陽泉礦區采空區分布特征及治理措施

王 海 祥

(山西國辰建設工程勘察設計有限公司,山西 陽泉 045000)

?

陽泉礦區采空區分布特征及治理措施

王 海 祥

(山西國辰建設工程勘察設計有限公司,山西 陽泉 045000)

介紹了不同采煤方式形成的采空區特點，分析了影響采空區地基穩定性的因素，并探討了評價采空區穩定性的原則與方法，提出了不穩定及穩定性差的采空區治理措施，確保了采空區的安全性。

礦區，采空區，開采方式，穩定性

陽泉礦區地處沁水煤田之東北邊緣，是我國最大的無煙煤生產基地。具有交通條件方便、地質構造簡單、可采煤層埋藏較淺等優點，開采歷史十分悠久，數百年來由于煤炭開采形成的各種不同規模及不同形式的采空區在陽泉礦區及周邊廣泛分布。采空區的存在使本地區地質環境遭受嚴重破壞，也成為危及礦區工業及民用建筑安全、增加工程造價的主要因素。因此，通過對陽泉礦區采空區分布特點的分析，結合地區建筑經驗，研究各類采空區對地表建筑的危害程度，以確定合理的治理措施，是一項有意義的工作。

1 不同采煤方式形成的采空區特點

1.1 手工采煤階段的開采方式及形成的采空區特點

陽泉礦區在解放初期(1947年—1951年)以及解放前(1947年以前)煤炭開采和掘進完全依靠手工完成，運輸和提升主要靠人力、畜力完成，只有個別有規模的礦井配備少量提升和運輸機械(保晉公司的礦廠和日偽時期的礦井)。陽泉煤礦基本上是依靠掘進巷道出煤的，因此，巷道掘進量很大，但延伸都不遠(采深多小于70 m～100 m，且分布于露頭區或淺埋區)。掘進手段是人工搬和鑿壕，巷道一般不進行支護，唯有當頂板(或頂煤)破碎或片幫嚴重處，才用少量立柱支撐，然后采用擴幫的采煤方式，巷寬2.0 m～5.0 m居多。在保晉時期開采15號煤(丈八煤)采用殘柱高落式采煤法，這一方法是沿煤層下層開鑿大量巷道，由巷道把煤層切割成若干個小方塊的煤柱，然后刷幫擴大巷道，巷道寬度3 m～7 m不等(視頂煤完整狀態情況而定)，個別達到10 m左右，縮小煤柱四壁，使中～上層煤因自重而坍塌回收，這種方法資源浪費嚴重，回收率均不到30%。而且基本上以回收塊炭為主，碎煤及末煤大多留于井下空巷之中。上述開采方法在陽泉周邊農村小煤窯基本沿用到20世紀70年代中后期。

這類開采方法形成的采空區具有如下特點：埋深多在30 m～70 m，個別達70 m～120 m，巷道多呈網狀分布極不規律，采空區以大量空洞形式存在，多數發生冒落，采空區覆巖沒明顯的裂隙及彎曲下沉現象，回采率較低(15%～20%居多，少數能達到20%～30%)，地表多無明顯開裂、沉降變形跡象，只有少部分采深較淺(一般小于35 m或更淺)時地表局部開裂或有坑狀塌陷(形成較大采場禮堂式開采時)，發生時具有突發性。這類采空區一般沒有采掘資料可參考。

上述采空區分布于陽泉市區中～西部及周邊煤層淺埋區，是礦區分布最多的采空區形式。

1.2 解放后鄉鎮地方煤礦開采方式及形成的采空區特點

陽泉地區鄉鎮煤礦及地方煤礦，在1970年—1990年為高峰期，達數百座之多，大多以手工開采為主，在1970年前期多為開巷擴幫的開采方式，一般不支護。到后期出現殘柱式或房柱式開采，只有個別有規模的地方煤礦在70年代后期～80年代初期在部分采空區用短壁陷落法開采。

這類開采形式的采空區多分布在礦區周邊，由于作業不規范，回采率低(一般均在30%以下)，殘留大量巷道空洞與前述1.1開采方式形成采空區特點相近，當為短壁式開采時采空區空洞率減小,有冒落帶、裂隙帶、彎曲變形帶發育或部分發育，頂板大部分冒落。大多沒有正規開采資料，在礦區周邊小窯，埋深多在30 m～70 m，達100 m以上則較少。該類采空區亦是近年礦區地表建筑涉及的主要采空區之一。

1.3 走向長壁式陷落法采煤方式(含短壁式)及形成的采空區特點

1950年—1951年陽泉礦務局試驗成功15號煤(丈八煤)走向長壁傾斜分層煤皮頂板下行陷落采煤法和單一煤層3號煤(七尺煤)走向長壁陷落采煤工藝，從此走向長壁采煤法與短壁采煤法成為陽泉礦務局主要的采煤方法，而且長壁式采煤方法所占比例逐步提高，從1951年開始陽泉礦務局跨入了長壁炮采的新時期，至此，陽泉礦務局煤炭生產技術結束了手工生產階段，煤炭回收率達60%以上，后來又在1965年試驗成功普通化機械開采，1973年試驗成功綜合機械化開采，工作面長度多在100 m以上，開掘走向長度多在500 m～1 000 m，回收率達95%以上。頂部管理采用自由或強制冒落方式。這類采煤方法具有機械化程度高、回采率高，推進速度快的特點。

