云岡礦采空區(qū)地質災害分析及治理

王 巖

（同煤集團云岡礦，山西 大同 037017）

同煤集團云岡礦位于大同市西郊，是一座設計生產(chǎn)能力為480萬t/a的現(xiàn)代化礦井。近年來由于煤炭行情好轉，該煤礦增加了煤炭的開采量。井下開采強度的增加導致采空區(qū)數(shù)量增多、面積擴大，造成的地質災害安全隱患令人堪憂，嚴重破壞周邊的生態(tài)和環(huán)境，對周邊的人民生活造成嚴重影響。本文主要是對云岡礦采空區(qū)的地質災害現(xiàn)狀進行了分析，采用地質測繪、地質調查、物探勘察、鉆探驗證綜合技術對該礦采空區(qū)“三帶”進行有效判斷，并提出了科學的地質災害治理方案。

1 工程概況

1.1 概況

井田內含煤地層有石炭系上統(tǒng)太原組和侏羅系中統(tǒng)大同組上、下兩套煤系地層，當前主要開采煤層為5#、7#、11#煤。 5#煤厚度5m左右，由泥巖、砂質泥巖組成 ；7#煤厚度4m左右，主要由泥巖、砂質泥巖、粉砂巖成 ；11#煤厚度6m左右，主要由砂巖、砂質泥巖組成。

1.2 云岡礦地質災害現(xiàn)狀分析

當前云岡礦采空區(qū)的數(shù)量和面積不斷擴大增多，極易發(fā)生采空區(qū)塌陷事故，嚴重破壞土地資源和水資源，周邊生態(tài)自然環(huán)境也受到嚴重影響，主要表現(xiàn)如下：

（1）地面塌陷事故較為嚴重，已影響數(shù)十個村莊，塌陷面積近2500m2，塌陷坑形狀主要是串珠狀圓形，近年來呈現(xiàn)增長趨勢。

（2）采空區(qū)數(shù)量和面積的擴大，導致井下巷道變形嚴重，致地面村莊建筑物受到相應的破壞。據(jù)統(tǒng)計共有150戶村民的房屋受損，需要修復或進行拆除重建。

（3）村莊周邊為礦區(qū)密集地帶，開采中需要對礦坑水進行抽排，會造成煤層上覆巖層的裂縫變形，使得地下水向礦坑匯流，導致破壞含水層，影響村民用水。

（4）因采煤作業(yè)導致井水干涸、水源污染，導致土地無法耕種，造成水土流失。

2 采空區(qū)地質勘察分析

2.1 地形圖測繪

對云岡礦采空區(qū)的地質構造進行勘探，掌握地質勘探的實況，繪制采空區(qū)地形圖，為后期地質災害的治理工作提供理論依據(jù)。同時采用GPS數(shù)字化測圖技術，有效提高測試的精度和精準性。

2.2 地質調查

地質調查是采空區(qū)勘察工作的基礎，掌握該礦采空區(qū)的分布狀況，了解村莊房屋受損的數(shù)量和嚴重程度，政府部門、村民、煤礦企業(yè)三者有效的配合，完成地質調查工作。調查結果顯示：二采區(qū)和五采區(qū)的村民受損房屋共有267間，有采掘工程平面圖2副，水井4眼。

2.3 物探勘察

采用物探技術對地質情況進行勘察驗證，明確采空區(qū)的具體分布，有針對性地提出地質災害治理措施。在本次的物探中，采用RaA測氡法開展了測量工作，共完成了15條測線；瞬變電磁法勘測剖面21條，物理點108個?？傮w測量結果表明：采空區(qū)深度約為135m，地質災害治理的重點區(qū)域為村莊的東南區(qū)域。

2.4 鉆探驗證

要進一步采用鉆探驗證來確認采空區(qū)的治理位置。鉆探方案：4個鉆探孔，5組煤層頂板試驗。結果表明，地質災害的區(qū)域為村莊的東南區(qū)域，地質剖面圖如圖1所示。

圖1 地質剖面圖

3 采空區(qū)地質災害的情況分析

通過地質勘察可知，云岡礦采空區(qū)的地質災害主要表現(xiàn)為以下幾方面：第一為地面裂縫，在移動盆地的外邊緣區(qū)出現(xiàn)了部分裂縫；第二為地面塌陷，主要表現(xiàn)為臺階狀塌陷盆地和塌陷坑。

云岡礦地面塌陷和地面裂縫地質災害主要是在該礦的二采區(qū)和五采區(qū)。二采區(qū)開采面積達1.25km2，因受到F9、F12斷層的影響，采空區(qū)的面積不斷擴大，有較為嚴重的地面塌陷和地面裂縫現(xiàn)象，影響到礦區(qū)北邊的村莊，主要是對5#和7#煤進行開采。五采區(qū)開采面積為1.76km2，主井長度為149m，傾角12°；副井長度為136m，傾角10°；采煤形式為綜合式機械化采煤法。

