煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分析及治理

薛海峰

（河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院，河南 鄭州 450051）

1 我國煤礦采空區(qū)的地質(zhì)現(xiàn)狀

1.1 關(guān)于我國煤礦采空區(qū)的簡單介紹

我國是一個資源豐富的發(fā)展中國家，煤炭資源相對充沛，且分布范圍相對較廣，但同時也存在著煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害不斷的等方面的問題，而煤礦采空區(qū)最易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，給附近居民的生活和安全帶來了較大的威脅。目前。我國煤礦采空區(qū)面積較大的地區(qū)有江蘇省、陜西省神木縣以及山西省等地區(qū)，其中江蘇省富有煤礦200多座，但其平均每采1×104t煤就會造成地面沉陷2670m2，地面沉陷面積非常大；山西省作為我國有名的采煤大省，在其全省15萬km2的土地面積中居然有高達(dá)3萬km2的采空區(qū)；陜西省神木縣煤礦采空區(qū)的塌陷面積居然高達(dá)56 km2。不同的煤礦煤層埋深不同，其中我國煤層最大埋深高達(dá)1000 m，煤層開采的厚度通常居于1.0～4.0m，而正是這些差異決定了其采空區(qū)之間也存在著很多不同之處。

1.2 采空區(qū)覆巖層情況分析

煤炭的開采活動必然會破壞煤層的內(nèi)部平衡應(yīng)力狀態(tài)，因此采空區(qū)也會發(fā)生巖體應(yīng)力的變化，此時地層會因接收到新的應(yīng)力特征而進(jìn)行新的位移，再加上上覆巖層的重力作用，采空區(qū)會向下移動并變形，長此以往，土地將會無法承受采空區(qū)的移動變形進(jìn)而引發(fā)地表塌陷。覆巖層從下到上分為冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。冒落帶有著可壓縮性、分帶性和碎脹性等特點，它位于采空區(qū)上方的頂班巖層，在這一層，上覆巖體完全垮落，進(jìn)而對頂板再生產(chǎn)生了不利的影響，同時它也是造成冒落巖塊不能隔水的主要原因。裂隙帶是煤礦開采中的裂隙發(fā)育帶，它位于彎曲帶與冒落帶之間，它具有較好的透水性，由于底部受拉它以一種層狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，且層與層之間容易出現(xiàn)離層現(xiàn)象。彎曲帶位于裂隙帶以上、地表以下，它的透水性較差。

1.3 采空區(qū)地表變形的特點分析

不同的煤礦其采空區(qū)地質(zhì)特點也不一樣，進(jìn)而使得它們之間的地表變形特征也不同。小型煤窯采空區(qū)的地表變形表現(xiàn)為塌陷坑和裂縫等特征，但并不會出現(xiàn)移動盆地。而大中型煤礦采空區(qū)的地表變形則主要表現(xiàn)為臺階狀塌陷盆地、地表移動盆地出現(xiàn)、塌陷坑和地表裂縫等特征。

首先，地表移動盆地。地表移動盆地通常發(fā)生于采深大于采厚30倍的情況下，在此種情況下巖層會發(fā)生移動現(xiàn)象，或者發(fā)生彎曲和塌落現(xiàn)象。地表移動盆地的范圍比采空區(qū)的范圍要大很多，且盆地中心的方向會隨著礦層傾角的逐漸變大而越來越向傾向方向偏移。

其次，地表裂縫。受到不同深度、寬度和土質(zhì)特點的影響，移動盆地的外邊緣區(qū)地表有出現(xiàn)裂縫的可能，比如，對于塑性小的砂質(zhì)粘土，在其地表拉伸變形至2～3mm/m之間的時候，可能會出現(xiàn)裂縫。而針對塑性大的黏性土，地表裂縫通常出現(xiàn)于地表拉伸變形達(dá)到6～10 mm/m的情況下。

