荊和平

（山西冶金巖土工程勘察總公司，太原 030002）

1 山西煤礦采空區(qū)基本概況

山西省是典型的煤炭資源大省，全省119個(gè)縣（市區(qū)）中有85個(gè)縣（市區(qū)）有煤炭資源，含煤地層覆蓋面積50 600 k m2，約占全省面積的36%。埋深在2 000 m以內(nèi)的煤炭資源總量為6 460×108t，預(yù)測資源量3 900×108t，2003年已經(jīng)形成了4.5×108t／a以上的生產(chǎn)規(guī)模，共有六大煤田8個(gè)煤產(chǎn)地，六大國有煤炭企業(yè)，85個(gè)地方煤炭企業(yè)，3 360座煤礦。

山西省采煤沉陷地質(zhì)災(zāi)害是全國最嚴(yán)重省份，山西采煤形成的采空區(qū)已達(dá)到5 000 k m2，相當(dāng)于山西1／8的國土面積，塌陷面積約3 000 k m2，受災(zāi)人口300萬。山西省國土資源廳提供的最新礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查結(jié)果顯示，全省因采礦活動(dòng)引發(fā)的崩塌、滑坡有754處，影響面積9 333 h m2，地面塌陷多達(dá)2 976處，影響面積6.67×104h m2以上，僅2010年因礦山開發(fā)導(dǎo)致的地面塌陷及采礦場破壞土地就達(dá)1.373×104h m2，其中8 660 h m2是耕地。對于水資源破壞，每生產(chǎn)1 t煤破壞2.54 m3水資源量，由于采煤造成的礦區(qū)漏斗，導(dǎo)致井泉水位下降或斷流共計(jì)3 218個(gè)，影響水利工程433個(gè)，造成1 687個(gè)村莊人畜飲水困難。鐵路（高鐵）、公路建設(shè)運(yùn)行受到嚴(yán)重影響，地面造成崩塌、滑坡和建筑物破壞。山西省目前計(jì)劃參考國有重點(diǎn)煤礦采煤沉陷區(qū)治理標(biāo)準(zhǔn)，從2014年到2020年基本完成全省采煤沉陷區(qū)治理任務(wù)。

2 山西煤礦采空區(qū)工程地質(zhì)特征

2.1 山西煤礦的地層特征

山西的煤炭資源，由于成煤前后多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和改造，形成了特別的空間展布格局。在山西省境內(nèi)，按地質(zhì)構(gòu)造、地理位置及規(guī)模大小，主要?jiǎng)澐譃榇笸幬?、河?xùn)|、西山、霍西、沁水六大煤田。山西省含煤地層沉積多樣。在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展的不同階段，發(fā)育了石炭系太原組和山西組、侏羅系中統(tǒng)大同組、白堊系下統(tǒng)中莊鋪群羊頭崖組、下第三系漸新統(tǒng)白水組、繁峙玄武巖區(qū)等各具特色的含煤地層。其中山西組和太原組遍及全省六大煤田，大同組僅分布于大同煤田和寧武煤田中段，其他含煤地層只在局部地區(qū)出現(xiàn)。

2.1.1 石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）

連續(xù)沉積于中統(tǒng)本溪組之上，地層厚度一般為80～120 m，最大厚度140 m（陽泉），最小厚度20 m（鄉(xiāng)寧），總體變化趨勢是晉中一帶厚，晉北、晉南薄。巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和砂巖為主，夾5～8層石灰?guī)r，含煤8～13層。

2.1.2 石炭系上統(tǒng)山西組（C3s）

連續(xù)沉積于太原組之上，地層厚度一般為40～60 m，最大厚度120 m（大同），最小厚度20 m（陵川），總體變化趨勢是北厚南薄。巖性以深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和灰白色中粗粒砂巖為主，含煤3～9層。

2.1.3 侏羅系中統(tǒng)大同組（J2d）

分布于大同煤田北部和寧武煤田中部，連續(xù)沉積于下統(tǒng)永定莊組之上，為一套河湖環(huán)境下形成的陸相含煤建造。地層厚度一般為180～200 m，最大厚度240 m，最小厚80 m。巖性以灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和灰白色中粗粒砂巖為主，大同煤田含煤11個(gè)煤層21個(gè)可采煤層，寧武煤田含可采煤層2層。

