陽(yáng)泉礦區(qū)采空區(qū)分布特征及治理措施

王 海 祥

(山西國(guó)辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,山西 陽(yáng)泉 045000)

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陽(yáng)泉礦區(qū)采空區(qū)分布特征及治理措施

王 海 祥

(山西國(guó)辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,山西 陽(yáng)泉 045000)

介紹了不同采煤方式形成的采空區(qū)特點(diǎn)，分析了影響采空區(qū)地基穩(wěn)定性的因素，并探討了評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性的原則與方法，提出了不穩(wěn)定及穩(wěn)定性差的采空區(qū)治理措施，確保了采空區(qū)的安全性。

礦區(qū)，采空區(qū)，開(kāi)采方式，穩(wěn)定性

陽(yáng)泉礦區(qū)地處沁水煤田之東北邊緣，是我國(guó)最大的無(wú)煙煤生產(chǎn)基地。具有交通條件方便、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、可采煤層埋藏較淺等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)采歷史十分悠久，數(shù)百年來(lái)由于煤炭開(kāi)采形成的各種不同規(guī)模及不同形式的采空區(qū)在陽(yáng)泉礦區(qū)及周邊廣泛分布。采空區(qū)的存在使本地區(qū)地質(zhì)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，也成為危及礦區(qū)工業(yè)及民用建筑安全、增加工程造價(jià)的主要因素。因此，通過(guò)對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)采空區(qū)分布特點(diǎn)的分析，結(jié)合地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)，研究各類采空區(qū)對(duì)地表建筑的危害程度，以確定合理的治理措施，是一項(xiàng)有意義的工作。

1 不同采煤方式形成的采空區(qū)特點(diǎn)

1.1 手工采煤階段的開(kāi)采方式及形成的采空區(qū)特點(diǎn)

陽(yáng)泉礦區(qū)在解放初期(1947年—1951年)以及解放前(1947年以前)煤炭開(kāi)采和掘進(jìn)完全依靠手工完成，運(yùn)輸和提升主要靠人力、畜力完成，只有個(gè)別有規(guī)模的礦井配備少量提升和運(yùn)輸機(jī)械(保晉公司的礦廠和日偽時(shí)期的礦井)。陽(yáng)泉煤礦基本上是依靠掘進(jìn)巷道出煤的，因此，巷道掘進(jìn)量很大，但延伸都不遠(yuǎn)(采深多小于70 m～100 m，且分布于露頭區(qū)或淺埋區(qū))。掘進(jìn)手段是人工搬和鑿壕，巷道一般不進(jìn)行支護(hù)，唯有當(dāng)頂板(或頂煤)破碎或片幫嚴(yán)重處，才用少量立柱支撐，然后采用擴(kuò)幫的采煤方式，巷寬2.0 m～5.0 m居多。在保晉時(shí)期開(kāi)采15號(hào)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(kāi)鑿大量巷道，由巷道把煤層切割成若干個(gè)小方塊的煤柱，然后刷幫擴(kuò)大巷道，巷道寬度3 m～7 m不等(視頂煤完整狀態(tài)情況而定)，個(gè)別達(dá)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(fèi)嚴(yán)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(kāi)采方法在陽(yáng)泉周邊農(nóng)村小煤窯基本沿用到20世紀(jì)70年代中后期。

這類開(kāi)采方法形成的采空區(qū)具有如下特點(diǎn)：埋深多在30 m～70 m，個(gè)別達(dá)70 m～120 m，巷道多呈網(wǎng)狀分布極不規(guī)律，采空區(qū)以大量空洞形式存在，多數(shù)發(fā)生冒落，采空區(qū)覆巖沒(méi)明顯的裂隙及彎曲下沉現(xiàn)象，回采率較低(15%～20%居多，少數(shù)能達(dá)到20%～30%)，地表多無(wú)明顯開(kāi)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(shí)地表局部開(kāi)裂或有坑狀塌陷(形成較大采場(chǎng)禮堂式開(kāi)采時(shí))，發(fā)生時(shí)具有突發(fā)性。這類采空區(qū)一般沒(méi)有采掘資料可參考。

上述采空區(qū)分布于陽(yáng)泉市區(qū)中～西部及周邊煤層淺埋區(qū)，是礦區(qū)分布最多的采空區(qū)形式。

1.2 解放后鄉(xiāng)鎮(zhèn)地方煤礦開(kāi)采方式及形成的采空區(qū)特點(diǎn)