第三，臺階狀塌陷盆地。在采深、采厚之間的比值較大的時候，可能會導(dǎo)致塌陷盆地范圍內(nèi)中央部分平坦、邊緣部分形成多級臺階。

第四，塌陷坑。在開采急傾斜煤層的時候通常有可能會出現(xiàn)塌陷坑，而在開采緩傾斜煤層的時候出現(xiàn)塌陷坑的幾率較小，通常這種可能性只會發(fā)生一些特殊情況下。

2 煤礦采空區(qū)的治理

控制沉降潛力和充填采空區(qū)等方法是煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的有效治理方法。其中，局部支承法需要的技術(shù)難度較大，且需要耗費的成本也相對較高，而全部充填方法需要耗費的成本則較低，且對其材料質(zhì)量的限制要求也相對較少，但如果采用此方法的話，則必須周邊地區(qū)安設(shè)阻擋墻，但阻擋強(qiáng)通常并不會實現(xiàn)絕對的封閉，給周邊的居民帶來不便的影響。由此可見，在對煤礦采空區(qū)進(jìn)行治理時要合理的篩選治理方法，要依據(jù)采空區(qū)的道路條件、地基條件及預(yù)算成本等條件對各治理方法進(jìn)行仔細(xì)的衡量，其中注漿法是最常用的方法，以下將如何利用注漿法對煤礦采空區(qū)進(jìn)行治理展開討論。

2.1 科學(xué)選擇注漿材料

若想成功的利用注漿法治理煤礦采空區(qū)，則要懂得科學(xué)的選擇注漿材料，這是治理工作順利開展的基礎(chǔ)條件，因此，要選擇那些流動性好、黏度低的材料，要重點考量材料能否準(zhǔn)確地控制凝膠時間，同時還要仔細(xì)的考量材料的耐久性是否良好、其穩(wěn)定性是否符合要求，關(guān)注進(jìn)行固化處理時是否有收縮現(xiàn)象，觀察其抗拉抗壓強(qiáng)度是否合格。另外，在選擇水泥的時候，要將抗硫酸鹽水泥作為重點選擇對象。而對于骨料的選擇，則主要選用有機(jī)物含量低于3%、粒徑小于2.5mm的礦渣、石屑或砂等材料。

2.2 注漿壓力

由于受到多方面因素的影響，對于注漿壓力的確定通常以公式P=Pb+［HcPc-HwPw］/100為依據(jù)。

2.3 合理布置鉆孔

對于鉆孔的布置要具體問題具體分析，針對采空區(qū)規(guī)模較大的，可通過在中軸線兩側(cè)設(shè)置斜孔的方式進(jìn)行鉆孔，而針對巷道則要依據(jù)具體情況布置1～2個鉆孔。對規(guī)模較小的煤礦采空區(qū)，可通過勘查鉆孔的方法進(jìn)行注漿，在此基礎(chǔ)上依據(jù)具體情況增加1～2個孔。

2.4 科學(xué)的注漿施工

注漿施工需要分兩個步驟展開，首先對最外側(cè)的兩排帷幕孔進(jìn)行施工，其次再對中間兩排孔進(jìn)行施工處理。在注漿工作開始以前，首先要用清水清洗鉆孔，然后再調(diào)整注漿漿液的稠度，秉承先稀后稠的原則進(jìn)行注漿，在注漿的過程中要注意連續(xù)注漿和間歇注漿的合理掌握，同時要保證注漿量在 50～70 L/min，當(dāng)出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象時注漿結(jié)束，而對于邊緣帷幕孔則需注漿穩(wěn)定30 min。

3 結(jié)語

綜上所述，合理的開采能夠為人類社會創(chuàng)造一定的價值，過度的開采會導(dǎo)致諸如滑坡、山體崩塌或者泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)，當(dāng)?shù)V山被采空時，地質(zhì)災(zāi)害會頻繁發(fā)生，進(jìn)而給人們的人身安全甚至是生命安全造成很大的威脅。因此，我們一定要不斷的探究煤礦采空區(qū)的治理新方法，比如，通過注漿法對煤礦采空區(qū)進(jìn)行治理，要科學(xué)選擇注漿材料，要選擇那些流動性好、黏度低的材料；合理布置鉆孔，具體問題具體分析；要科學(xué)的注漿施工。