煤礦開采沉陷區(qū)的防治技術(shù)與應(yīng)用

王麗靜

（同煤集團(tuán)地質(zhì)勘測(cè)處，山西大同 037003）

煤礦開采沉陷區(qū)的防治技術(shù)與應(yīng)用

王麗靜

（同煤集團(tuán)地質(zhì)勘測(cè)處，山西大同 037003）

煤礦開采沉陷是造成礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的直接原因，有效控制和減輕地面沉陷程度是避免煤礦開采沉陷環(huán)境災(zāi)害的基本途徑。通過(guò)系統(tǒng)的資料收集、整理分析，制定礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理總體方案，針對(duì)不同類型的地質(zhì)災(zāi)害，采取針對(duì)性的治理措施，從而為礦井安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

開采沉陷；地質(zhì)災(zāi)害；治理措施

1 概述

1）煤炭的開發(fā)為山西經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了基本保證，然而煤炭的大規(guī)模開采對(duì)礦山及其周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞日益突出，開采沉陷不僅導(dǎo)致土壤退化，土地?zé)o法耕種，同時(shí)煤層長(zhǎng)期大面積開采，還會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶和地面塌陷范圍隨之?dāng)U大，使地表水與地下水、礦坑水發(fā)生了直接聯(lián)系，造成沙川徑流大量滲漏、徑流量明顯減少，從而部分開采沉陷過(guò)程與煤礦開采掘進(jìn)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，一旦出現(xiàn)貫通裂隙可能導(dǎo)致地表水或地下水倒灌，進(jìn)入工作面造成井下突水事故。因此，有效控制和減輕地面塌陷程度是解決此問(wèn)題的根本途徑。

2）開采沉陷導(dǎo)致的地層裂隙導(dǎo)水是引起煤礦水害的主要原因之一，正確認(rèn)識(shí)煤礦地面塌陷現(xiàn)狀，研究其成因、預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，評(píng)價(jià)其對(duì)煤礦生產(chǎn)安全的風(fēng)險(xiǎn)，提出切實(shí)有效的防治對(duì)策，對(duì)避免和減少地面塌陷區(qū)水害的發(fā)生，保證煤礦生產(chǎn)順利進(jìn)行并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義[1]。同煤集團(tuán)煤礦埋深相對(duì)較淺、煤層較厚，容易引起開采沉陷并形成貫通性裂隙，產(chǎn)生地表水入滲的礦井水害風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，本文課題有重要意義。

2 治理區(qū)域采取的治理途徑

煤礦水災(zāi)事故只有三個(gè)必要條件同時(shí)具備，才會(huì)發(fā)生水災(zāi)事故。1）水源。包括地表水、洪水、松散層水、巖溶裂隙水、砂巖裂隙水、采空區(qū)水等。造成重大或特別重大事故的水源往往是巖溶裂隙水和采空區(qū)水。2）導(dǎo)水通道。它包括自然通道和人工通道兩類。自然通道主要有斷層、裂隙、陷落柱等，人工通道有鉆孔、煤炭開采后導(dǎo)水裂隙帶等。3）釋放水空間。礦井開采產(chǎn)生人空間，包括井筒、巷道、峒室、采空區(qū)等。因此，根據(jù)某礦區(qū)生產(chǎn)補(bǔ)充地質(zhì)勘探報(bào)告可知5號(hào)煤層煤系裂隙水對(duì)礦井生產(chǎn)影響小，然而5號(hào)煤層開采后，導(dǎo)水裂隙帶將達(dá)地表，地表水經(jīng)過(guò)地表裂隙縫進(jìn)入礦井，是礦井的主要充水因素。因此，防治方案的設(shè)計(jì)以地表源頭治理為主，輔以地下采空區(qū)隔水處理，同時(shí)加強(qiáng)地下水位監(jiān)測(cè)，使礦區(qū)水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)下降到最低水平。

