(yè)處境十分不利。在煤炭的供不應(yīng)求情況下，矛盾不突出，一旦供大于求，企業(yè)自身沒(méi)有任何協(xié)調(diào)能力，又將陷于困境。象同煤集團(tuán)同家梁礦現(xiàn)就處于這種情況。
為此對(duì)于今后的煤炭開(kāi)采，煤炭企業(yè)必須轉(zhuǎn)變理念，以經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保三大原則促進(jìn)煤炭工業(yè)得到健康、可持續(xù)發(fā)展。雖然提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性是煤炭企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力和必然選擇，但要想提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，就必須逐步完善煤炭生產(chǎn)的綠色GDP系統(tǒng)，使企業(yè)、社會(huì)、環(huán)境進(jìn)入和諧發(fā)展的軌道。不管是新建井，還是資源接近枯竭井，都必須本著煤炭資源綠色開(kāi)采的原則，來(lái)提升企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展空間。
下面就以同煤集團(tuán)同家梁礦作為實(shí)例，對(duì)煤炭資源環(huán)保型開(kāi)采以及沖擊地壓和地表塌陷綜合治理的技術(shù)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單探討。
1、礦井概況
同家梁井田位于大同市西南部南郊區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°58′29″-113°06′41″，北緯40°00′02″-40°03′11″。井田面積28.882km2。井田東北與永定莊礦相鄰，南與四老溝礦及白洞礦為界，西北與燕子山礦及四臺(tái)礦相連。
1.1礦井生產(chǎn)建設(shè)概況
同家梁礦開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)幾次技術(shù)改造，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到3000 kt。該礦批準(zhǔn)開(kāi)采所有侏羅系可采煤層，現(xiàn)已采動(dòng)過(guò)7-3、8、9、11、12、14、15號(hào)煤層。目前，一水平1080水平報(bào)廢，1040水平也基本結(jié)束，現(xiàn)全部轉(zhuǎn)入二水平1035和1013水平?，F(xiàn)主采11、12、14號(hào)煤層。開(kāi)采方式為前進(jìn)式開(kāi)采。
1.2 以往開(kāi)采情況
我礦是一個(gè)有60多年開(kāi)采歷史的老礦，開(kāi)采煤層為侏羅系大同組，主要開(kāi)采11#、12#和14#層煤，井田位于大同煤田向斜軸部的東南部。為近水平煤層，煤層厚1.7～3.6M, 層間距8～27M。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 開(kāi)采埋深300～400米。80年代以來(lái)均為綜合機(jī)械化長(zhǎng)臂大冒頂開(kāi)采方法，工作面傾斜長(zhǎng)150M左右，間隔煤柱15～20M。采用盤區(qū)前進(jìn)式，雙翼開(kāi)采方式。
東部主要以刀柱和倉(cāng)房開(kāi)采為主；中部主要以短壁和長(zhǎng)壁開(kāi)采，長(zhǎng)壁開(kāi)采數(shù)量不大且走向長(zhǎng)度較短；西部主要以長(zhǎng)壁開(kāi)采。
1.3地質(zhì)災(zāi)害破壞情況
(1)、對(duì)水系破壞
第四紀(jì)含水層現(xiàn)大部分已遭到破壞，井田范圍內(nèi)井、泉已多年干枯，同時(shí)造成地表植被大面積枯死。
(2)、對(duì)村莊、耕地、公路等的破壞。
(3)、有害氣體外泄
通過(guò)地表裂縫井下有害氣體外泄，破壞了地表植被和生態(tài)平衡；矸石山自燃，造成空氣污染，并形成各種對(duì)人體有害的有害氣體。
2、對(duì)以后煤炭資源環(huán)保型開(kāi)采的幾點(diǎn)建議
2.1 隨采隨治