2.2 山西煤礦煤層及主要可采煤層的分布特征

山西組和太原組共含煤13～18層，一般可采煤層4～8層。其中太原組含煤3～10層，一般可采煤層2～5層；山西組含煤3～9層，一般可采煤層2～4層。大同煤田大同組11個(gè)煤層穩(wěn)定可采煤層7層；寧武煤田大同組3個(gè)煤層穩(wěn)定可采煤層3層。

2.3 山西典型煤礦采空區(qū)的地層特點(diǎn)

山西煤礦采空區(qū)由于地區(qū)不同，其地層特點(diǎn)有很大差別，下面對幾個(gè)典型地區(qū)煤礦采空區(qū)特點(diǎn)簡單作一介紹：

2.3.1 晉城地區(qū)西陳莊煤礦

該礦位于山西省晉城市西北，周圍有晉煤集團(tuán)成莊煤礦和王坡煤礦，該場區(qū)煤層特征主要是含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和山西組。

地層總厚137.87 m，含煤14～16層，煤層總厚12.88 m，含煤系數(shù)9.28%。其中太原組平均厚90.36 m，含煤11層，為5～15號(hào)煤層，煤層平均總厚度6.48 m，含煤系數(shù)7.17%。15號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡單，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤；9號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡單，較穩(wěn)定，局部可采煤層；其他煤層為不穩(wěn)定、不可采煤層。9號(hào)煤層位于太原組三段下部，煤層厚度0.28～1.36 m，為局部可采煤層，煤層直接頂板為灰至黑色泥巖。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，層位比較穩(wěn)定，9號(hào)煤層目前沒有采動(dòng)。15號(hào)煤層位于太原組一段頂部，厚2.33～4.79 m，平均厚3.66 m，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層直接頂板和老頂為K2灰?guī)r，煤層頂部有0.05～0.5 m泥巖偽頂，底板多為深灰色泥巖，少數(shù)為粉砂質(zhì)泥巖或者含黃鐵礦泥巖。煤層結(jié)構(gòu)簡單，含2～4層夾矸，厚0.02～0.76 m。15號(hào)煤上距9號(hào)煤36 m左右，上距3號(hào)煤85～90 m。15號(hào)煤含硫較高，俗稱“臭煤”。15號(hào)煤目前沒有采動(dòng)。

山西組平均厚47.58 m，含煤4層，為1～4號(hào)煤層，煤層平均總厚度6.40 m，含煤系數(shù)13.45%。3號(hào)煤位于山西組下部，是目前勘察區(qū)及周邊礦區(qū)主要開采目的層。

2.3.2 太原市化客頭村煤礦采空區(qū)

該礦位于西山煤田內(nèi)，面積4.85 k m2，居民區(qū)2 k m2，有1個(gè)大礦和4個(gè)小礦在周邊采煤，屬太原西山中低山區(qū)。山體多由石炭、二疊系砂巖組成，主采太原組和石炭組。

太原組由灰白、灰色砂巖和石灰?guī)r及灰黑色泥頁巖組成，夾兩層可采煤層（自上而下為8號(hào)9號(hào)）。總厚度約95 m，在化客頭村一帶呈隱伏狀，埋藏深度12～20 m。8號(hào)煤（俗稱十五尺煤）厚3.36～3.69 m，底板標(biāo)高1 223～1 245 m，頂板巖性為致密石灰?guī)r（廟溝灰?guī)r），厚2 m左右。9號(hào)煤（俗稱八尺煤）在8號(hào)煤以下1 m左右，厚3 m，頂板為頁巖、砂質(zhì)頁巖。

山西組由灰白色砂巖、灰黑色泥頁巖、砂質(zhì)泥巖組成，夾兩層可采煤層（自上而下為2號(hào)3號(hào)）?？偤穸燃s40 m，2號(hào)煤（俗稱九尺煤）在村子的西北和西南，厚3.6 m左右，底板標(biāo)高1 320 m。3號(hào)煤（俗稱十八尺煤）在2號(hào)煤以下2.5 m左右，厚3.4 m，頂板為砂質(zhì)頁巖。

2.3.3 大同同煤集團(tuán)的大斗溝煤礦和晉城晉煤集團(tuán)的北石店煤礦

這兩個(gè)煤礦煤層上部頂板存在巨厚砂巖或者灰?guī)r，下部采空區(qū)開采后形成大范圍地下空間，甚至多輛汽車可以在地下同時(shí)行駛運(yùn)輸。