3 治理區(qū)域概況及治理方法

本文討論的治理區(qū)屬丘陵地區(qū)，根據(jù)地表沉陷狀況可分為塌陷坑體和周邊裂隙群兩類，采空區(qū)塌陷坑圖片，見圖1。由于塌陷坑的形成，阻斷了原季節(jié)性排水溝的排水路徑，同時(shí)塌陷坑內(nèi)存在大量裂隙，雨季易造成積水，并通過(guò)裂隙入滲工作面；塌陷坑以東沿掘進(jìn)方向形成了大面積裂隙，工作面兩側(cè)處裂隙較為發(fā)育，呈明顯的“馬鞍型”[2]。工作面上方沿掘進(jìn)方向均出現(xiàn)不同程度的沉陷，其表土層為粉砂壤，滲水性能較強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度低、支撐力較弱，隨著開采時(shí)間的延續(xù)，尤其是一次較強(qiáng)降水后很有可能形成新的塌陷坑，造成新的安全隱患。

圖1 采空區(qū)塌陷坑

地表塌陷坑的治理目標(biāo)：平整坑體，坑底和坑側(cè)進(jìn)行防滲處理，并進(jìn)行部分覆土，種植草本類植被，在原季節(jié)性排水溝下游處理挖開山體導(dǎo)流，防止一次性大量降水入滲地下工作面。地表裂隙群的治理目標(biāo)：平整山體，淺度裂隙和中度裂隙用三七土充填壓實(shí)，深度裂隙進(jìn)行三七土充填處理，保障井下開采的安全，同時(shí)利用山勢(shì)將降水導(dǎo)出沉陷區(qū)。

淺度和中度裂隙（裂縫寬0～0.5 m）夯填方法，見圖2，先挖出50 cm×150 cm的溝槽，然后用三七土進(jìn)行人工夯填，至少每20 cm分層夯實(shí)一次，壓密后的三七土厚度不得小于0.5 m，密實(shí)度不得小于93%（注：三七土中熟化石灰顆粒粒徑不得大于5 mm，熟化石灰與黃土按2∶1的比例攪拌均勻，顆粒粒徑不得大于15 mm；三七土必須進(jìn)行含水量試驗(yàn)，確保良好的防滲性能）。三七土夯實(shí)后進(jìn)行黃土回填，進(jìn)行夯實(shí)找平。

圖2 中淺度裂隙夯填方法

深度裂隙（裂縫寬0.5～2 m）夯填方法，見圖3，先挖出100 cm×200 cm的溝槽，然后用麻袋土充填裂隙，防止夯填的三七土下漏，再將三七土進(jìn)行人工夯填，至少每20 cm分層夯實(shí)一次，壓密后的三七土厚度不得小于1.0 m，密實(shí)度不得小于93%（注：三七土中熟化石灰顆粒粒徑不得大于5 mm，熟化石灰與黃土按2∶1的比例攪拌均勻，顆粒粒徑不得大于15 mm；三七土必須進(jìn)行含水量試驗(yàn)，確保良好的防滲性能）。三七土夯實(shí)后進(jìn)行黃土回填，黃土層回填高度至少高出地表0.5 m，形成梯形形狀。

圖3 深度裂隙夯填方法

塌陷坑（直徑大于3 m）邊坡先挖出60°角，塌陷坑經(jīng)防滲處理后進(jìn)行復(fù)土回填，回填高度為3 m，在塌陷坑周圍挖出錨固坑。防滲工程設(shè)計(jì)圖，見圖4。

圖4 防滲工程設(shè)計(jì)圖

4 其他防治措施

1）地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)：利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將觀測(cè)站的水位、溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到水位監(jiān)控中心，通過(guò)監(jiān)控軟件，對(duì)水位、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的采集、超水位報(bào)警等多項(xiàng)功能。

2）地表塌陷坑的治理：平整坑體，坑底和坑側(cè)進(jìn)行防滲處理，并進(jìn)行部分覆土，種植草本類植被，在原季節(jié)性排水溝下游處理挖開山體導(dǎo)流，防止一次性大量降水入滲地下工作面。

