煤礦采空區地表沉陷基本原理及防治措施

曲宏杰

摘要：煤礦的開采會造成多種地質方面的危害，地表塌陷就是其中影響最為嚴重的一種。為了確保煤炭資源被安全、科學的開采，需要對上述地表塌陷問題做好防治工作。貫徹“因地制宜、統一規劃，沉陷區實施可持續發展”的原則，進行科學治理，可最大限度降低地面塌陷對采空區域附近的環境破壞，使該區域遭到破壞的生態系統得以改善。基于此，對采空區地面塌陷的最根本原因以及發生該情況衍生出的其他災害進行了分析，提出系統的綜合治理方案。

關鍵詞：煤礦采空區；地表沉陷；地質災害；防治措施

0? ?引言

煤礦挖掘方式有很多種，其中最主要的就是礦井開采。在進行煤礦挖掘時，由于地層中的煤礦被開采，造成煤礦所在區域中巖體的最初地應力受損，當地應力尚未恢復到平衡狀態時，煤礦層上部的巖體將發生變形、位移或者斷開。在這些地質災害傳輸到地表時，將會造成地面沉陷。地面沉陷外在表現為漏斗狀、盆地狀以及臺階狀斷層。

上述災害會對礦產開采區域以及周圍區域環境造成嚴重破壞，影響周圍建筑的安全性，同時對土地資源造成了極大的浪費，使周圍居民的資產遭受無妄之災。為了確保煤炭資源被安全、科學的開采，需要對上述地表塌陷問題做好防治工作。

1? ?工程概況

某能源企業承接了蘇海圖煤礦采空區災害治理工程。該項目區域為工程治理二區，主要施工內容包括無爆破打孔、作業區域道路整修、高溫地點的降溫與灑水除塵等。根據采空部位治理方案和該區域地質的特點可知，整個治理區域內煤層有10層煤，分別為9#、10#、11#、12#、13上3#、13上2#、13上1#、13#、14#、15#煤層。

本次工程主治層即為上述煤層，整治范圍內煤層的平均埋深111.6m，最深為206.55m。最淺為16.5m，煤層所在區域的相對夾角6°，最深治理部位在15#煤層底板。

2? ?采空區地表沉陷原理

采空區出現地面塌陷的主要原因，是煤礦的開采破壞了煤層部位巖石應力原有特性。礦柱需要長時間的工作、承重，采空范圍里的礦柱體系里存在部分薄弱地方，這些地方由于種種因素會第一時間被損壞。通常情況下，如果礦柱被損壞到60%以上時，采空區頂板將會塌落，并在一定程度上影響到地面。頂板大面積塌落一般是突然的，同時產生劇烈的氣浪，造成地面沉降和開裂，對地面以及礦井的建筑產生破壞[1]。煤礦采空區沉陷如圖1所示。

3? ?采空區地表沉陷治理方案

3.1? ?隱患和治理

3.1.1? ?隱患

采空區上部區域施工時，使用的器械多為液壓挖掘機、鉆機和相關的輔助器械，若頂板損失塌落，會危及工作人員的生命安全，也會使器械受損。空巷初始狀態是密封的，進行采空區整治時其與外部相通，空氣進入，大概率會導致煤炭自燃，進一步造成采區里的火災。采空區長時間的有地下水匯入，容易形成積水現象，這不僅容易破壞工作器械，同時會危及工作人員的生命安全。

3.1.2? ?治理措施

按照蘇海圖煤礦企業給出的項目圖紙，我部門確認了采空區的范圍。本部門在指定位置的外部鉆兩排孔，用以探測，通過該孔必須能夠看到煤礦。若打孔后還在采空區域內，需繼續施工，直到精確掌控采空區域[2]。

3.2? ?頂板垮塌的預防和處理

將礦井里所有巷道、采空區域、探知的采空范圍，第一時間繪制在采剝平面圖等圖上，嚴格對比井上井下的狀況。由河南錦源有限公司完成本次工程中的施工人員的培訓，培訓的內容包括剝采施工方案、施工組織方案，確保工作人員精通潛在危險源、剝采施工規劃。采空區一定要實施專項負責的制度，施工場地必須有專人負責。

