采煤沉陷區(qū)災(zāi)害綜合治理技術(shù)探討

摘 要：采煤沉陷區(qū)中的地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害應(yīng)當(dāng)放在災(zāi)害鏈系統(tǒng)中進(jìn)行分析和評價，然后融合巖土工程、生態(tài)恢復(fù)工程、景觀恢復(fù)工程等多個學(xué)科對整個采煤沉陷區(qū)進(jìn)行綜合治理。文章主要針對兩類災(zāi)害問題發(fā)生的情況進(jìn)行探討，旨在解決以后采煤沉陷區(qū)災(zāi)害治理存在的技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：采煤沉陷區(qū)；災(zāi)害；治理技術(shù)

1 采煤沉陷區(qū)概述

地下可采煤層經(jīng)過井工開采以后，開采區(qū)域周圍巖體的應(yīng)力進(jìn)行重新分布以達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伴隨著應(yīng)力狀態(tài)的不斷調(diào)整，上覆巖層和地表將產(chǎn)生連續(xù)的位移、變形和非連續(xù)的破壞（主要為開裂和冒落等），這種現(xiàn)象被稱為采煤沉陷，采煤沉陷在地表最直觀的表現(xiàn)為塌陷坑和地裂縫。根據(jù)采空沉陷引起的地表變形和破壞的程度，通常將采空沉陷區(qū)域分為三個亞區(qū)：（1）中部區(qū)；（2）危險變形區(qū)；（3）輕微變形區(qū)。

2 研究區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀與類型

一般而言，采煤沉陷區(qū)通常存在的災(zāi)害類型為采空區(qū)塌陷、煤矸石、礦井突水、瓦斯煤塵以及環(huán)境災(zāi)害等。就研究區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害類型而言，災(zāi)害類型主要表現(xiàn)在采空區(qū)災(zāi)害、煤矸石災(zāi)害、不穩(wěn)定邊坡的破壞災(zāi)害以及上述災(zāi)害所導(dǎo)致的環(huán)境災(zāi)害。相對應(yīng)的災(zāi)害鏈類型為采空區(qū)災(zāi)害鏈、煤矸石災(zāi)害鏈。

2.1 采空區(qū)災(zāi)害鏈

地下采煤活動形成大面積的采空區(qū)，通常將采空區(qū)上方破壞的地層為依次劃分冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，最終形成大面積的地面塌陷和大范圍的地裂縫，地面塌陷和地裂縫的形成是采空區(qū)災(zāi)害鏈的第一環(huán)節(jié)，也是采空塌陷導(dǎo)致的最直接的災(zāi)害，到此為止，采空區(qū)災(zāi)害鏈并未結(jié)束，而剛剛開始。地面塌陷和地裂縫的形成將導(dǎo)致地貌景觀的直接破壞，地表建構(gòu)筑物、公路及其他公共設(shè)施由于地表的不均勻塌陷和地裂縫的存在而發(fā)生開裂、倒塌等破壞；由于地裂縫的形成，地表土層中的水肥極易沿著地裂縫進(jìn)入導(dǎo)水裂隙帶，甚至?xí)刂鴮?dǎo)水裂隙帶中的裂隙不斷下滲而流失，這樣的結(jié)果將導(dǎo)致地表土壤干旱，肥力下降，耕田中的農(nóng)作物大幅減產(chǎn)，植被覆蓋面積大幅縮水，生態(tài)平衡嚴(yán)重破壞；地裂縫如果在邊坡地段比較發(fā)育，地表水容易沿著地裂縫直接進(jìn)入坡體內(nèi)部，導(dǎo)致坡體巖土體飽水，飽水的巖土層，其重度增加，抗剪強(qiáng)度極具降低，剪切力增大，穩(wěn)定程度減小，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，而形成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 煤矸石災(zāi)害鏈