陽(yáng)泉地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦及地方煤礦，在1970年—1990年為高峰期，達(dá)數(shù)百座之多，大多以手工開(kāi)采為主，在1970年前期多為開(kāi)巷擴(kuò)幫的開(kāi)采方式，一般不支護(hù)。到后期出現(xiàn)殘柱式或房柱式開(kāi)采，只有個(gè)別有規(guī)模的地方煤礦在70年代后期～80年代初期在部分采空區(qū)用短壁陷落法開(kāi)采。

這類開(kāi)采形式的采空區(qū)多分布在礦區(qū)周邊，由于作業(yè)不規(guī)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(kāi)采方式形成采空區(qū)特點(diǎn)相近，當(dāng)為短壁式開(kāi)采時(shí)采空區(qū)空洞率減小,有冒落帶、裂隙帶、彎曲變形帶發(fā)育或部分發(fā)育，頂板大部分冒落。大多沒(méi)有正規(guī)開(kāi)采資料，在礦區(qū)周邊小窯，埋深多在30 m～70 m，達(dá)100 m以上則較少。該類采空區(qū)亦是近年礦區(qū)地表建筑涉及的主要采空區(qū)之一。

1.3 走向長(zhǎng)壁式陷落法采煤方式(含短壁式)及形成的采空區(qū)特點(diǎn)

1950年—1951年陽(yáng)泉礦務(wù)局試驗(yàn)成功15號(hào)煤(丈八煤)走向長(zhǎng)壁傾斜分層煤皮頂板下行陷落采煤法和單一煤層3號(hào)煤(七尺煤)走向長(zhǎng)壁陷落采煤工藝，從此走向長(zhǎng)壁采煤法與短壁采煤法成為陽(yáng)泉礦務(wù)局主要的采煤方法，而且長(zhǎng)壁式采煤方法所占比例逐步提高，從1951年開(kāi)始陽(yáng)泉礦務(wù)局跨入了長(zhǎng)壁炮采的新時(shí)期，至此，陽(yáng)泉礦務(wù)局煤炭生產(chǎn)技術(shù)結(jié)束了手工生產(chǎn)階段，煤炭回收率達(dá)60%以上，后來(lái)又在1965年試驗(yàn)成功普通化機(jī)械開(kāi)采，1973年試驗(yàn)成功綜合機(jī)械化開(kāi)采，工作面長(zhǎng)度多在100 m以上，開(kāi)掘走向長(zhǎng)度多在500 m～1 000 m，回收率達(dá)95%以上。頂部管理采用自由或強(qiáng)制冒落方式。這類采煤方法具有機(jī)械化程度高、回采率高，推進(jìn)速度快的特點(diǎn)。

上述采煤方法所形成的采空區(qū)具有以下特點(diǎn)：1)有完整的采掘資料，采空區(qū)面積大，采空區(qū)內(nèi)空洞率較小(長(zhǎng)壁式空洞率小于短壁式)并且隨著時(shí)間推移空洞率逐步變小，采空區(qū)覆巖形成明顯的“三帶”，冒落巖石逐步壓實(shí)，裂隙帶裂隙逐步減小。2)地表移動(dòng)變形速度快、變形量大，引起地表開(kāi)裂，沉降塌陷，坡體滑移及崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，隨著時(shí)間推移變形量逐漸減小，壁式開(kāi)采前三個(gè)階段為移動(dòng)延續(xù)期(本礦區(qū)移動(dòng)延續(xù)時(shí)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(jìn)入殘余變形期，到衰退期后地表變形基本結(jié)束。但與工作面長(zhǎng)度(開(kāi)采規(guī)模)有關(guān)，工作面規(guī)模愈大地表移動(dòng)變形發(fā)展愈快，愈充分，反之，因開(kāi)采不充分地表移動(dòng)變形愈長(zhǎng)。由于達(dá)不到充分采動(dòng)，殘留空洞及上部冒裂帶為殘余變形的發(fā)生發(fā)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(qū)地基穩(wěn)定性的影響因素

2.1 采煤方法及頂板管理方法

1)長(zhǎng)壁式陷落法。大型及特大型礦井常規(guī)采煤方法，單一工作面長(zhǎng)度大于100 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度通常在500 m以上，頂板自由或強(qiáng)制冒落。地表變形移動(dòng)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(yáng)泉礦務(wù)局早期(60年代以前)的常規(guī)采煤方法，單一工作面長(zhǎng)度在60 m～80 m之間，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度在200 m～300 m之間，頂板自由冒落，回采率較長(zhǎng)壁法低一些，地表移動(dòng)變形量及移動(dòng)速度相對(duì)小一些，采空殘余空洞率及殘余變形量都較長(zhǎng)壁略大或較長(zhǎng)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(kāi)掘巷道，刷幫開(kāi)采，采巷長(zhǎng)，寬度視頂板而定，一般不支護(hù)頂板自然冒落?；夭陕实停冃我?guī)律差，空洞率大，一般淺層易出現(xiàn)塌陷或環(huán)形沉陷坑，淺層采空常誘發(fā)突發(fā)性變形——開(kāi)裂、塌陷(抽冒)。