3.3? ?采空區沉陷施工方法

3.3.1? ?作業方式

采空區整治施工前，必須要用鉆機鉆前探孔，在保證無危險的狀態下再開始施工。對采空部位上層剝離操作時，若土層過厚（大于20m），可跨越采空部位進行施工，但必須進行全程觀測。

為精確知道采空區域的真實位置，需要先用鉆機在整體施工前完成探測作業，針對不安全的部位預先解決，待采空區完全塌落后，采裝器械再入場開始施工。該區域一定要貫徹非常規作業專項負責制度的執行，監理部門要專門指定專人進行負責。

3.3.2? ?穿孔

穿孔必須于采空區域外側施工，依據該區域的部位安放鉆機，同時指派專業人士完成指揮。工作者必須在填充過的位置。器械有問題時，應該將其移動到采空范圍以外進行修理。若是出現不安全現象，工作人員必須馬上停止施工，去沒有危險的地方待命，并在第一時間上報給帶班人員，再通過帶班人員上報至蘇海圖煤礦生產指揮中心[3]。

3.3.3? ?采裝

采裝工作實施前，必須保證空巷塌陷完成，方可實施采裝。進行運輸時，采空部位的煤層若是在高溫狀態，就必須實施預先注水，可以用灑水器械、霧炮車或沙土完成降溫作業，隨后才能開始采裝。

進行采裝作業時，禁止全部作業人員于采裝場地的邊限下車滯留。如果有明火現象，必須第一時間處理。采裝完成后，采裝器械必須移動到大于50m作的位置停放，禁止在采空區域滯留。

每個巷道都必須安排一個專門的責任人，上下部不可在同一時間施工。采空部位上層采用挖掘機施工，挖掘至3m處改換裝載機。裝載設備沒有良好的視線條件，必須停止施工。挖掘出的高溫煤巖一定要在當班完成覆蓋，并進行有效處理。⑤施工時注意風向，避免有毒氣體危害工作人員的生命安全。

3.4? ?采空區沉陷預防措施

按照現場探測，該項目有處在采空區域的部分，在該區域確保工具以及人員的安全，并完成剝離作業同樣是重要的一環。

3.4.1? ?制定整體安全預案

應設立采空區域探測和監管部門，完善該區域探測、資料的收納，制定治理方案以及相關制度。監管部門必須預先設計好救險預案，同時全程核查工程的施工情況，若有問題必須馬上解決。監管部門必須制定該區域的施工規程，完成相關工作人員的安全以及施工教育，使其深刻了解工程中存在的危險，知道合規施工的重要性，在問題出現時有充足的思想準備。使用專業的空巷探測儀器，如激光聲納探測器等，以便精確的了解空巷的狀態。

3.4.2? ?探測采空區情況

進行該區域的探測主要是物探，用鉆機探測完成最后探測結果的驗證。用鉆機實施探測時，必須從內到外延伸實施鉆孔拍布鉆探，一直探到空巷礦井等明確知道的部位邊緣，以此提升精確程度。

嚴格對比已明確的采空區域地圖和實施探測后知道的結果，結合探測結果。更新所用的圖紙，同時在現場完成警示豎立。

在已明確的采空部位實施更詳盡的探測，精確了解該區域里起火、積水以及氣體沉積的狀況。采用瑞利波等先進的探測手段，更精確的探知區域內的地下水的沉積情況。使用物探手段明確地下水沉積的位置后，用鉆機完成驗證，以便精確掌控采空部位形態、地下水沉積深度，對水量進行測算。

加強該區域的毒害氣體的監控和探測，掌控其變動的詳細狀態，發生非常規情況時，第一時間找出氣體來源并妥善處理。若部分區域的氣體濃度不達標，需要完成稀釋工作。采空區監測如圖2所示。