(1)在水系下開(kāi)采，盡量采用倉(cāng)房式開(kāi)采，并及時(shí)對(duì)開(kāi)采部分進(jìn)行充填。
(2)利用綜采開(kāi)采時(shí)，應(yīng)做到對(duì)采空區(qū)用煤矸石及時(shí)進(jìn)行充填，并采用深孔注液方法，來(lái)減輕裂隙延伸長(zhǎng)度。目前，利用煤矸石和廢舊石料作為充填，是比較合理的一種選擇。
同時(shí)在地面種植大量植被，形成大面積保水工程。
2.2 洗煤與廢水處理
(1)要對(duì)所有采出煤炭進(jìn)行洗選，并且要逐步提升洗煤工藝。這不僅能提高煤炭的品牌和知名度，更是提高煤炭經(jīng)濟(jì)性的必須選擇。
(2)井下水現(xiàn)已全部經(jīng)過(guò)井下淡化泵房進(jìn)行循環(huán)利用；對(duì)于井上廢水要全部通過(guò)廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，減少外排，這同時(shí)也是節(jié)能減耗的一項(xiàng)重要途經(jīng)。
2.3 矸石的再利用
(1)作為土地復(fù)墾和充填地面塌陷的材料。
(2)作為制磚或其它工藝品材料。$Page_Split$
3、對(duì)沖擊地壓和地表塌陷的綜合治理技術(shù)探討
3.1 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
我礦開(kāi)采煤層均為細(xì)砂巖和中粗砂巖頂板，巖石堅(jiān)硬，整體性強(qiáng)，一般采取強(qiáng)制放頂措施，但限于生產(chǎn)技術(shù)條件，一般處理冒落高度在4～5M左右，即處理了堅(jiān)硬的直接頂?shù)南挛粠r層。而10M厚老頂沒(méi)有很好處理，相鄰煤柱也較寬（20M），這就使臨空巷兩側(cè)煤柱形成高應(yīng)力，并且隨著開(kāi)采深度加深形成復(fù)雜的應(yīng)力疊加條件。當(dāng)達(dá)一定極限時(shí)，老頂會(huì)形成突然切冒，造成地表整體下沉。下沉量為累計(jì)采厚的1/10左右，并且隨著近距離煤層聯(lián)合開(kāi)采，下沉量還將不斷增加。
由于東部主要以刀柱和倉(cāng)房開(kāi)采為主，所以地表沉陷并不明顯，也無(wú)規(guī)律可循，地表裂縫較發(fā)育；中部主要以短壁和長(zhǎng)壁開(kāi)采，長(zhǎng)壁開(kāi)采數(shù)量不大且走向長(zhǎng)度較短，所以現(xiàn)階段已在307、309盤區(qū)出現(xiàn)地表與工作面布置相似的沉陷范圍，但沉陷量不大；西部主要以長(zhǎng)壁開(kāi)采，由于開(kāi)采年代較短，所以現(xiàn)無(wú)明顯地面沉陷。
從開(kāi)采309盤區(qū)時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)頂板整體壓力，當(dāng)時(shí)采用了強(qiáng)支強(qiáng)放的措施，一直到開(kāi)采11#層311盤區(qū)81114-81120工作面時(shí)，才確定為沖擊地壓。
在開(kāi)采過(guò)程中和開(kāi)采后對(duì)地表的觀察分析結(jié)果看，在斷層破碎帶及頂板整體性不強(qiáng)的地段，沖擊地壓和地表沉陷并不明顯。
目前我們對(duì)沖擊地壓治理主要采取“支”、“放”、“卸”等綜合的防治措施有效地治理有重大危害性的沖擊壓力；對(duì)地裂縫主要采取地表填充方式進(jìn)行初步治理；對(duì)受地表沉陷危險(xiǎn)的居民住宅，僅采取避讓搬遷措施。
3.2巖層移動(dòng)特點(diǎn)
(1)、地表變形明顯
侏羅系煤層全部采完后地表移動(dòng)變形最大下沉深度可達(dá)10m左右；單層地表移動(dòng)變形值遠(yuǎn)大于建筑物的地表允許變形值，疊加后變形值更大。
(2)、地表沉陷十分復(fù)雜。
我礦開(kāi)采歷史長(zhǎng)，采空區(qū)分布非常復(fù)雜。主要原因有二，一者為上部煤層古窯采空區(qū)的分布和大小，無(wú)詳盡的歷史記錄，另一者是在60多年的歷史中，曾多次變更井田邊界。采空區(qū)分布的復(fù)雜性、采煤方法和頂板管理的多樣化、覆巖構(gòu)造和厚度的差異性，使得地表沉陷具有復(fù)雜性。
(3)、地表沉陷具突發(fā)性