雖然采空區(qū)空間很大，采空區(qū)上部頂板脫離下部煤層支撐產(chǎn)生彈塑性彎曲變形，仍然支撐著上覆地層的自重荷載，處于彎曲下沉狀態(tài)；根據(jù)理論計(jì)算，頂板破壞塌落，頂板的極限跨度計(jì)算式如圖1所示。

圖1 巖梁受力狀態(tài)

在圖1中，作用于巖梁的有效荷載為q；R為支撐反力；q為基巖控制層之上的等效荷載；d為巖梁厚度；l為巖梁長度，其值小于巖梁斷裂臨界長度時(shí)，基巖屬于彎曲型下沉。根據(jù)彈性力學(xué)理論，固定梁最大拉應(yīng)力發(fā)生在梁最下部中點(diǎn)：

式中，σmax為梁最下部最大拉應(yīng)力。當(dāng)σmax＞St（St為巖梁的抗拉強(qiáng)度）時(shí)，巖梁將被拉裂，則巖梁的極限跨度l0為：

可以看出，頂板破壞與頂板厚度關(guān)系極大，與頂板巖層抗拉強(qiáng)度、頂板上覆荷載也有關(guān)系，而這兩個(gè)礦區(qū)采空區(qū)的頂板巖層厚度都達(dá)到20～40 m，計(jì)算頂板極限跨度是十分可觀的；而一旦采空區(qū)超過這個(gè)極限跨度，采空區(qū)就進(jìn)入斷裂下沉狀態(tài)，采空區(qū)頂板產(chǎn)生斷裂沉陷，塌陷范圍大，地面變形劇烈，突發(fā)性強(qiáng)，造成的生命財(cái)產(chǎn)損失難以估量。

2.3.4 山西省呂梁臨縣龐龐塔煤礦

該采空區(qū)上部有巨厚的黃土覆蓋，是山西省濕陷性黃土的最重要分布地區(qū)，這些地區(qū)地表沖溝發(fā)育強(qiáng)烈，溝壑縱橫，形成高山陡坡，地下采空使陡坡失去下臥支撐，采空上部覆巖拉伸變形使地表產(chǎn)生裂縫，破壞了陡坡連續(xù)性，引起采動(dòng)滑坡；地下采空形成的陡坡地表裂縫，在雨水下滲到軟弱層（面）如黃土古土壤層、泥巖、軟質(zhì)頁巖、斷層破碎帶、基巖風(fēng)化面等，軟弱面吸水軟化，抗剪強(qiáng)度大大降低，重度增加，引起采動(dòng)滑坡。

圖2 牽引式采動(dòng)

圖3 推移式采動(dòng)

采動(dòng)引起的山體滑坡，根據(jù)采空區(qū)位于坡體位置、采空區(qū)采動(dòng)方向，形成采空區(qū)采動(dòng)引起的牽引式滑坡和推移式滑坡，其中推移式開采（下山開采）對地表的影響和發(fā)生的頻率要比牽引式開采（上山式開采）大的多。圖3是典型的采動(dòng)推移式滑坡，圖2是典型的采動(dòng)牽引式滑坡。

3 山西煤礦采空區(qū)勘察特點(diǎn)

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查特點(diǎn)

山西煤礦采空區(qū)在大部分地區(qū)都是以小窯開采為主，開采主體為當(dāng)時(shí)的村辦煤礦和集體企業(yè)，開采過程沒有技術(shù)設(shè)計(jì)或者不按設(shè)計(jì)開采，掠奪式的高強(qiáng)度開采，筆者了解到有許多村辦集體企業(yè)，竟然用地下煤礦資源，作為債務(wù)償還，允許債權(quán)人定期隨意開采煤礦資源。不可避免出現(xiàn)越界開采、無序開采，十幾年或者幾十年后對于地下開采范圍和開采方式一無所知，難以收集到有用的采空區(qū)資料，給勘察治理工作帶來巨大困難。

山西地區(qū)普遍存在的小窯采空區(qū)具有采深小、地表變形劇烈、變形不連續(xù)；由于一般是人工開挖，采空范圍小，采深一般50 m以內(nèi)，也有達(dá)到100 m左右，平面延伸達(dá)100～150 m，以巷道采掘?yàn)橹?，向兩邊開挖支巷道，一般呈網(wǎng)格狀分布或無規(guī)律，單層或2～3層交錯(cuò)，巷道高度一般2～3 m，大多不支撐或臨時(shí)支撐，任其自由垮落。地表變形特征是：

