煤礦采空區(qū)地表沉陷基本原理及防治措施

曲宏杰

摘要：煤礦的開采會造成多種地質方面的危害，地表塌陷就是其中影響最為嚴重的一種。為了確保煤炭資源被安全、科學的開采，需要對上述地表塌陷問題做好防治工作。貫徹“因地制宜、統(tǒng)一規(guī)劃，沉陷區(qū)實施可持續(xù)發(fā)展”的原則，進行科學治理，可最大限度降低地面塌陷對采空區(qū)域附近的環(huán)境破壞，使該區(qū)域遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)得以改善?；诖耍瑢Σ煽諈^(qū)地面塌陷的最根本原因以及發(fā)生該情況衍生出的其他災害進行了分析，提出系統(tǒng)的綜合治理方案。

關鍵詞：煤礦采空區(qū)；地表沉陷；地質災害；防治措施

0? ?引言

煤礦挖掘方式有很多種，其中最主要的就是礦井開采。在進行煤礦挖掘時，由于地層中的煤礦被開采，造成煤礦所在區(qū)域中巖體的最初地應力受損，當?shù)貞ι形椿謴偷狡胶鉅顟B(tài)時，煤礦層上部的巖體將發(fā)生變形、位移或者斷開。在這些地質災害傳輸?shù)降乇頃r，將會造成地面沉陷。地面沉陷外在表現(xiàn)為漏斗狀、盆地狀以及臺階狀斷層。

上述災害會對礦產(chǎn)開采區(qū)域以及周圍區(qū)域環(huán)境造成嚴重破壞，影響周圍建筑的安全性，同時對土地資源造成了極大的浪費，使周圍居民的資產(chǎn)遭受無妄之災。為了確保煤炭資源被安全、科學的開采，需要對上述地表塌陷問題做好防治工作。

1? ?工程概況

某能源企業(yè)承接了蘇海圖煤礦采空區(qū)災害治理工程。該項目區(qū)域為工程治理二區(qū)，主要施工內容包括無爆破打孔、作業(yè)區(qū)域道路整修、高溫地點的降溫與灑水除塵等。根據(jù)采空部位治理方案和該區(qū)域地質的特點可知，整個治理區(qū)域內煤層有10層煤，分別為9#、10#、11#、12#、13上3#、13上2#、13上1#、13#、14#、15#煤層。

本次工程主治層即為上述煤層，整治范圍內煤層的平均埋深111.6m，最深為206.55m。最淺為16.5m，煤層所在區(qū)域的相對夾角6°，最深治理部位在15#煤層底板。

2? ?采空區(qū)地表沉陷原理

采空區(qū)出現(xiàn)地面塌陷的主要原因，是煤礦的開采破壞了煤層部位巖石應力原有特性。礦柱需要長時間的工作、承重，采空范圍里的礦柱體系里存在部分薄弱地方，這些地方由于種種因素會第一時間被損壞。通常情況下，如果礦柱被損壞到60%以上時，采空區(qū)頂板將會塌落，并在一定程度上影響到地面。頂板大面積塌落一般是突然的，同時產(chǎn)生劇烈的氣浪，造成地面沉降和開裂，對地面以及礦井的建筑產(chǎn)生破壞[1]。煤礦采空區(qū)沉陷如圖1所示。

3? ?采空區(qū)地表沉陷治理方案

3.1? ?隱患和治理

3.1.1? ?隱患

采空區(qū)上部區(qū)域施工時，使用的器械多為液壓挖掘機、鉆機和相關的輔助器械，若頂板損失塌落，會危及工作人員的生命安全，也會使器械受損?？障锍跏紶顟B(tài)是密封的，進行采空區(qū)整治時其與外部相通，空氣進入，大概率會導致煤炭自燃，進一步造成采區(qū)里的火災。采空區(qū)長時間的有地下水匯入，容易形成積水現(xiàn)象，這不僅容易破壞工作器械，同時會危及工作人員的生命安全。

3.1.2? ?治理措施

按照蘇海圖煤礦企業(yè)給出的項目圖紙，我部門確認了采空區(qū)的范圍。本部門在指定位置的外部鉆兩排孔，用以探測，通過該孔必須能夠看到煤礦。若打孔后還在采空區(qū)域內，需繼續(xù)施工，直到精確掌控采空區(qū)域[2]。

3.2? ?頂板垮塌的預防和處理

將礦井里所有巷道、采空區(qū)域、探知的采空范圍，第一時間繪制在采剝平面圖等圖上，嚴格對比井上井下的狀況。由河南錦源有限公司完成本次工程中的施工人員的培訓，培訓的內容包括剝采施工方案、施工組織方案，確保工作人員精通潛在危險源、剝采施工規(guī)劃。采空區(qū)一定要實施專項負責的制度，施工場地必須有專人負責。