上述采煤方法所形成的采空區具有以下特點：1)有完整的采掘資料，采空區面積大，采空區內空洞率較小(長壁式空洞率小于短壁式)并且隨著時間推移空洞率逐步變小，采空區覆巖形成明顯的“三帶”，冒落巖石逐步壓實，裂隙帶裂隙逐步減小。2)地表移動變形速度快、變形量大，引起地表開裂，沉降塌陷，坡體滑移及崩塌等地質災害發生，隨著時間推移變形量逐漸減小，壁式開采前三個階段為移動延續期(本礦區移動延續時間在145 d～450 d之間，分別為初始期、活躍期、衰退期)，此后地表進入殘余變形期，到衰退期后地表變形基本結束。但與工作面長度(開采規模)有關，工作面規模愈大地表移動變形發展愈快，愈充分，反之，因開采不充分地表移動變形愈長。由于達不到充分采動，殘留空洞及上部冒裂帶為殘余變形的發生發展提供了條件，再加煤柱的侵蝕、壓垮等都可能引起地表變形。

2 采空區地基穩定性的影響因素

2.1 采煤方法及頂板管理方法

1)長壁式陷落法。大型及特大型礦井常規采煤方法，單一工作面長度大于100 m，工作面推進長度通常在500 m以上，頂板自由或強制冒落。地表變形移動速度快，變形量大，后期空洞率及殘余變形量較小。

2)短壁陷落法。中型礦井及陽泉礦務局早期(60年代以前)的常規采煤方法，單一工作面長度在60 m～80 m之間，工作面推進長度在200 m～300 m之間，頂板自由冒落，回采率較長壁法低一些，地表移動變形量及移動速度相對小一些，采空殘余空洞率及殘余變形量都較長壁略大或較長一些。

3)殘柱式或房柱式采煤法。目前小煤礦多使用的采煤方法，均以開掘巷道，刷幫開采，采巷長，寬度視頂板而定，一般不支護頂板自然冒落。回采率低，變形規律差，空洞率大，一般淺層易出現塌陷或環形沉陷坑，淺層采空常誘發突發性變形——開裂、塌陷(抽冒)。

4)手工采煤法。小窯早期的常用開采方法，均以開掘巷道采煤為主，適度刷幫，頂板多不加支護，回采率低，空洞率很高，淺層采空易發生突發性變形——開裂、塌陷。

2.2 覆巖的物理力學性質

陽泉礦區采空覆巖以中硬砂巖、砂質泥巖、石灰巖和泥巖為主，巖層水平層理及節理、裂隙較發育，平均單向抗壓強度25 MPa～70 MPa，具有頂板冒落快，地表下沉及移動變形量大，延續期較短等特點。

2.3 采空深度及開采厚度

陽泉礦區大量采空觀測資料表明：地表移動變形大小隨開采深度增大而減小，地表變形范圍則隨開采深度增大而增大，開采厚度愈大或開采煤層愈多，地表變形亦愈大。因此采用采深采厚比來衡量采空地表穩定性的影響。

1)淺層采空區，采深采厚比(H/N)小于40。壁式開采地表移動劇烈，移動速度與變形量都很大，地表可能出現明顯臺階狀塌陷裂隙和塌陷坑，地表張裂隙有可能與下部裂隙帶聯通，開采過程劇烈變形，但移動延續時間短，非正規開采形成空洞及殘余變形可能對地表穩定性構成潛在的危害。

2)中深層采空區，采深采厚比(H/M)在40～200之間，壁式開采，地表產生不同程度移動、變形、裂隙，非正規的開采采空空洞及殘余變形也有可能對地表穩定性構成不同程度的危害。

2.4 開采時間

正規的開采而形成的采空引起地表移動或變形都要經歷初始期、活躍期、衰退期和殘余期四個階段。前三個階段為移動延續期，陽泉礦區壁式開采移動延續期在145 d～450 d之間。當移動延續期過后地表變形基本結束，除非達不到充分開采，殘留空洞及冒裂帶仍為殘余變形的發生和發展提供了條件，加上煤柱侵蝕、壓垮仍有可能引起地表變形。

非正規開采形式的采空，殘余變形非常緩慢，經歷相當長時間后，淺層采空仍可在外力作用下發生冒落(陽泉地區稱為抽冒)而影響到地表。

2.5 地形地貌

礦區地處太行山山區，為山地中～低山及丘陵地貌。溝谷縱橫，地形起伏較大，在地形地貌特點下，地下采煤除生產沉陷變形外，多有坡體滑動或采動滑坡、崩塌以及古滑坡復活等地質災害發生。