我礦的煤層、頂板和覆巖堅(jiān)硬且整體性好，頂板和覆巖的破壞形式絕大多數(shù)為切冒，僅是有一次性整體切冒或分層切冒區(qū)別而已，所以地表沉陷變形具突發(fā)性或陣發(fā)性。
(4)、地表沉陷具滯后性
地表沉陷具滯后性，且沉陷時(shí)間無(wú)規(guī)律可循，有可能是開(kāi)采過(guò)后數(shù)年甚至數(shù)十年后產(chǎn)生。
(5)、地表沉陷受重復(fù)采動(dòng)影響產(chǎn)生疊加
下部煤層的重復(fù)開(kāi)采，特別是采用長(zhǎng)壁式綜采工作面開(kāi)采，會(huì)使上部采空區(qū)本來(lái)已經(jīng)趨于比較穩(wěn)定的煤柱及頂板又不同程度地多次遭到破壞，與此同時(shí)地表也發(fā)生多次移動(dòng)變形，地表變形疊加后，對(duì)地面的破壞回更加嚴(yán)重。
(6)、地表沉陷不充分
地表沉陷后還遺留著難以估算的懸頂和空洞，下伏煤層還要繼續(xù)開(kāi)采，因此，地表沉陷還會(huì)繼續(xù)。
回顧我礦的煤炭開(kāi)采歷史，可以看到多種多樣的開(kāi)拓方式、開(kāi)采方法和頂板管理方法，可以看到地面沉陷諸多的表現(xiàn)形式，也可以看到其諸多的特殊性。
3.3 治理方案提出及費(fèi)用
(1)改變開(kāi)采方式
我們首先從開(kāi)采設(shè)計(jì)方案上著手，采用合理的配采方式，把刀柱、倉(cāng)房和長(zhǎng)壁開(kāi)采相結(jié)合，并且采用錯(cuò)位開(kāi)采，減少頂板整體下沉量，來(lái)減輕地面下沉。
這種方案雖然投資小，見(jiàn)效快，但這種方法卻與提高回采率、盡量增加資源回收力度不相符，尤其是會(huì)造成的頂板彈性能積聚，從而引發(fā)沖擊地壓發(fā)生。所以這種方法并不可取。
(2)加強(qiáng)放頂深度和縮小放頂間距
針對(duì)頂板特性，強(qiáng)化放頂工作。我們制定了工作面淺孔和兩順槽及工作面中部深孔爆破相結(jié)合的放頂方案。工作面淺孔是破壞直接頂，分臺(tái)階放頂，破壞老頂在煤柱側(cè)的懸頂。深孔爆破是為了斷頂，以降弱老頂?shù)膫鬟f支承壓力，并且破壞其一次整體性下沉量，從而減輕地表沉陷量。
這種方案能減輕沖擊地壓，減緩地表下沉量。但投資較大，且放頂布眼準(zhǔn)確度不高。對(duì)于整體治理大約需要費(fèi)用600萬(wàn)元左右。
(3)地面打鉆進(jìn)行充填
利用物探與鉆探相結(jié)合，利用鉆孔窺視儀和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對(duì)采空塌冒的空間進(jìn)行科學(xué)分析，根據(jù)采動(dòng)時(shí)間，利用地面鉆孔逐步對(duì)這些空間進(jìn)行充填，減小地表下沉量。
這種方案對(duì)于一次性治理成功率較大，擔(dān)投資較大，且科學(xué)含量較高。對(duì)于數(shù)據(jù)分析尤其重要。并且由于充填，將對(duì)后期下部煤層開(kāi)采的防治水治理造成很多不穩(wěn)定因素。對(duì)于整體治理大約需要費(fèi)用1000萬(wàn)元左右。
(4) 加強(qiáng)放頂深度和縮小放頂間距與地面打鉆進(jìn)行充填相結(jié)合
上述(2)、(3)方法相結(jié)合，開(kāi)始先進(jìn)行強(qiáng)化放頂工作，后從地面對(duì)空間進(jìn)行充填，達(dá)到綜合治理效果。
這種方案是相輔相成地對(duì)頂板整體來(lái)壓及地表沉陷進(jìn)行綜合治理，既能對(duì)采動(dòng)中的沖擊地壓進(jìn)行預(yù)防，又能對(duì)采動(dòng)后的嚴(yán)重沖出地壓進(jìn)行治理，并且對(duì)地表沉陷及地裂縫起到良好效果。對(duì)于整體治理大約需要費(fèi)用1500萬(wàn)元左右。
4、結(jié)束語(yǔ)
煤炭資源的綠色開(kāi)采和對(duì)地表沉陷等因采煤而發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合治理，本就是的互為一體的綜合發(fā)展方向，也是煤炭企業(yè)逐步向綠色GDP系統(tǒng)靠近的方向。
上述僅僅是我們對(duì)煤炭資源的綠色開(kāi)采以及對(duì)沖擊地壓和地表沉陷綜合治理的一個(gè)初步構(gòu)想，需要進(jìn)一步的科學(xué)數(shù)據(jù)分析及科技力量的支持。
作者：謝煥鎖 苗連江
單位：同家梁礦地質(zhì)科