3）地表裂隙群的治理：平整山體，淺度裂隙和中度裂隙用三七土充填壓實(shí)；深度裂隙進(jìn)行三七土充填或巖體灌漿處理，保障井下開采的安全，同時(shí)利用山勢(shì)將降水導(dǎo)入塌陷坑。

4）采空區(qū)治理：在采空區(qū)設(shè)置防水閘門，使礦井與采空區(qū)隔離開來(lái)，一旦發(fā)生水患，礦井分區(qū)隔離，可以縮小災(zāi)情影響范圍，控制水勢(shì)危害，確保礦井安全，同時(shí)加大井下應(yīng)急排水能力，可以進(jìn)一步減少水災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)以上環(huán)境治理工程，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控降水對(duì)地下水位的影響，對(duì)工作面突水進(jìn)行預(yù)警；地表塌陷區(qū)內(nèi)裂隙得以充填，坑體入滲得到較好的處理，同時(shí)通過(guò)植被，進(jìn)一步提高了上覆土層的持水能力，加強(qiáng)了地表防滲層的防滲能力；采空區(qū)設(shè)置防水閘門，加大了井下應(yīng)急排水能力，可以減少工作面突水事故風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)裂縫長(zhǎng)期觀測(cè)，雖然表面治理達(dá)到了理想的效果，但還不能治本，發(fā)現(xiàn)還有變化塌陷，經(jīng)過(guò)研究決定，需對(duì)采空區(qū)所對(duì)應(yīng)的地面施工注漿孔，從根本上解決地表的塌陷問(wèn)題，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)通過(guò)這兩種方法的聯(lián)合作業(yè)，達(dá)到預(yù)期的效果，實(shí)現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)。

本次項(xiàng)目的研究與實(shí)施，在治理區(qū)建立了一套完整的開采沉陷區(qū)水害防治方法，不僅可以保障沉陷區(qū)的生產(chǎn)和人員安全，目前本治理礦區(qū)受影響工作面已安全度過(guò)汛期，保障了生產(chǎn)安全，截止到年底受影響工作面共采出原煤302萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)總產(chǎn)值8.45億元，利潤(rùn)達(dá)到1.5億元。通過(guò)沉陷區(qū)地面治理，改善了沉陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境，恢復(fù)了當(dāng)?shù)赝恋氐纳鷳B(tài)和農(nóng)業(yè)功能，取得了良好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。項(xiàng)目的研究和實(shí)施為巨厚煤層開采沉陷條件下煤層的安全、高效生產(chǎn)開辟了新的技術(shù)途徑，為沉陷區(qū)水害治理提供了依據(jù)，積累了經(jīng)驗(yàn)，減少了資源損失，具有積極的推廣價(jià)值。

[1]劉占魁，劉冰蕾，王瑞智，等.國(guó)內(nèi)礦山開采沉陷的主要研究方法及應(yīng)用情況[J].西部探礦工程，2011（1）：176-178.

[2]韓光勝，程健維，易光旺.國(guó)外礦山開采沉陷預(yù)計(jì)技術(shù)研究及應(yīng)用概述[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011（7）：41-45.

Control Technology and Its Application in Mining Subsidence Areas in Mine

WANG Lijing
(Geological Survey Section,Datong Coal Mine Group,Datong 037003,China)

Mining subsidence could directly cause geological disaster of coal field environment. Effective control and reduction of the surface subsidence are essential to avoid the disaster.By data collection and analysis,an overall plan for geological environment treatment was established.For different geological disasters,targeted control measures should be adopted to guide the safety production in the mine.

mining subsidence;geological disaster;control measures

TD88

A

1672-5050（2015）03-0019-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.007

（編輯：劉新光）

2015-03-05

王麗靜（1984-），女，山西平遙人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤田地質(zhì)勘測(cè)工作。