地下煤炭資源通過井工開采，源源不斷的向地面輸送大量的固體能源的同時，除了形成大面積的采空區(qū)，也向地面輸出大量的固體附屬產(chǎn)品-煤矸石。由于過去煤礦對煤矸石的危害重視不足，管理水平有限，導(dǎo)致大量的煤矸石直接沿礦區(qū)溝谷兩岸堆填，日積月累形成大量的矸石山。在強(qiáng)降雨、地震等誘發(fā)因素影響下，煤矸石易失穩(wěn)引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，呈松散堆積狀的滑體極易在強(qiáng)降雨作用下形成泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害；煤矸石的堆填必然要占用大量的土地資源，造成礦區(qū)耕地面積減少，植被破壞嚴(yán)重的后果；煤矸石呈松散狀堆積，內(nèi)部空隙連通性較好，且直接暴露與空氣中，供氧條件良好，極易發(fā)生不同程度的自燃現(xiàn)象，產(chǎn)生的廢氣對周圍的空氣造成嚴(yán)重的污染，釋放出的一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、苯化合物等有毒、有害、致癌氣體造成了周圍農(nóng)作物減產(chǎn)、周圍居民的身心健康嚴(yán)重?fù)p害的嚴(yán)重后果。

3 采煤沉陷區(qū)的斷鏈減災(zāi)模式

針對采煤沉陷區(qū)內(nèi)災(zāi)害鏈的發(fā)育特征可知，孕源斷鏈減災(zāi)的時機(jī)已經(jīng)錯過，而災(zāi)害發(fā)生后的斷鏈不能達(dá)到減災(zāi)的目的，只能采用介于中間的致災(zāi)環(huán)節(jié)斷鏈。即在采煤沉陷區(qū)災(zāi)害鏈的致災(zāi)環(huán)節(jié)中，采用各種措施人為干預(yù)切斷災(zāi)害鏈環(huán)，從而使災(zāi)害鏈的損害環(huán)節(jié)不能發(fā)生而達(dá)到減災(zāi)的目的。在采空區(qū)災(zāi)害鏈中，致災(zāi)環(huán)節(jié)主要為原始地形地貌條件經(jīng)過采煤活動，形成采空區(qū)，隨著地應(yīng)力的不斷調(diào)整，采空區(qū)上部巖層發(fā)生著不同程度的位移和變形，最終在地表以地裂縫和地面塌陷的形式表現(xiàn)出來。該環(huán)節(jié)斷鏈減災(zāi)模式為對采空區(qū)進(jìn)行注漿處理，對地表的地裂縫進(jìn)行封填。通過在致災(zāi)環(huán)節(jié)采取采空區(qū)注漿和地裂縫封填的方式進(jìn)行斷鏈減災(zāi)可以消除采空區(qū)災(zāi)害鏈中損壞環(huán)節(jié)中的各種災(zāi)害。在煤矸石災(zāi)害鏈中，致災(zāi)環(huán)節(jié)主要為由采煤活動帶來的巨量固體廢棄物-煤矸石沿著溝谷岸坡隨意堆棄，形成煤矸石堆。在該環(huán)節(jié)中，通過工程支擋可以使煤矸石堆處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；通過坡面防護(hù)，對坡面進(jìn)行生態(tài)綠化，可以隔絕雨水、空氣，避免自燃和淋濾作用，防止污染大氣、地下水，腐蝕土壤，同時坡面綠化能夠增加植被覆蓋面積。綜上所述，煤矸石災(zāi)害鏈的斷鏈減災(zāi)方案為工程支擋和坡面防護(hù)。在不穩(wěn)定邊坡災(zāi)害鏈中，致災(zāi)環(huán)節(jié)主要為原始地形地貌經(jīng)過工程開挖坡腳，形成很多高陡邊坡。在致災(zāi)環(huán)節(jié)中，根據(jù)邊坡的穩(wěn)定程度，采用工程支擋錨固或者生態(tài)護(hù)坡等手段，消除不穩(wěn)定邊坡發(fā)生滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的威脅，該手段就是不穩(wěn)定邊坡災(zāi)害鏈中的斷鏈減災(zāi)方案。