3 采空區穩定性評價原則的選擇與確定

由于建筑場區下伏地層中存在采空區(一般為已開采結束的老采空區)，對地表建(構)筑物的安全使用會構成不同程度的危害，危害程度的界定也就是安全標準，標準高會造成建設投資增大，造成建設資金的浪費；而標準低，則會使建筑工程的安全使用受到威脅。在陽泉礦區由于土地緊缺，采空區的問題不可回避，因此應該充分參考國內、國際采空區治理成功經驗，并充分結合陽泉礦區半個多世紀以來對煤礦開采引起地表移動及變形的觀測研究資料，以及陽泉礦區在采空區場區的建筑治理經驗，進行采空區場區的穩定性分析評價，工作中基本總結形成如下原則或規律：1)陽泉礦區開采方式為壁式(長壁、短壁)，停采時間達5年以上，可視為穩定場地。2)陽泉礦區當其采深采厚比H/M≥40時，開采方式為開巷刷幫式、房柱、殘柱，回采率一般小于30%，停采時間達10年以上，可視為穩定場區。3)當為多煤層開采時，最下層計算采深采厚比，以最晚結束開采的時間計算開采時間。

以上為初判原則，而詳細的評價工作仍應按《巖土工程勘察規范》有關要求進行。采空區的前期調查十分重要，一般通過現場及周邊調查地表采空破壞跡象，走訪老居民老礦工了解房屋損壞及井下開采狀況，搜集采掘資料，再進一步采用物探圈定異常區，鉆探確認辦法。非正規的小窯開采方式可采用《工程地質手冊》推薦的計算方法驗算地基的穩定性，而壁式開采則應計算剩余變形量(傾斜變形、水平變形、曲率變形)來評價地基穩定性。

4 采空區治理措施的選擇

多年的采空區建筑經驗表明，陽泉礦區鄉鎮煤礦(含古窯)以及陽泉礦務局原多種經營公司開辦的小礦在停采10年以上，采深達到40 m以上時，進行多層住宅及一般廠房設施建設，可以不進行專門的采空區治理，但地表建筑物應采取抗變形措施，即增加基礎整體性、增加結構剛度，合理留設沉降縫及變形縫等措施；而壁式的開采區，在20世紀90年代以前形成采空區之上進行建設(多層住宅及一般工業設施、廠房)亦不必進行專門的采空區治理措施，但亦需采取抗變形措施，這類采空區必須注意斜坡場區是否存在采動引起地表滑移或滑坡(含古滑坡復活)的狀況。

經評價不穩定或穩定性差的場區采空區治理措施如下：1)回避采空區，在選址階段進行。而陽泉礦區特別是老礦區大多是難以回避的。2)采空區充填加固，鉆孔注漿，一般采用混合漿液充填(水泥+粉煤灰、水泥+粉煤灰+礦渣、水泥+粉煤灰+黃砂、水泥+黃土、細石混凝土等)，主要針對小窯采空區。3)現代化壁式開采形式的采空區，注漿充填加固冒裂帶巖石裂隙及剩余空洞，采用細粒成分水泥漿或混合漿液。地表裂隙則采用水泥漿或粗礫砂灌注。4)淺層采空區小于10 m時條件許可，可直接挖除換填，10 m～15 m或更深一些采用樁基穿越至煤層底板。5)基底設置褥墊層，多在壁式開采的采空區之上設置礫砂、級配碎石、加筋土墊層等。6)采空區之上建筑物或構筑物均應采取必要的建筑和結構措施，即整體柔性局部剛性的原則：加強基礎整體性——筏板基礎、箱形基礎等，增強結構剛度——增設構造梁柱等，避免過高、過長，結構單元分離，沉降縫與伸縮縫留設等。7)建(構)筑物的沉降變形觀測措施。

5 結語

經過多半個世紀的建設，陽泉礦區已有數以千計的民用住宅、辦公服務設施、選煤設施、電廠等以及鐵路、公路，建造在各類采空區之上。結合建筑經驗、采空區分布狀況分析總結本礦區在采空區治理方面經驗和教訓，建(構)筑物由于采空區原因發生變形損壞造成巨大的經濟損失以及對生產、生活的影響實例不少；而通過較為細致的工作合理的采取治理措施而成功的經驗更多，無疑對該礦區以后建設有重要意義。本文只是對陽泉礦區采空區特點及治理措施的粗略總結，有必要在以后工作中進行更深入的研究探討，總結更加適用于本礦區采空區評價和治理的方法措施。

The gob distribution characteristics and control measures in Yangquan mining area

Wang Haixiang

(ShanxiGuochenConstructionEngineeringSurvey&DesignLimitedCompany,Yangquan045000,China)

This paper introduced the gob characteristic of different mining methods formation, analyzed the factors influence of gob sub-grade stability, and discussed the principles and methods evaluation of gob stability, put forward the gob treatment measures of instability and lower stability, ensured the safety of gob.

mining area, gob, mining method, stability

1009-6825(2016)32-0080-03

2016-09-06

王海祥(1962- )，男，工程師

TD822

A