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

2.2 覆巖的物理力學(xué)性質(zhì)

陽(yáng)泉礦區(qū)采空覆巖以中硬砂巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r和泥巖為主，巖層水平層理及節(jié)理、裂隙較發(fā)育，平均單向抗壓強(qiáng)度25 MPa～70 MPa，具有頂板冒落快，地表下沉及移動(dòng)變形量大，延續(xù)期較短等特點(diǎn)。

2.3 采空深度及開(kāi)采厚度

陽(yáng)泉礦區(qū)大量采空觀測(cè)資料表明：地表移動(dòng)變形大小隨開(kāi)采深度增大而減小，地表變形范圍則隨開(kāi)采深度增大而增大，開(kāi)采厚度愈大或開(kāi)采煤層愈多，地表變形亦愈大。因此采用采深采厚比來(lái)衡量采空地表穩(wěn)定性的影響。

1)淺層采空區(qū)，采深采厚比(H/N)小于40。壁式開(kāi)采地表移動(dòng)劇烈，移動(dòng)速度與變形量都很大，地表可能出現(xiàn)明顯臺(tái)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(lián)通，開(kāi)采過(guò)程劇烈變形，但移動(dòng)延續(xù)時(shí)間短，非正規(guī)開(kāi)采形成空洞及殘余變形可能對(duì)地表穩(wěn)定性構(gòu)成潛在的危害。

2)中深層采空區(qū)，采深采厚比(H/M)在40～200之間，壁式開(kāi)采，地表產(chǎn)生不同程度移動(dòng)、變形、裂隙，非正規(guī)的開(kāi)采采空空洞及殘余變形也有可能對(duì)地表穩(wěn)定性構(gòu)成不同程度的危害。

2.4 開(kāi)采時(shí)間

正規(guī)的開(kāi)采而形成的采空引起地表移動(dòng)或變形都要經(jīng)歷初始期、活躍期、衰退期和殘余期四個(gè)階段。前三個(gè)階段為移動(dòng)延續(xù)期，陽(yáng)泉礦區(qū)壁式開(kāi)采移動(dòng)延續(xù)期在145 d～450 d之間。當(dāng)移動(dòng)延續(xù)期過(guò)后地表變形基本結(jié)束，除非達(dá)不到充分開(kāi)采，殘留空洞及冒裂帶仍為殘余變形的發(fā)生和發(fā)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(guī)開(kāi)采形式的采空，殘余變形非常緩慢，經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，淺層采空仍可在外力作用下發(fā)生冒落(陽(yáng)泉地區(qū)稱為抽冒)而影響到地表。

2.5 地形地貌

礦區(qū)地處太行山山區(qū)，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(diǎn)下，地下采煤除生產(chǎn)沉陷變形外，多有坡體滑動(dòng)或采動(dòng)滑坡、崩塌以及古滑坡復(fù)活等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)原則的選擇與確定

由于建筑場(chǎng)區(qū)下伏地層中存在采空區(qū)(一般為已開(kāi)采結(jié)束的老采空區(qū))，對(duì)地表建(構(gòu))筑物的安全使用會(huì)構(gòu)成不同程度的危害，危害程度的界定也就是安全標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)高會(huì)造成建設(shè)投資增大，造成建設(shè)資金的浪費(fèi)；而標(biāo)準(zhǔn)低，則會(huì)使建筑工程的安全使用受到威脅。在陽(yáng)泉礦區(qū)由于土地緊缺，采空區(qū)的問(wèn)題不可回避，因此應(yīng)該充分參考國(guó)內(nèi)、國(guó)際采空區(qū)治理成功經(jīng)驗(yàn)，并充分結(jié)合陽(yáng)泉礦區(qū)半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)對(duì)煤礦開(kāi)采引起地表移動(dòng)及變形的觀測(cè)研究資料，以及陽(yáng)泉礦區(qū)在采空區(qū)場(chǎng)區(qū)的建筑治理經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行采空區(qū)場(chǎng)區(qū)的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，工作中基本總結(jié)形成如下原則或規(guī)律：1)陽(yáng)泉礦區(qū)開(kāi)采方式為壁式(長(zhǎng)壁、短壁)，停采時(shí)間達(dá)5年以上，可視為穩(wěn)定場(chǎng)地。2)陽(yáng)泉礦區(qū)當(dāng)其采深采厚比H/M≥40時(shí)，開(kāi)采方式為開(kāi)巷刷幫式、房柱、殘柱，回采率一般小于30%，停采時(shí)間達(dá)10年以上，可視為穩(wěn)定場(chǎng)區(qū)。3)當(dāng)為多煤層開(kāi)采時(shí)，最下層計(jì)算采深采厚比，以最晚結(jié)束開(kāi)采的時(shí)間計(jì)算開(kāi)采時(shí)間。