4 治理方案

在對采煤沉陷區(qū)進(jìn)行災(zāi)害現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，在上述工程的基礎(chǔ)上，提出針對采煤沉陷區(qū)內(nèi)采空區(qū)災(zāi)害、煤矸石災(zāi)害、不穩(wěn)定邊坡等三類地質(zhì)災(zāi)害以及環(huán)境災(zāi)害的綜合治理方案，使得采煤沉陷區(qū)得到真正的綜合治理。

4.1 采空區(qū)災(zāi)害的綜合治理方案

采空區(qū)災(zāi)害首先采用注漿進(jìn)行工程治理，地表塌陷坑、地裂縫采用封填進(jìn)行綜合治理。在研究區(qū)域內(nèi)，采空區(qū)注漿的范圍包括采空區(qū)地表建構(gòu)筑物附加荷載大的區(qū)域以及蓄水池的區(qū)域，注漿面積約為43030m2，總注漿量為91460m3，注漿材料采用水泥粉煤灰漿，水固比1：1.2～1：1.5，水泥含量占固相的20%，注漿的帷幕孔間距為20m，注漿孔間距為25m，注漿孔呈梅花型布置；塌陷坑及地裂縫的治理則采用表土剝離，分層回填碾壓的方式回填至設(shè)計標(biāo)高，并在預(yù)先準(zhǔn)備綠化的區(qū)域回填30cm厚度的種植土，在平整的綠化區(qū)域平鋪草皮進(jìn)行綠化，而坡面上則采用種植喬木的方式進(jìn)行綠化。通過上述綜合治理方案的實施，則能從根本上消除地表位移變形，有效控制采空塌陷坑及地裂縫的進(jìn)一步發(fā)育；而對塌陷坑和地裂縫進(jìn)行及時的回填，一方面避免地表水肥沿著裂縫流失，能使植被面積逐漸恢復(fù)，農(nóng)作物減產(chǎn)問題得到有效緩解；另一方面，對地表裂縫的及時回填能有效避免地表水沿著邊坡地段的裂縫進(jìn)入坡體而造成的邊坡失穩(wěn)破壞。該綜合治理方案能夠有效消除采空區(qū)災(zāi)害。

4.2 煤矸石災(zāi)害的綜合治理方案

研究區(qū)域內(nèi)存在三處煤矸石堆，堆積體積總共大約33200m3。由于煤矸石堆的成分比較復(fù)雜，除煤矸石外，包含建筑垃圾、雜填土，能夠再次利用的可能性降低；同時，由于堆積體積過大，堆積區(qū)域地下非常復(fù)雜，對煤矸石堆積體進(jìn)行清理的成本過大。綜合考慮煤矸石災(zāi)害鏈的斷鏈減災(zāi)模式、場地利用狀況、治理費用等因素，確定煤矸石災(zāi)害的治理方案為固源。對三處煤矸石堆積體依據(jù)地形條件按照1：1.5的坡率分層碾壓夯實，使得煤矸石堆積體不再呈松散狀堆積，穩(wěn)定性得到極大改善；坡面采用漿砌片石拱形骨架進(jìn)行護(hù)坡，拱形骨架寬3m，骨架內(nèi)填鋪一層厚30cm的種植土，然后鋪設(shè)草皮進(jìn)行生態(tài)綠化。通過上述治理方案，能夠避免煤矸石堆在降雨狀況下發(fā)生滑坡，也從固源方面消除了泥石流發(fā)生的威脅。同時，對坡面進(jìn)行的生態(tài)綠化防護(hù)能夠避免煤矸石接觸空氣，有效降低了煤矸石發(fā)生自燃而污染空氣。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：孔荊陶（1988，8-），男，本科，湖北沙洋，武漢中南冶勘資源環(huán)境工程有限公司，地質(zhì)工程。