林惠立，欒恒杰

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

淺埋房采采空區(qū)分布勘察及治理技術(shù)

林惠立1，欒恒杰2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：中國榆林等地區(qū)采用房柱式開采方法后遺留了大量采空區(qū)。隨著時(shí)間推移，因煤巖體長期風(fēng)化、蠕變而誘發(fā)采空區(qū)失穩(wěn)，產(chǎn)生大面積塌陷、颶風(fēng)以及礦震等嚴(yán)重災(zāi)害。因此，查明房采采空區(qū)潛在危險(xiǎn)源并進(jìn)行相應(yīng)治理具有重要意義。研究了淺埋房采采空區(qū)工程地質(zhì)特征，認(rèn)為厚表土層薄基巖型房采采空區(qū)上覆地層結(jié)構(gòu)分布范圍廣、危害性大。通過采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)研和EH4大地電磁法勘察技術(shù)探明了研究區(qū)域內(nèi)采空區(qū)的范圍和面積、采空區(qū)內(nèi)積水區(qū)以及自然發(fā)火區(qū)等的分布情況。通過對比分析選取注漿隔離技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)治理并確定了各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，預(yù)防了采空區(qū)災(zāi)害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：房采采空區(qū)；分布勘察；EH4大地電磁法；治理技術(shù)

中國榆林等地賦存豐富的淺埋煤炭資源，煤層賦存深度小、地質(zhì)情況一般較為簡單，在進(jìn)行現(xiàn)代化大規(guī)模開發(fā)利用之前主要采用房采等較為落后的采煤方法，留下大量房采采空區(qū)。隨著時(shí)間的推移，遺留在井下的部分煤柱自然風(fēng)化、蠕變、破裂，往往導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)破壞，并波及相鄰煤柱，最終使整個(gè)采空區(qū)系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)災(zāi)變，造成采空區(qū)大面積塌陷，對井下工作人員及開采設(shè)備設(shè)施造成威脅，甚至引發(fā)礦震災(zāi)害。因此，查明可能會被觸發(fā)的房采采空區(qū)潛在危險(xiǎn)源并進(jìn)行相應(yīng)治理具有重要意義。國內(nèi)學(xué)者對采空區(qū)失穩(wěn)模式和機(jī)理進(jìn)行了大量的研究[1]。黃英華等[2]對礦柱和采空區(qū)頂板的失穩(wěn)模式進(jìn)行了介紹，分析了礦柱和采空區(qū)頂板的破壞力學(xué)機(jī)理；羅一忠[3]從巖石力學(xué)角度對大面積采空區(qū)圍巖的失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析；李偉[4]對覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引發(fā)沖擊性災(zāi)害機(jī)理進(jìn)行了探討；蔡美峰等[5]針對大柳塔煤礦開采過程中出現(xiàn)大范圍垮落動力失穩(wěn)現(xiàn)象，通過現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析相結(jié)合進(jìn)行了系統(tǒng)研究；王家臣等[6]對房柱式開采采空區(qū)及煤柱情況的研究，提出某個(gè)煤柱首先破壞后，會產(chǎn)生連鎖破壞效應(yīng)。采空區(qū)處理問題一直是國內(nèi)外采礦行業(yè)普遍存在的技術(shù)難題[7]，采空區(qū)的處理應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，選擇合適的處理方法，同時(shí)在保障采空區(qū)穩(wěn)定的情況下，試驗(yàn)新的處理方法，以達(dá)到治理采空區(qū)的同時(shí)確保對環(huán)境的保護(hù)[8]。

以榆林某煤礦為工程背景，通過調(diào)研、現(xiàn)場勘察、理論分析以及方案對比等方法，對淺埋房采采空區(qū)的分布情況進(jìn)行勘察，并采取相應(yīng)的治理措施預(yù)防采空區(qū)災(zāi)害發(fā)生，取得了良好的效果。

1淺埋房采采空區(qū)工程地質(zhì)特征

我國賦存有大量埋深在150 m以內(nèi)的淺部煤田，如神府、東勝、靈武、黃陵等，最典型的是神府、東勝煤田。神東礦區(qū)開采區(qū)域大部分集中于埋深100～150 m的淺部，煤層的典型賦存特點(diǎn)是埋深淺、基巖頂板較薄、表土覆蓋層較厚。由于此類煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有明顯的特點(diǎn)，為了區(qū)別于其他煤層，通常將具有淺埋深、基巖薄、上覆厚松散層賦存特征的煤層稱為淺埋煤層[9]。根據(jù)榆林地區(qū)房式開采煤層覆巖特征參數(shù)，可將上覆地層分為厚表土層薄基巖、薄表土層厚基巖、厚表土層厚基巖三類[10]。