3.3? ?采空區(qū)沉陷施工方法

3.3.1? ?作業(yè)方式

采空區(qū)整治施工前，必須要用鉆機鉆前探孔，在保證無危險的狀態(tài)下再開始施工。對采空部位上層剝離操作時，若土層過厚（大于20m），可跨越采空部位進行施工，但必須進行全程觀測。

為精確知道采空區(qū)域的真實位置，需要先用鉆機在整體施工前完成探測作業(yè)，針對不安全的部位預先解決，待采空區(qū)完全塌落后，采裝器械再入場開始施工。該區(qū)域一定要貫徹非常規(guī)作業(yè)專項負責制度的執(zhí)行，監(jiān)理部門要專門指定專人進行負責。

3.3.2? ?穿孔

穿孔必須于采空區(qū)域外側施工，依據(jù)該區(qū)域的部位安放鉆機，同時指派專業(yè)人士完成指揮。工作者必須在填充過的位置。器械有問題時，應該將其移動到采空范圍以外進行修理。若是出現(xiàn)不安全現(xiàn)象，工作人員必須馬上停止施工，去沒有危險的地方待命，并在第一時間上報給帶班人員，再通過帶班人員上報至蘇海圖煤礦生產(chǎn)指揮中心[3]。

3.3.3? ?采裝

采裝工作實施前，必須保證空巷塌陷完成，方可實施采裝。進行運輸時，采空部位的煤層若是在高溫狀態(tài)，就必須實施預先注水，可以用灑水器械、霧炮車或沙土完成降溫作業(yè)，隨后才能開始采裝。

進行采裝作業(yè)時，禁止全部作業(yè)人員于采裝場地的邊限下車滯留。如果有明火現(xiàn)象，必須第一時間處理。采裝完成后，采裝器械必須移動到大于50m作的位置停放，禁止在采空區(qū)域滯留。

每個巷道都必須安排一個專門的責任人，上下部不可在同一時間施工。采空部位上層采用挖掘機施工，挖掘至3m處改換裝載機。裝載設備沒有良好的視線條件，必須停止施工。挖掘出的高溫煤巖一定要在當班完成覆蓋，并進行有效處理。⑤施工時注意風向，避免有毒氣體危害工作人員的生命安全。

3.4? ?采空區(qū)沉陷預防措施

按照現(xiàn)場探測，該項目有處在采空區(qū)域的部分，在該區(qū)域確保工具以及人員的安全，并完成剝離作業(yè)同樣是重要的一環(huán)。

3.4.1? ?制定整體安全預案

應設立采空區(qū)域探測和監(jiān)管部門，完善該區(qū)域探測、資料的收納，制定治理方案以及相關制度。監(jiān)管部門必須預先設計好救險預案，同時全程核查工程的施工情況，若有問題必須馬上解決。監(jiān)管部門必須制定該區(qū)域的施工規(guī)程，完成相關工作人員的安全以及施工教育，使其深刻了解工程中存在的危險，知道合規(guī)施工的重要性，在問題出現(xiàn)時有充足的思想準備。使用專業(yè)的空巷探測儀器，如激光聲納探測器等，以便精確的了解空巷的狀態(tài)。

3.4.2? ?探測采空區(qū)情況

進行該區(qū)域的探測主要是物探，用鉆機探測完成最后探測結果的驗證。用鉆機實施探測時，必須從內到外延伸實施鉆孔拍布鉆探，一直探到空巷礦井等明確知道的部位邊緣，以此提升精確程度。

嚴格對比已明確的采空區(qū)域地圖和實施探測后知道的結果，結合探測結果。更新所用的圖紙，同時在現(xiàn)場完成警示豎立。

在已明確的采空部位實施更詳盡的探測，精確了解該區(qū)域里起火、積水以及氣體沉積的狀況。采用瑞利波等先進的探測手段，更精確的探知區(qū)域內的地下水的沉積情況。使用物探手段明確地下水沉積的位置后，用鉆機完成驗證，以便精確掌控采空部位形態(tài)、地下水沉積深度，對水量進行測算。

加強該區(qū)域的毒害氣體的監(jiān)控和探測，掌控其變動的詳細狀態(tài)，發(fā)生非常規(guī)情況時，第一時間找出氣體來源并妥善處理。若部分區(qū)域的氣體濃度不達標，需要完成稀釋工作。采空區(qū)監(jiān)測如圖2所示。