4 采空區(qū)地質災害治理方案設計

4.1 災害治理

通過對云岡礦采空區(qū)地質災害類型分析，結合施工的相關要求，對該礦的地質災害設計采用填充灌漿法進行治理。設計確定注漿孔孔距參數(shù)、排距參數(shù)、注漿孔的布設形式后，通過注漿泵、注漿管將細骨料、粉煤灰以及水泥等材料進行注漿，并進行固化，起到治理采空區(qū)地質災害的效果。

4.2 注漿工藝

（1）測量放點。因煤礦采空區(qū)為復雜工程測區(qū)，采用全站儀設備來進行注漿孔的放樣測量，放點選擇低于500mm，根據(jù)工況及時調整，提高測量精度和準確性。

（2）成孔要求。采用XY-4型巖芯鉆機實施鉆孔作業(yè)，參數(shù)設定如下：開孔孔徑控制在130～150mm之間，經(jīng)兩次變徑后終孔孔徑≥100mm，注漿孔和帷幕孔均應進入完整基巖4～6m處變徑。

（3）漿材配置。漿液配比由現(xiàn)場工業(yè)試驗確定，攪拌時間設定為9～10min。

（4）注漿。主要是對礦區(qū)的5#煤和11#煤采空區(qū)進行注漿，針對穿越多層煤層的采空區(qū)，采用下行式分段注漿工藝進行注漿方案。

（5）確定合理施工順序：帷幕先導孔—跳孔灌漿施工。

（6）灌漿結束標準。當孔口壓力在 1.0～1.5MPa，泵量小于 70L/min，穩(wěn)定15min后，即可停止注漿作業(yè)。

4.3 灌漿質量

在對該煤礦采空區(qū)采用填充灌漿法進行地質災害的治理工作完成1個月后，對填充灌漿法實施中的灌漿質量進行檢查驗收，主要檢查驗收的方案如下。

（1）進行檢查驗收時，檢測孔布置在脫空較大、串漿孔集中、灌漿情況異常的區(qū)域內，檢測孔的數(shù)量取值為灌漿孔的1/20。

（2）采用鉆探取芯+波速測井技術對漿液結石率進行檢測，結果表明，漿液結石率高達85%，漿液結石強度為1.5MPa，能確保形成足夠的結石體填充空洞和裂縫。

（3）確定填充灌漿法灌漿質量符合要求后，用水泥砂漿將鉆孔封填密實。

4.4 注意事項

（1）在對礦區(qū)地面裂縫進行回填后，如再采取注漿治理措施，注漿寬度≥500mm，注漿深度≥800mm。采用碎石土分層夯實回填，以避免跑漿和地裂縫冒漿現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）注漿孔順序按煤層傾斜方向進行，帷幕孔施工—采空區(qū)低鉆孔施工—采空區(qū)高鉆。

（3）漿液濃度確定：漿液濃度先稀后稠，在確定泵壓、吸漿量后再根據(jù)施工現(xiàn)場的實況對漿液濃度、灌漿量進行調整。

（4）在注漿作業(yè)過程中如出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，及時采用間歇式注漿來降低漿液的流失。

5 治理效果分析

采用地表觀測法監(jiān)測沉降位移的技術方案來對采空區(qū)地質災害治理效果進行分析研究。針對采空區(qū)地質災害治理的情況設計四行九列共計24個變形監(jiān)測點，監(jiān)測設計示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點分布圖

該項目的監(jiān)測周期為10個月，在對采空區(qū)進行填充灌漿法治理施工的前期和施工完成時，必須完成基礎數(shù)據(jù)的監(jiān)測，同時在隨后按10個月為觀測周期。監(jiān)測結果如圖3所示。

圖3 監(jiān)測結果分布圖

由圖3中A行、B行、C行、D行四組數(shù)據(jù)可知，對采空區(qū)進行治理后，采空區(qū)沉降量＜200mm，垂直變形率＜3mm/m，水平變形率＜2mm/m。這一數(shù)據(jù)充分說明，經(jīng)治理后采空區(qū)發(fā)生塌陷及裂縫地質災害的可能性極小，對云岡礦采空區(qū)地質災害采取的方案是合理可行的。

6 結論

在對云岡礦地質概況分析的基礎上，采用地質測繪、地質調查、物探勘察、鉆探驗證的技術有效地確定了采空區(qū)地質災害的治理區(qū)域，有針對性地設計了采空區(qū)地質災害治理方案。通過試驗數(shù)據(jù)，確定了合適的灌漿方法和灌漿濃度，灌漿質量檢查結果理想，可以有效地防止采空區(qū)地質災害的發(fā)生。