圖1　厚表土層薄基巖型示意圖

厚表土層薄基巖型上覆地層結(jié)構(gòu)分布范圍廣、危害性最大。如圖1所示，從上覆地層組成來看，該類地層基巖層較薄，一般小于20 m；沖積層較厚，一般在40 m以上，基載比小。由于沖積層厚度大、對基巖層施加了較大的荷載，使得基巖層的垮落步距較小，頂板極限懸頂面積也較小。此時(shí)，一旦房采采空區(qū)內(nèi)部分煤柱失穩(wěn)，失去對頂板的支撐能力，失穩(wěn)面積達(dá)到一定值時(shí)會造成基巖層頂板失穩(wěn)，將導(dǎo)致其自身及其上覆表土層全部垮落，直到地表，其來壓強(qiáng)度大，沖擊危險(xiǎn)性高。

2淺埋房采采空區(qū)分布勘察

2.1采空區(qū)分布概況

榆林市經(jīng)幾十年的開采已經(jīng)形成了分布廣泛、大小不一和難以計(jì)數(shù)的采空區(qū)。早期小窯、小煤礦星羅棋布，礦井開挖無設(shè)計(jì)、無圖紙、無記錄，大部分煤礦遺留下來的采空區(qū)范圍和狀態(tài)沒有完整、詳細(xì)的記錄和數(shù)據(jù)。有些采空區(qū)已部分塌陷，有些還沒有塌陷，有些采空區(qū)存在著大量積水，有些采空區(qū)還發(fā)生自燃，已經(jīng)形成的塌陷和隨時(shí)可能塌陷的采空區(qū)也已經(jīng)或必將引起該地區(qū)嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問題。

為劃定合理的勘查區(qū)域，首先對選取的研究區(qū)域進(jìn)行了調(diào)查，根據(jù)收集到的資料，研究區(qū)域開采單一煤層5-2煤，煤層厚度3.83～4.50 m，平均厚度為4.15 m，埋深15～130 m。目前5-2煤大部已開采完，采5 m留8 m。

2.2EH4大地電磁法勘察

在對采空區(qū)分布初步調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用EH4大地電磁法對研究區(qū)采空區(qū)內(nèi)情況進(jìn)行勘察，并采用專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)IMAGEM二維反演軟件進(jìn)行資料處理，勘察中共布置47條測線。在資料精細(xì)處理的基礎(chǔ)上，對電阻率剖面進(jìn)行地質(zhì)解釋，并參考已往地質(zhì)資料及煤礦開采情況，根據(jù)地層、采空區(qū)的電性特征，形成了各測線的反演電阻率色譜斷面圖，部分圖如圖2和圖3所示。依據(jù)不同地質(zhì)異常的電阻率特征，對每一剖面進(jìn)行地質(zhì)解釋，圈定了5-2煤采空區(qū)范圍。

圖2顯示，5-2煤及直接頂?shù)装鍘r層段電阻率65～100 Ω·m，沿煤層層位及上覆巖層形成了一定范圍的高電阻率異常帶，具有采空區(qū)電性異常特征或煤層自燃形成的火燒區(qū)的電性異常特征；120～240 m樁號段，5-2煤及直接頂?shù)装鍘r層段電阻率55～65 Ω·m，沿煤層層位為相對較高的電阻率異常帶，具有采空區(qū)電性異常特征或煤層自燃形成的火燒區(qū)的電性異常特征，異常幅度明顯弱于0～120 m樁號段，綜合參考礦方提供的已知地質(zhì)資料，推斷0～120 m樁號段為房式開采形成的采空區(qū)，120～240 m樁號段為煤層自燃形成的火燒區(qū)，該測線異常為可靠異常。

圖2　測線L11反演電阻率斷面圖

圖3　測線L13反演電阻率斷面圖

圖4　研究區(qū)域采空區(qū)分布圖

由圖3可見，5-2煤及直接頂?shù)装鍘r層段電阻率小于30 Ω·m，沿煤層層位出現(xiàn)一條帶狀低電阻率異常帶，具有采空區(qū)積水的電性異常特征，推斷測線0～40 m樁號段5-2煤為采空區(qū)積水區(qū)，為可靠異常；40～340 m樁號段，5-2煤及直接頂?shù)装鍘r層段電阻率大于100 Ω·m，其中160～220 m樁號段電阻率超過300 Ω·m，沿煤層層位出現(xiàn)一條帶狀高電阻率異常帶，具有采空區(qū)弱積水的電性異常特征，推斷測線40～340 m樁號段5-2煤已開采，存在頂板垮落現(xiàn)象，為可靠異常。