3.4.3? ?采空區(qū)內積水處理

當探測到賦存部位后，必須完成超前物探作業(yè)。采用先進手段探測采空區(qū)域里的積水探測。在精確明了采空區(qū)域相關資料的適用性，以及該區(qū)域的水文地質特性等信息后，方可實施探測作業(yè)自己排水操作。

3.4.4? ?探放采空區(qū)積水處理

實施探放積水操作前，確定排水工具與探測到的積水量相匹配，并準備備用水泵。完成采空部位積水探放時，要把鉆機鉆到該部位的積水部分，并監(jiān)控排水的全程。校核水量和水壓，直至水量為零。

在排水過程中，要全程檢測有毒氣體濃度、出水水溫，若有問題必須第一時間解決問題。完成排水工作后，為避免有毒氣體的泄露，必須第一時間封堵排水孔。要求安排專人去檢驗，合格后才能驗收[4]。

3.4.5? ?采空區(qū)內積氣處理

針對有毒氣體，必須指派專人全程檢測，若其濃度發(fā)生異常變動，工作人員必須第一時間撤出危險區(qū)域。必須為該項目的工作人員配備防毒面具和隔絕氧自救器，同時也要裝配CD4有毒氣體監(jiān)測儀等，上述儀器配備到位后，才能重新施工。工作人員必須在上風向進行檢測，以保證其生命安全。

3.4.6? ?采空區(qū)事故的預防

本工程實施特殊作業(yè)專項負責制，設置各個項目的專業(yè)負責人。各負責人應該熟練掌握各種相關資料，詳細了解礦井里巷道的各種資料，盡早完成地下、地上施工情況的對比。及時更新工程使用的圖紙，完成場地的標定，設計并豎立警示標志。

已陷落周圍20m的區(qū)域為主要觀測對象，在其附近安放警示物，嚴禁閑雜人員滯留在此，實施挖掘作業(yè)時，若出現(xiàn)空洞必須馬上停止施工，遠離危險區(qū)域，等待下一步的指令。

對采空部位，利用鉆機探測的同時進行采裝。在采空區(qū)上層覆蓋度不達標時，器械設備不能跨越舊巷和采空區(qū)，避免工作人員器械陷落進去。

采空部位上部覆蓋超過規(guī)定時，可以跨越舊巷和采空區(qū)，但需全程觀測。為精確了解該區(qū)域的部位，應使用鉆機進行穿孔前探，合格后采裝器械才可入場施工。

3.4.7? ?應對地質災害

聘請專業(yè)檢測部門進一步完成地震的檢測，針對已發(fā)生的地質損害，必須使用有效手段加快其生態(tài)恢復。

3.4.8? ?煤遇空氣后發(fā)生自燃火災的預防和處理

煤層暴露在空氣中，極易發(fā)生自燃現(xiàn)象，為確保采礦施工不中斷，防止煤礦自燃現(xiàn)象，必須掌控煤層頂部暴露大小。完成爆破操作后，要第一時間完成清理。已經(jīng)燃燒的部分物體，必須獨立、直接從現(xiàn)場運走。如果發(fā)生自燃火情，必須使用水澆、沙覆隔離等方式進行滅火。

3.4.9? ?高溫隱患的預防和處理

使用專業(yè)的測溫儀器對溫度進行測量，并選擇正確的、合適的降溫方法進行降溫。

4? ?結束語

煤礦開挖造成采空區(qū)域地面塌陷，不僅會對其四周的土層以及生態(tài)產(chǎn)生嚴重破壞，還會對其區(qū)域范圍的建筑、地下水造成了非常嚴重的影響，同時伴隨著地質災害。貫徹“因地制宜、統(tǒng)一規(guī)劃，沉陷區(qū)實施可持續(xù)發(fā)展”的原則，進行科學治理，可最大限度降低地面塌陷對采空區(qū)域附近的環(huán)境破壞，使該區(qū)域遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)得以改善。

參考文獻

[1] 王棟良.活性炭測氡和瞬變電磁法在煤礦采空區(qū)探測中的應用[J].工程建設與設計，2020（16）：244-245.

[2] 羅國平，魏鳳英.瞬變電磁法磁場及其視電阻率研究[J].中國煤田地質，2000（2）：61-63.

[3] 胡學飛.采空區(qū)光伏電站基礎及支架方案設計[J]，工程建設與設計，2019（17）：37-40.

[4] 崔俊杰，王凱，雷星，等.某淺埋偏壓鐵路隧道變形綜合治理及監(jiān)測研究[J].鐵道標準設計，2022（9）：116-122.