煤峪口礦地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究與應(yīng)用

史建國(guó)

（同煤集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

煤峪口煤礦地處中低山丘陵區(qū)，溝谷發(fā)育，自然地質(zhì)環(huán)境脆弱，采礦活動(dòng)導(dǎo)致地面塌陷，誘發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的形成，地表水、地下水滲漏加之廢棄物的排放對(duì)礦區(qū)內(nèi)地貌景觀形成了較大影響，對(duì)礦區(qū)內(nèi)的人民生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了極大的影響。

煤峪口治理區(qū)為中低山丘陵區(qū)，地表均為黃土覆蓋，而區(qū)內(nèi)的地面裂縫主要分布于山坡、耕地、溝谷底部，當(dāng)遭遇強(qiáng)降水或長(zhǎng)歷時(shí)降水條件下，降水沿裂縫下滲，極可能在巖土接觸面或巖層軟弱結(jié)構(gòu)面誘發(fā)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害[1]。此外礦區(qū)內(nèi)規(guī)模大的裂縫、塌陷還可能造成人、牲畜掉入，威脅到人、牲畜的安全。

由于地面塌陷及地裂縫的形成，采空區(qū)影響范圍內(nèi)大面積土地受到不同程度的破壞，影響了土地資源的正常使用功能。伴隨地裂縫地質(zhì)災(zāi)害，影響或破壞土地類型主要為耕地、林地、草地。

1 煤峪口礦治理區(qū)域概況

1.1 采空區(qū)分布及影響范圍

煤峪口礦開采歷史悠久，目前全井田已開采的煤層有：3、8、9、11-12、14-2、15。其中：3、9、11-12、14-2號(hào)煤層開采基本結(jié)束，15 號(hào)煤層為計(jì)劃主要開采煤層。目前，3 號(hào)煤層形成采空區(qū)面積為4.745 km2，主要分布于礦區(qū)東部及西部；9 號(hào)煤層形成采空區(qū)面積5.483 km2，主要分布于礦區(qū)的東部、中部；11-12 號(hào)煤層形成采空區(qū)面積為7.124 km2，主要分布于礦區(qū)大部；14 號(hào)煤層形成采空區(qū)面積為4.224 km2，主要分布于礦區(qū)大部；15 號(hào)煤層形成采空區(qū)面積為1.127 km2，主要分布于礦區(qū)內(nèi)中部。已開采區(qū)域各煤層采空區(qū)相互重疊，截至目前，采空區(qū)在地面的投影面積約為14.36 km2，開采面積已達(dá)井田面積的80%以上。

1.2 治理區(qū)塌陷裂縫分布范圍

治理區(qū)主要研究南信莊至鄭家?guī)X一帶地裂縫、地面塌陷區(qū)。該治理區(qū)的地面裂縫影響分布范圍較大，經(jīng)野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)，治理區(qū)內(nèi)裂縫長(zhǎng)度介于40～500 m 之間，寬度介于0.1～2 m，裂縫兩側(cè)落差介于0.1～3.5 m 之間，裂縫間距一般介于10～50 m，部分地段裂縫間距小于5 m，裂縫分布面積占采區(qū)面積的1.5%。此類地質(zhì)災(zāi)害隱患主要集中在3、9、11-12、14 號(hào)煤采空區(qū)以及小煤窯采空區(qū)的上方。治理區(qū)地裂縫基本都分布在山坡、山梁上，溝谷底部基本未發(fā)現(xiàn)地裂縫，在山坡地段裂縫比較明顯，開口寬，延伸長(zhǎng)，形態(tài)為“V”字形（如圖1、圖2）。這是因?yàn)檫吰聝A斜地表可產(chǎn)生附加采動(dòng)滑移，滑移方向指向山體的下坡方向，因而凸形變坡部位容易產(chǎn)生附加水平拉伸變形，導(dǎo)致邊坡、陡崖的邊緣附近裂縫發(fā)育。經(jīng)過實(shí)地踏勘，治理區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)中型地裂縫3 條，小型地裂縫12 條，小型塌陷坑3 處。

圖1 地表裂縫

圖2 地面塌陷

2 塌陷裂縫治理區(qū)治理方法研究

2.1 地表裂縫、塌陷回填工程

（1）回填材料要求

地裂縫填埋用土采用取土場(chǎng)黃土狀粉土，其中不得含有有機(jī)雜質(zhì)，應(yīng)選擇稍濕狀態(tài)的黃土狀粉土填埋。石料選擇取石場(chǎng)矸石，根據(jù)裂縫寬度選用合適粒徑石料進(jìn)行填埋。填埋前過篩，粒徑控制在裂縫寬度0.5 倍之內(nèi)，避免粒徑過大，填充壓實(shí)不足[2]。

（2）基底處理

① 土方回填前，應(yīng)清除基底的草皮、樹根、垃圾等雜物，并應(yīng)采取措施防止地表滯水流入填方區(qū)。

② 當(dāng)填方基底為松土?xí)r，應(yīng)將基底充分夯實(shí)或輾壓密實(shí)。

③ 回填壓實(shí)要求：填土土料含水量的大小，直接影響到碾壓質(zhì)量。含水量過小，輾壓不實(shí)；含水量過大，則易成橡皮土，對(duì)土的回填壓實(shí)效果有直接影響。應(yīng)選擇稍濕狀態(tài)的黃土狀粉土填埋，要求壓實(shí)度不低于93%。

2.2 不同類型、位置地表裂縫、塌陷坑的治理

（1）耕地內(nèi)地裂縫填埋及耕地恢復(fù)