根據(jù)測線L1～測線L47二維反演電阻率斷面所呈現(xiàn)的地質(zhì)電性異常特征解釋，查清了5-2煤和采空區(qū)分布范圍和積水情況：

1)在本次劃定的物探區(qū)內(nèi)，查出5-2煤采空區(qū)4個(gè)，總面積903 200 m2，如圖4所示，其中1#采空區(qū)面積16 600 m2，2#采空區(qū)面積160 700 m2，3#采空區(qū)面積285 700 m2，4#采空區(qū)面積439 300 m2。

2)5-2煤采空區(qū)大部分區(qū)域?yàn)楦唠娮栊援惓Ｌ卣?積水程度弱)，各測線所顯示的采空區(qū)異常具有較高的可靠度。根據(jù)各測線采空區(qū)異常分布特點(diǎn)，5-2煤開采規(guī)律性差，有的區(qū)段開采面積大，煤層頂板垮落范圍較大，有的區(qū)段頂板垮落范圍較小，有的區(qū)段頂板基本未垮落。

3)3#采空區(qū)內(nèi)存在積水區(qū)，面積35 280 m2，火燒區(qū)分布于物探區(qū)東北部，面積204 643 m2。

3淺埋大面積房采采空區(qū)治理技術(shù)

3.1采空區(qū)治理方案的選取

目前，采空區(qū)隱患綜合治理主要有采空區(qū)地面注漿治理技術(shù)、采空區(qū)殘留煤柱充填回收技術(shù)、采空區(qū)露天剝離治理技術(shù)和未塌采空區(qū)頂板崩落治理技術(shù)等，每種方法都有其適用條件。對于不存在近距離下層煤開采的房采采空區(qū)，注漿隔離治理法費(fèi)用低，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，因此優(yōu)先選用；對于存在近距離下層煤開采且地表無建(構(gòu))筑物的房采采空區(qū)，在滿足條件的前提下，可以考慮采用頂板崩落隔離法治理。對于地表不存在重要建(構(gòu))筑物的采空區(qū)治理的目標(biāo)在于防止采空區(qū)大面積突然垮落形成礦震災(zāi)害，不需要對采空區(qū)全空間注漿或崩落。

由于研究區(qū)域房式開采時(shí)間較長且產(chǎn)權(quán)更迭等原因，除主要巷道及準(zhǔn)備巷道位置清楚外，采空區(qū)已封閉。此外，根據(jù)勘探成果，采空區(qū)內(nèi)煤柱及頂板已局部垮落、存在積水、煤柱自燃等情況，殘留煤柱回收安全性差且成本過高，由此看來，該礦采空區(qū)不具備殘留煤柱回收的條件。根據(jù)礦方提供資料，研究區(qū)域5-2煤采空區(qū)平均埋深100 m，區(qū)內(nèi)溝壑遍布且上部無其他可采煤層，因此不適宜進(jìn)行露天剝離治理。根據(jù)上述情況，研究區(qū)域內(nèi)2#～4#采空區(qū)面積較大(遠(yuǎn)超過20 000 m2)，且部分區(qū)段頂板已垮落，而且存在積水、煤柱自燃等情況，為避免采空區(qū)突然塌陷可能會誘發(fā)地震等地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)綜合考慮決定對位于研究區(qū)域2#～4#采空區(qū)進(jìn)行注漿隔離治理。

3.2采空區(qū)注漿隔離治理工程

1)漿液配比

注漿隔離采用水泥風(fēng)積沙漿液進(jìn)行充填，漿液配比(質(zhì)量比)按水∶水泥∶粉煤灰∶風(fēng)積沙=1∶0.2∶0.2∶0.9，加入漿液體積3%～5%的水玻璃，注漿治理以靜注為主，當(dāng)注漿壓力孔口管壓力達(dá)到1.5 MPa，泵量小于100 L/min，穩(wěn)定15 min時(shí)，可結(jié)束該注漿段的注漿施工。注漿工程中可以根據(jù)各注漿孔實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

2)治理范圍

對研究區(qū)域房采采空區(qū)進(jìn)行注漿隔離治理，注漿隔離治理范圍如圖5所示。

3)鉆孔布置參數(shù)