采空范圍狹窄，地表不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)盆地。但由于開采深度小，采深采厚比很小，又任其自由垮落，因此，地表變形劇烈，大多產(chǎn)生較大的裂縫和塌陷坑。

地表裂縫的分布常與開采工作面的前進(jìn)方向平行，隨開采工作面的推進(jìn)，裂縫也不斷向前發(fā)展，形成相互平行的裂縫，裂縫一般上寬下窄，局部出現(xiàn)臺(tái)階狀下沉或“地塹”式塌陷等非連續(xù)破壞，在此破壞模式下，覆巖不存在“三帶”特征，覆巖呈“斷陷”、“切冒”型破壞，地表沉陷以突然形成的不規(guī)則塌陷坑為主。

3.2 工程鉆探方法特點(diǎn)

山西煤礦采空區(qū)勘察進(jìn)行的工程鉆探，除應(yīng)滿足一般工程地質(zhì)地層描述要求以外，重點(diǎn)要描述采空區(qū)冒落帶、裂隙帶、彎曲帶等三帶位置和特征，所有鉆孔應(yīng)全孔取芯，鉆探每個(gè)回次進(jìn)尺不得大于2 m，巖芯采取率在冒落帶和裂隙帶分別不得小于30%和50%。鉆孔直徑應(yīng)滿足巖芯試驗(yàn)和孔內(nèi)測試要求，不得小于90 mm。

單層厚度為0.5～2.0 m的地層應(yīng)取樣一件，厚度大于2.0 m時(shí)，每隔2.0 m取樣一件；樣品除應(yīng)做常規(guī)物理試驗(yàn)外，土樣應(yīng)加做剪切試驗(yàn)，巖石加做飽和單軸抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)；鉆孔或礦井中采取的地下水應(yīng)做簡分析，評價(jià)其對注漿材料的腐蝕性。

鉆探描述重點(diǎn)對孔深、巖性、巖體破碎程度、塌孔、漏失及掉鉆現(xiàn)象進(jìn)行描述；對鉆孔資料進(jìn)行分析、判定礦層年代、編號(hào)、層數(shù)，并確認(rèn)開采情況。

3.3 地球物理勘察特點(diǎn)

山西省的煤礦采空區(qū)，由于現(xiàn)場地形地質(zhì)條件、采空區(qū)埋深不同，采用高密度電法、瞬變電磁法、地震反射波法、瞬態(tài)面波法等方法。

在工程物探測試前，要根據(jù)現(xiàn)場已知采空區(qū)情況或者鉆探驗(yàn)證情況，選定物探方法，首先要進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)勘察區(qū)地層條件，采空區(qū)充水、松散物質(zhì)充填情況，根據(jù)已知采空區(qū)邊界和物探采空區(qū)邊界參數(shù)異常，確定參數(shù)異常范圍，然后才能對物探結(jié)果進(jìn)行解譯；而不能用其他礦區(qū)的物探測試參數(shù)對新采空區(qū)進(jìn)行解釋。對于測試結(jié)果，要分析剔除高壓電線、地下管線、散游電流和電磁干擾，例如采用瞬變電磁法，要綜合考慮煤層采空后，導(dǎo)致覆巖中應(yīng)力發(fā)生變化，巖層發(fā)生變形，地下水滲漏匯集，采空區(qū)松散物質(zhì)充填，使電阻率比正常狀態(tài)下顯著降低，呈現(xiàn)“高電壓，低電阻率”的采空區(qū)異常；而對于比較大空間的未充水采空區(qū)，可能出現(xiàn)“高電阻率”的采空區(qū)異常。

在勘察工作中，要根據(jù)具體情況，確定不同的采空區(qū)異常標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí) 要根據(jù)鉆探探測結(jié)果，對物探測試結(jié)果及時(shí)進(jìn)行修正調(diào)整，使物探測試成果盡可能符合采空區(qū)分布實(shí)際。更加準(zhǔn)確劃定采空區(qū)范圍和分布深度。