以上為初判原則，而詳細(xì)的評(píng)價(jià)工作仍應(yīng)按《巖土工程勘察規(guī)范》有關(guān)要求進(jìn)行。采空區(qū)的前期調(diào)查十分重要，一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及周邊調(diào)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(kāi)采狀況，搜集采掘資料，再進(jìn)一步采用物探圈定異常區(qū)，鉆探確認(rèn)辦法。非正規(guī)的小窯開(kāi)采方式可采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》推薦的計(jì)算方法驗(yàn)算地基的穩(wěn)定性，而壁式開(kāi)采則應(yīng)計(jì)算剩余變形量(傾斜變形、水平變形、曲率變形)來(lái)評(píng)價(jià)地基穩(wěn)定性。

4 采空區(qū)治理措施的選擇

多年的采空區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)表明，陽(yáng)泉礦區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦(含古窯)以及陽(yáng)泉礦務(wù)局原多種經(jīng)營(yíng)公司開(kāi)辦的小礦在停采10年以上，采深達(dá)到40 m以上時(shí)，進(jìn)行多層住宅及一般廠房設(shè)施建設(shè)，可以不進(jìn)行專門(mén)的采空區(qū)治理，但地表建筑物應(yīng)采取抗變形措施，即增加基礎(chǔ)整體性、增加結(jié)構(gòu)剛度，合理留設(shè)沉降縫及變形縫等措施；而壁式的開(kāi)采區(qū)，在20世紀(jì)90年代以前形成采空區(qū)之上進(jìn)行建設(shè)(多層住宅及一般工業(yè)設(shè)施、廠房)亦不必進(jìn)行專門(mén)的采空區(qū)治理措施，但亦需采取抗變形措施，這類采空區(qū)必須注意斜坡場(chǎng)區(qū)是否存在采動(dòng)引起地表滑移或滑坡(含古滑坡復(fù)活)的狀況。

經(jīng)評(píng)價(jià)不穩(wěn)定或穩(wěn)定性差的場(chǎng)區(qū)采空區(qū)治理措施如下：1)回避采空區(qū)，在選址階段進(jìn)行。而陽(yáng)泉礦區(qū)特別是老礦區(qū)大多是難以回避的。2)采空區(qū)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(xì)石混凝土等)，主要針對(duì)小窯采空區(qū)。3)現(xiàn)代化壁式開(kāi)采形式的采空區(qū)，注漿充填加固冒裂帶巖石裂隙及剩余空洞，采用細(xì)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(qū)小于10 m時(shí)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(shè)置褥墊層，多在壁式開(kāi)采的采空區(qū)之上設(shè)置礫砂、級(jí)配碎石、加筋土墊層等。6)采空區(qū)之上建筑物或構(gòu)筑物均應(yīng)采取必要的建筑和結(jié)構(gòu)措施，即整體柔性局部剛性的原則：加強(qiáng)基礎(chǔ)整體性——筏板基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)等，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度——增設(shè)構(gòu)造梁柱等，避免過(guò)高、過(guò)長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)單元分離，沉降縫與伸縮縫留設(shè)等。7)建(構(gòu))筑物的沉降變形觀測(cè)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多半個(gè)世紀(jì)的建設(shè)，陽(yáng)泉礦區(qū)已有數(shù)以千計(jì)的民用住宅、辦公服務(wù)設(shè)施、選煤設(shè)施、電廠等以及鐵路、公路，建造在各類采空區(qū)之上。結(jié)合建筑經(jīng)驗(yàn)、采空區(qū)分布狀況分析總結(jié)本礦區(qū)在采空區(qū)治理方面經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，建(構(gòu))筑物由于采空區(qū)原因發(fā)生變形損壞造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及對(duì)生產(chǎn)、生活的影響實(shí)例不少；而通過(guò)較為細(xì)致的工作合理的采取治理措施而成功的經(jīng)驗(yàn)更多，無(wú)疑對(duì)該礦區(qū)以后建設(shè)有重要意義。本文只是對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)采空區(qū)特點(diǎn)及治理措施的粗略總結(jié)，有必要在以后工作中進(jìn)行更深入的研究探討，總結(jié)更加適用于本礦區(qū)采空區(qū)評(píng)價(jià)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

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