陕北煤矿采空区矿震及应对措施探讨

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摘要：2004年来，陕北侏罗纪煤田矿区发生2.0级以上矿震约87次，严重破坏了矿区生态环境。作者根据公路行业采空区治理经验，提出防止矿震频发的应对措施。

关键词：采空区；矿震；陕北；煤田

中图分类号：O741+.2 文献标识码：A文章编号：

陕北侏罗纪煤田是国家规划的13个大型煤炭建设基地之一，含煤面积约27000km2，总资源量约2150亿吨，已探明煤炭储量1460亿吨，占全国已探明储量的12％。生产高峰期煤炭开采企业多达500余家，2012年榆林市全年原煤产量达到3.2吨，约占全省煤炭年产量的70%，稳居全国第二产煤大市的位置。随着开采规模的扩大，采空区塌陷引起的矿山地震（矿震）频发，环境地质灾害问题日益突出。

1概述

陕北侏罗纪煤田矿区地质构造简单，为一向西缓倾的单斜构造，地层近于水平，倾角多小于5°。可采煤层14层，主采煤层5层，埋深一般在50 ～150 m，单一煤层最大厚度12.5m。煤层赋存于中侏罗纪延安组，埋藏浅，层数多，分布稳定，煤质优良，是国内外罕见的优质动力、液化、化工用煤。

2 采空区塌陷

随着国家级煤炭基地的建设，陕北侏罗纪煤田内的煤矿星罗棋布。煤矿开采到一定程度后必然形成采空区域，当采空区域达一定范围后，预留煤柱难以支撑覆岩压力或采空区覆岩压力超过其自身的抗压强度后岩石断裂，导致煤矿采空区塌陷，形成采空区域的矿山地震。矿震是煤炭生产中由采空诱发的一种常见灾害, 它是煤炭开采过程中由于采区应力改变导致弹性能量瞬间突然释放而造成的岩体猛烈的冲击现象。较大的矿震还会使地面建筑受到一定程度的破坏, 并使地面一定范围内有震感。

陕北侏罗纪煤田矿区采空区存在已久，早年多以小煤窑房柱式开采形成的采空区为主，近年多以机械化综合开采形成的大区域采空区为主。随着原煤产量的增加和开采方式的转变，煤矿采空区的数量和范围也在日益增大。据有关报道，陕北侏罗纪煤田矿区在2005年底已形成采空区约320km2；2007年底已形成采空区339.57km2，已发生塌陷面积64.25 km2；2010年底已形成采空区499.41km2，已发生塌陷面积118.14 km2，按当年榆林市原煤生产总量预测，每年新增采空区70～80 km2，新增塌陷面积30～40 km2。

3 矿震资料统计

根据有关资料整理统计，2004～2012年之间陕北侏罗纪煤田矿区相继发生因煤矿采空区塌陷导致的矿山地震87次（2009年前统计不完全）（图1）。

图1陕北煤田矿山地震震中位置分布图

从震级上看， 2.0- 3.0级48次， 3.0- 4.0级36次，大于4.0级3次，最大震级为ML4. 2。2008年前大于3.0居多，2008年后小于3.0居多（图2）。

从时间上看，2004年3次，2005年5次，2006年1次，2007年12次，2008年18次，2009年9次，2010年8次，2011年13次，2012年18次。其中，2008年和2012年为矿震集中发生期，年均发生矿震18次。月最多发生5次（2011年12月），24小时内最多发生3次（2008年10月26日、2012年1月25日）。

图2陕北煤田矿山地震震级频度图

国内记录的最大一次矿震是发生在辽宁北票台吉煤矿的4.3 级（1977年4 月28 日）。陕北侏罗纪煤田矿区已记录到的最大震为4.2级（2004年10月14日），接近国内最大矿震震级，且大于4.0级的矿震就发生了3次，无论从频度还是强度, 都比较大。

陕北侏罗纪煤田矿震地生的频度与榆林市原煤年产量的逐年增加相关。煤炭年产量的逐年增加，采空区的数量及范围增大，矿震发生的频度增高。

4 矿震危害

矿震多发生在被废弃的采空区内，突发性强，危害性大。本区矿震虽然震级小未直接造成大量人员伤亡和财产损失，但是频发的矿震，使区域生态环境遭受严重破坏，造成区域地表水泄漏、地下水位下降、湖泊萎缩、大量土地塌陷、地面建筑物受损，不少人被迫迁移家园。

2004年10月14日12:16发在府谷县高家崖联办煤矿 (北纬39°07′，东经110°43′)的4.2级地震(塌陷)，是本区有矿震记录以来的最大一次，造成塌陷面积约200000m2，地面裂缝带宽约500m, 裂缝垂直落差约20cm, 并诱发了部分黄土陡崖坍塌。

2009年05月26日 08:47在神木县枣稍沟煤矿采空区(北纬38.8°，东经110.1°)发生2.6级矿震。塌陷范围长约400m，宽约200m，面积约80000m2。塌陷中心距离在建的榆神高速北约150 m，矿震使K63+550～K63+951段路基局部地段出现裂缝（缝宽约10cm），造成K63+600分离式立交（3×20m）桥梁的两侧桥台背墙开裂、桥梁支座基本脱空、桥梁下沉。经测量，该桥左幅桥整体下沉相对较大，最大下沉达到1.3m，左右幅错位达15cm，盖梁竖向裂缝宽约1cm。桥梁因矿震破坏而废掉，损失较大。

5 应对措施

矿震是由地下采空区的空洞突然塌陷引起的，只要把采空区空洞充填（或部分充填），即可防止（或减少）矿震灾害的发生。采空区充填方式可分为全充填、墩柱式充填、条带式充填（表1）。

表1采空区治理工程措施

陕北侏罗纪煤田矿区位于毛乌素沙漠南缘，分布有丰富的风积沙资源。利用风积砂对采空区进行充填，不仅可以减少防沙固沙的大量投入，减少因风积沙飞扬引起的沙尘污染，还可以阻止或减缓采空区塌陷造成的矿震灾害。风积砂颗粒均匀细小，压缩系数较小，抗压能力强，能有效控制采空区覆岩变形移动和破坏，阻止矿震发生。

煤矸石是煤炭开采和煤炭选矿产生的固体废弃物，是煤炭企业排放量和累计存量最大的工业废渣。煤矸石的露天堆放，不仅占用大量的土地，还严重污染矿区生态环境。用煤矸石充填采空区，是变废为宝、一举多得的好事。

开展以利用当地资源为主的采空区充填技术研究，探索采矿与环保持续共赢新模式，减少采空区塌陷矿震造成的区域自然生态环境破坏，具有十分重要的现实意义。

参考资料

1．陕西地震信息网

2．邵辉成 等. 陕北煤矿塌陷及灾害简介[ J]. 华北地震科学，2009，27( 2) : 1-4.

3．董星宏 等. 对陕西榆林地区三次矿震灾害的认识[ J] . 灾害学, 2005, 20( 2) : 96-98.

作者简介任建军（1963-），男，陕西洋县人，高级工程师，从事地质矿产调查及工程地质勘察工作。