3.4 其他勘察方法

在山西省煤礦采空區(qū)勘察中，還經(jīng)常采用孔內(nèi)注水試驗(yàn)、綜合測井、孔內(nèi)攝像和跨孔波速測試及放射性探測等等方法。

4 山西煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析

不同的采煤方法形成的采空區(qū)各不相同，對于上覆巖層的穩(wěn)定性影響和所導(dǎo)致的地面塌陷也各不相同。山西省多年來在煤炭開采方面主要有長壁垮落法、短壁垮落法、房柱和巷柱式、條帶或充填法采煤方法。

煤層開采后形成的采場空間，必然會(huì)引起圍巖的位移、開裂、斷裂直至破碎冒落；采動(dòng)破壞分為垮落性破壞和開裂性破壞兩種。當(dāng)有規(guī)律性開采，比如長壁采煤，造成采高大致相同的采出空間，它的采動(dòng)影響在垂直剖面上是以采場為中心，以頂?shù)装迕罕跒槠瘘c(diǎn)向四周擴(kuò)展，并逐漸減弱或消失，因而它具有一定的分帶性，并且比較有規(guī)律，在地表形成較明顯的移動(dòng)盆地。但是對于較多出現(xiàn)的以落垛、托煤頂?shù)刃「G采煤方法為代表的采場，采高很不均勻，常常由于局部采高超出斷層而向說“抽冒”，采出空間很不規(guī)則，覆巖的采動(dòng)破壞在垂直剖面上不具備分帶性。之類破壞在局部地點(diǎn)可以像寶塔一樣向上發(fā)展直達(dá)地表，形成漏斗狀陷坑。地表形成塌陷坑和大量地面裂縫。

山西的煤礦采空區(qū)在許多地區(qū)是兩層或多層采空，而目前的穩(wěn)定性分析主要是單層采空分析，對于多層采空的疊加影響，在理論分析方法上，還沒有完善。

5 山西煤礦采空區(qū)治理方法及建議

采空區(qū)的破壞形式主要是地面塌陷和地面裂縫，造成地面傾斜、地面彎曲和水平移動(dòng)，建筑物的上部結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和基礎(chǔ)形式，對于避免建筑物的沉降、傾斜、差異沉降至關(guān)重要；對于樁基礎(chǔ)，還可能引起負(fù)摩擦力。

山西的煤礦采空區(qū)治理方法主要包括注漿法、干（漿）砌支撐法、開挖回填法、巷道加固法、強(qiáng)夯法和跨越法。

注漿法是最常用的治理方法，適用于煤層開采后頂板發(fā)生嚴(yán)重垮塌或經(jīng)穩(wěn)定性評價(jià)處于不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定的采空區(qū)。建議采用注漿法時(shí)在采空區(qū)治理范圍的邊緣部位應(yīng)布置帷幕孔，在采空區(qū)臨近生產(chǎn)的礦井巷道或臨近廢棄的礦井巷道修建止?jié){墻，避免漿液流失。在一些地區(qū)存在采空區(qū)充水、積水和流動(dòng)地下水的情況，漿液充填方法由于被稀釋和沖走，難以凝固。建議注漿前先充填部分粗骨料以充填部分空間，增強(qiáng)注漿效果。

干（漿）砌支撐法實(shí)用于采空區(qū)未完全塌落、空間較大、埋深淺、通風(fēng)良好并具備人工作業(yè)和材料運(yùn)輸條件的采空區(qū)。建議構(gòu)造物地下采空區(qū)采用漿砌片石全部砌筑，路基采空區(qū)采用干砌片石部分砌筑。

開挖回填法適用于挖方地基規(guī)模較小采空區(qū)，埋深小于6 m，上覆頂板完整性差、巖體強(qiáng)度低、易于開挖的采空區(qū)。建議地基回填后采用強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)，地基穩(wěn)定后方可施工上部建筑。

巷道加固法適用于正在使用的生產(chǎn)、通風(fēng)、運(yùn)輸巷道，廢棄巷道等。建議對于使用巷道在不影響巷道使用功能的情況下對巷道進(jìn)行加固，對于廢棄巷道，采用注漿或干（漿）砌支撐法進(jìn)行加固。

強(qiáng)夯法適用于埋深小于10 m，上覆頂板穩(wěn)定性差、巖體強(qiáng)度低的采空區(qū)及采空區(qū)邊緣裂縫區(qū)的地表處理。建議強(qiáng)夯法要根據(jù)強(qiáng)夯影響深度強(qiáng)度單擊夯擊能。

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