以2萬m2為一個(gè)隔離單位進(jìn)行注漿隔離，以避免產(chǎn)生大面積垮塌，注漿鉆孔間距為40 m，雙排孔布置，排距為20 m，鉆孔注漿有效半徑為20 m，注漿后能形成50 m寬注漿作用墻體，以注漿墻外圍線為基準(zhǔn)圈定隔離采空區(qū)面積在2萬m2以內(nèi)即可，隔離區(qū)可以按照100 m×200 m設(shè)置，也可按照140 m×140 m設(shè)置，具體布置可根據(jù)各礦采空區(qū)分布形態(tài)調(diào)整，以達(dá)到實(shí)施最低工程量獲得最佳治理效果為原則，局部鉆孔布置如圖6所示。

3.3治理效果

注漿治理工程完成后，可通過檢測孔鉆探取芯，根據(jù)取芯結(jié)石體采取率和巖芯的破壞程度，可判斷漿液對采空區(qū)充填和膠結(jié)后的充填效果；對取芯結(jié)石體進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，可檢測其強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求；采用鉆孔電視可觀測鉆孔內(nèi)結(jié)石體情況。

在查清煤礦采空區(qū)分布范圍、采空區(qū)上方地表建(構(gòu))筑物分布情況以及采空區(qū)內(nèi)水、火、煤柱、頂板等情況的基礎(chǔ)上，綜合考慮對研究區(qū)域房采采空區(qū)的力學(xué)及數(shù)值計(jì)算以及安全評價(jià)的結(jié)果，采取相應(yīng)的注漿隔離治理技術(shù)，預(yù)防和控制采空區(qū)災(zāi)害發(fā)生，取得了良好的效果。

圖5　采空區(qū)綜合治理范圍及鉆孔布置圖

圖6　采空區(qū)注漿隔離法局部鉆孔示意圖

4結(jié)論

1)研究了淺埋房采采空區(qū)工程地質(zhì)特征，將榆林地區(qū)房采采空區(qū)上覆地層結(jié)構(gòu)分為厚表土層薄基巖型、薄表土層厚基巖型、厚表土層厚基巖型三種類型，認(rèn)為厚表土層薄基巖型房采采空區(qū)上覆地層結(jié)構(gòu)分布范圍廣、危害性大。

2)采用EH4大地電磁法，探明在劃定的物探區(qū)內(nèi)具有5-2煤采空區(qū)4個(gè)，總面積達(dá)903 200 m2。采空區(qū)內(nèi)有積水區(qū)、發(fā)火區(qū)以及頂板垮落區(qū)等的分布。

3)在上述研究成果的基礎(chǔ)上，通過方案比較確定了對2#～4#采空區(qū)進(jìn)行注漿隔離的治理方案。采取注漿隔離治理預(yù)防了采空區(qū)災(zāi)害發(fā)生，取得了良好效果。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Distribution Investigation and Governance Technology for Shallow Buried Room Mining Goaf

LIN Huili1,LUAN Hengjie2

(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:A large number of goafs were created after room and pillar mining in regions like Yulin in China.As time went by,the longtime weathering and creep deformation of coal-rock mass would induce goaf instability,causing serious disasters such as large area collapse,hurricanes and mine earthquakes.Therefore,it was of great significance to find out potential hazards of room mining goafs and take corresponding governance.This paper studied the engineering geological characteristics of room mining goafs,holding that there was a wide distribution of overlying strata in the thick overburden and thin bedrock type room mining goafs and the potential hazards were great.By investigating the present situation of goafs and by using the EH4 magnetotelluric method investigation technology,the goaf scope and area in the research area and the distribution of water-logged zones and spontaneous combustion ignition regions in the goaf were found out.Through contrastive analysis,the grouting isolation technology was chosen for the goaf governance and all technical parameters were determined.Thus,the occurrence of goaf disasters was effectively prevented.

Key words:room mining goaf;distribution investigation;EH4 magnetotelluric method;governance technology

收稿日期：2015-09-18

作者簡介：林惠立(1983—)，男，山東濱州人，博士，助理研究員，主要從事礦山壓力與控制、采空區(qū)治理等方面的研究. E-mail：linhuili3887734@163.com 欒恒杰(1989—)，男，山東煙臺人，博士研究生，主要從事采礦工程、巖土工程等方面的研究，本文通信作者. E-mail：luanjie0330@126.com

中圖分類號：TD82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)01-0048-06