先沿著地表裂縫剝離表土，剝離寬度為裂縫兩側(cè)各50 cm，剝離深度為30 cm，剝離土就近堆放在裂縫兩側(cè)。表土剝離后先進(jìn)行基底處理，然后向裂縫中填埋矸石，如圖3。地裂縫寬度小于0.1 m，全部采用黃土充填，如圖4，充填至覆蓋層深度，每充填30 cm 夯實(shí)一次。隨后再向裂縫中填土，每充填30 cm 夯實(shí)一次，直到與原地表基本平齊為止。最后將原剝離表土覆土平整。

圖3 地裂縫填埋示意圖（矸石+黃土）

圖4 地裂縫填埋示意圖（黃土）

（2）塌陷坑的治理及植被恢復(fù)

首先清理塌陷坑周邊的土石，對(duì)塌陷坑進(jìn)行基底處理?？紤]到如果簡(jiǎn)單的充填結(jié)果就是下次下雨必將重新塌陷，鑒于此種原因，對(duì)其塌陷坑底部進(jìn)行了隔水處理。治理時(shí)先對(duì)塌陷坑底部充填，底部基本充填后鋪塑料至開挖外邊界，下一步充填黃土覆蓋，高出地面0.5 m，再種上矮灌木。

（3）溝谷底部裂縫的治理

首先溝谷底部的裂縫治理難度大，屢次治理但效果都不佳，治理后每下一次雨溝谷底部裂縫必然重新被水沖開。面對(duì)這種情況，煤峪口礦研究出對(duì)溝谷底部治理長(zhǎng)期有效的辦法。經(jīng)過長(zhǎng)期的觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水流經(jīng)過溝谷時(shí)，若遇裂縫必然將充填的裂縫沖開，使水下泄至井下。針對(duì)這種情況，采用廢舊皮帶割成1 m 的小塊，依照瓦房房頂?shù)脑恚紫忍畛淞芽p，再用小塊皮帶一塊接一塊地插一起，覆蓋修復(fù)裂縫表面。為了防止水從側(cè)幫流入，裂縫兩側(cè)開挖0.3～0.5 m 深，使皮帶塊與溝谷穩(wěn)定土層成為一體，使雨水很好地通過修復(fù)裂縫，不能成為匯水區(qū)。經(jīng)過數(shù)次觀察，該方法達(dá)到了一勞永逸的效果，解決了溝谷治理的難題。

3 地面穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工程

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

治理區(qū)共15 條裂縫，3 個(gè)塌陷坑，共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 個(gè)，主要對(duì)地表下沉量、水平移動(dòng)量、塌陷深度和形態(tài)、地裂縫的長(zhǎng)寬深、地面工程設(shè)施等的變形破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)方法采用定期目視地面變形和全站儀控制監(jiān)測(cè)方式。

（1）目視監(jiān)測(cè)

定期目視檢查要求監(jiān)測(cè)責(zé)任人治理完一個(gè)月之內(nèi)每天觀察一次，以后三個(gè)月之內(nèi)每周一次，三個(gè)月以后每旬一次目視檢查或在暴雨、汛期天氣時(shí)目視檢查被監(jiān)測(cè)地點(diǎn)有無異常變化，如建筑物變形情況、地裂縫發(fā)生、地表植被、地下水異常變化等。

對(duì)耕地、林地、草地的監(jiān)測(cè)，可充分利用當(dāng)?shù)厝罕娺M(jìn)行四季觀察，一發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取措施。

（2）全站儀控制監(jiān)測(cè)

在地裂縫的兩端、拐彎、中部和最寬處的兩側(cè)，設(shè)立成對(duì)觀測(cè)木樁（300 mm×200 mm×800 mm），并編號(hào)。選取未變化區(qū)域設(shè)立三個(gè)固定點(diǎn)，以閉合測(cè)量固定點(diǎn)的方法，保證固定點(diǎn)未發(fā)生沉陷。在此基礎(chǔ)上，對(duì)臨時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行高程及位移的監(jiān)測(cè)。把觀察到的裂縫走向同位移監(jiān)測(cè)成果對(duì)比，對(duì)出現(xiàn)裂縫的斷面要格外引起重視。裂縫標(biāo)志點(diǎn)（木樁）的埋深500 mm，裂縫的形狀、寬度應(yīng)測(cè)繪到監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖上。TX1、TX2、TX3 為塌陷坑，L3～L8為裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 X 軸監(jiān)測(cè)位移量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

表2 H 軸監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

通過近半年的數(shù)據(jù)分析，X 方向基本趨于穩(wěn)定，未發(fā)生變化，H 方向也在限差內(nèi)變化?？梢缘贸鰧?duì)裂縫、塌陷坑的治理滿足工作的需要，達(dá)到了環(huán)境恢復(fù)治理的要求。

4 結(jié)論

治理結(jié)束后通過目視及監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)比較，治理后的地表裂縫、塌陷坑、谷底裂縫均未發(fā)生明顯變化，特別是對(duì)塌陷坑及谷底裂縫的治理，達(dá)到了預(yù)想的效果。通過雨季期間礦井涌水量的觀測(cè)較平時(shí)基本沒有變化，說明治理效果很好，沒有大量地表水潰入井下，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

本次項(xiàng)目的研究與實(shí)施，在治理區(qū)建立一套系統(tǒng)的地表沉陷充填治理技術(shù)和方法，對(duì)煤峪口礦地面破壞區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了恢復(fù)治理，開展綜合的地表塌陷區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，有效地消除了該地區(qū)地面沉陷地質(zhì)災(zāi)害隱患，避免地質(zhì)災(zāi)害對(duì)煤峪口礦內(nèi)及周邊群眾構(gòu)成的潛在威脅，同時(shí)改善整個(gè)礦區(qū)的環(huán)境，促進(jìn)礦區(qū)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，響應(yīng)國(guó)家保護(hù)生態(tài)環(huán)境的政策要求，共建綠色礦山。