3.4.3? ?采空區內積水處理

當探測到賦存部位后，必須完成超前物探作業。采用先進手段探測采空區域里的積水探測。在精確明了采空區域相關資料的適用性，以及該區域的水文地質特性等信息后，方可實施探測作業自己排水操作。

3.4.4? ?探放采空區積水處理

實施探放積水操作前，確定排水工具與探測到的積水量相匹配，并準備備用水泵。完成采空部位積水探放時，要把鉆機鉆到該部位的積水部分，并監控排水的全程。校核水量和水壓，直至水量為零。

在排水過程中，要全程檢測有毒氣體濃度、出水水溫，若有問題必須第一時間解決問題。完成排水工作后，為避免有毒氣體的泄露，必須第一時間封堵排水孔。要求安排專人去檢驗，合格后才能驗收[4]。

3.4.5? ?采空區內積氣處理

針對有毒氣體，必須指派專人全程檢測，若其濃度發生異常變動，工作人員必須第一時間撤出危險區域。必須為該項目的工作人員配備防毒面具和隔絕氧自救器，同時也要裝配CD4有毒氣體監測儀等，上述儀器配備到位后，才能重新施工。工作人員必須在上風向進行檢測，以保證其生命安全。

3.4.6? ?采空區事故的預防

本工程實施特殊作業專項負責制，設置各個項目的專業負責人。各負責人應該熟練掌握各種相關資料，詳細了解礦井里巷道的各種資料，盡早完成地下、地上施工情況的對比。及時更新工程使用的圖紙，完成場地的標定，設計并豎立警示標志。

已陷落周圍20m的區域為主要觀測對象，在其附近安放警示物，嚴禁閑雜人員滯留在此，實施挖掘作業時，若出現空洞必須馬上停止施工，遠離危險區域，等待下一步的指令。

對采空部位，利用鉆機探測的同時進行采裝。在采空區上層覆蓋度不達標時，器械設備不能跨越舊巷和采空區，避免工作人員器械陷落進去。

采空部位上部覆蓋超過規定時，可以跨越舊巷和采空區，但需全程觀測。為精確了解該區域的部位，應使用鉆機進行穿孔前探，合格后采裝器械才可入場施工。

3.4.7? ?應對地質災害

聘請專業檢測部門進一步完成地震的檢測，針對已發生的地質損害，必須使用有效手段加快其生態恢復。

3.4.8? ?煤遇空氣后發生自燃火災的預防和處理

煤層暴露在空氣中，極易發生自燃現象，為確保采礦施工不中斷，防止煤礦自燃現象，必須掌控煤層頂部暴露大小。完成爆破操作后，要第一時間完成清理。已經燃燒的部分物體，必須獨立、直接從現場運走。如果發生自燃火情，必須使用水澆、沙覆隔離等方式進行滅火。

3.4.9? ?高溫隱患的預防和處理

使用專業的測溫儀器對溫度進行測量，并選擇正確的、合適的降溫方法進行降溫。

4? ?結束語

煤礦開挖造成采空區域地面塌陷，不僅會對其四周的土層以及生態產生嚴重破壞，還會對其區域范圍的建筑、地下水造成了非常嚴重的影響，同時伴隨著地質災害。貫徹“因地制宜、統一規劃，沉陷區實施可持續發展”的原則，進行科學治理，可最大限度降低地面塌陷對采空區域附近的環境破壞，使該區域遭到破壞的生態系統得以改善。

參考文獻

[1] 王棟良.活性炭測氡和瞬變電磁法在煤礦采空區探測中的應用[J].工程建設與設計，2020（16）：244-245.

[2] 羅國平，魏鳳英.瞬變電磁法磁場及其視電阻率研究[J].中國煤田地質，2000（2）：61-63.

[3] 胡學飛.采空區光伏電站基礎及支架方案設計[J]，工程建設與設計，2019（17）：37-40.

[4] 崔俊杰，王凱，雷星，等.某淺埋偏壓鐵路隧道變形綜合治理及監測研究[J].鐵道標準設計，2022（9）：116-122.