王 巖

（同煤集團(tuán)云岡礦，山西 大同 037017）

同煤集團(tuán)云岡礦位于大同市西郊，是一座設(shè)計(jì)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(zhuǎn)，該煤礦增加了煤炭的開采量。井下開采強(qiáng)度的增加導(dǎo)致采空區(qū)數(shù)量增多、面積擴(kuò)大，造成的地質(zhì)災(zāi)害安全隱患令人堪憂，嚴(yán)重破壞周邊的生態(tài)和環(huán)境，對周邊的人民生活造成嚴(yán)重影響。本文主要是對云岡礦采空區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，采用地質(zhì)測繪、地質(zhì)調(diào)查、物探勘察、鉆探驗(yàn)證綜合技術(shù)對該礦采空區(qū)“三帶”進(jìn)行有效判斷，并提出了科學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害治理方案。

1 工程概況

1.1 概況

井田內(nèi)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(dāng)前主要開采煤層為5#、7#、11#煤。 5#煤厚度5m左右，由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成 ；7#煤厚度4m左右，主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖成 ；11#煤厚度6m左右，主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖組成。

1.2 云岡礦地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀分析

當(dāng)前云岡礦采空區(qū)的數(shù)量和面積不斷擴(kuò)大增多，極易發(fā)生采空區(qū)塌陷事故，嚴(yán)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(yán)重影響，主要表現(xiàn)如下：

（1）地面塌陷事故較為嚴(yán)重，已影響數(shù)十個(gè)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(kuò)大，導(dǎo)致井下巷道變形嚴(yán)重，致地面村莊建筑物受到相應(yīng)的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)共有150戶村民的房屋受損，需要修復(fù)或進(jìn)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(jìn)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(dǎo)致破壞含水層，影響村民用水。

（4）因采煤作業(yè)導(dǎo)致井水干涸、水源污染，導(dǎo)致土地?zé)o法耕種，造成水土流失。

2 采空區(qū)地質(zhì)勘察分析

2.1 地形圖測繪

對云岡礦采空區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘探，掌握地質(zhì)勘探的實(shí)況，繪制采空區(qū)地形圖，為后期地質(zhì)災(zāi)害的治理工作提供理論依據(jù)。同時(shí)采用GPS數(shù)字化測圖技術(shù)，有效提高測試的精度和精準(zhǔn)性。

2.2 地質(zhì)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查是采空區(qū)勘察工作的基礎(chǔ)，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(yán)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(zhì)調(diào)查工作。調(diào)查結(jié)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(shù)對地質(zhì)情況進(jìn)行勘察驗(yàn)證，明確采空區(qū)的具體分布，有針對性地提出地質(zhì)災(zāi)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(diǎn)108個(gè)?？傮w測量結(jié)果表明：采空區(qū)深度約為135m，地質(zhì)災(zāi)害治理的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)榇迩f的東南區(qū)域。

2.4 鉆探驗(yàn)證

要進(jìn)一步采用鉆探驗(yàn)證來確認(rèn)采空區(qū)的治理位置。鉆探方案：4個(gè)鉆探孔，5組煤層頂板試驗(yàn)。結(jié)果表明，地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域?yàn)榇迩f的東南區(qū)域，地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

3 采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的情況分析

通過地質(zhì)勘察可知，云岡礦采空區(qū)的地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)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(dá)1.25km2，因受到F9、F12斷層的影響，采空區(qū)的面積不斷擴(kuò)大，有較為嚴(yán)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(jìn)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(jī)械化采煤法。

4 采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理方案設(shè)計(jì)

4.1 災(zāi)害治理

通過對云岡礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型分析，結(jié)合施工的相關(guān)要求，對該礦的地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計(jì)采用填充灌漿法進(jìn)行治理。設(shè)計(jì)確定注漿孔孔距參數(shù)、排距參數(shù)、注漿孔的布設(shè)形式后，通過注漿泵、注漿管將細(xì)骨料、粉煤灰以及水泥等材料進(jìn)行注漿，并進(jìn)行固化，起到治理采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的效果。

4.2 注漿工藝

（1）測量放點(diǎn)。因煤礦采空區(qū)為復(fù)雜工程測區(qū)，采用全站儀設(shè)備來進(jìn)行注漿孔的放樣測量，放點(diǎn)選擇低于500mm，根據(jù)工況及時(shí)調(diào)整，提高測量精度和準(zhǔn)確性。

（2）成孔要求。采用XY-4型巖芯鉆機(jī)實(shí)施鉆孔作業(yè)，參數(shù)設(shè)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(yīng)進(jìn)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(yàn)確定，攪拌時(shí)間設(shè)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(jìn)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(jìn)行注漿方案。

（5）確定合理施工順序：帷幕先導(dǎo)孔—跳孔灌漿施工。

（6）灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)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(zhì)量

在對該煤礦采空區(qū)采用填充灌漿法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的治理工作完成1個(gè)月后，對填充灌漿法實(shí)施中的灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢查驗(yàn)收，主要檢查驗(yàn)收的方案如下。

（1）進(jìn)行檢查驗(yàn)收時(shí)，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(nèi)，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(shù)對漿液結(jié)石率進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，漿液結(jié)石率高達(dá)85%，漿液結(jié)石強(qiáng)度為1.5MPa，能確保形成足夠的結(jié)石體填充空洞和裂縫。

（3）確定填充灌漿法灌漿質(zhì)量符合要求后，用水泥砂漿將鉆孔封填密實(shí)。

4.4 注意事項(xiàng)

（1）在對礦區(qū)地面裂縫進(jìn)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(shí)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(jìn)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(shí)況對漿液濃度、灌漿量進(jìn)行調(diào)整。

（4）在注漿作業(yè)過程中如出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，及時(shí)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(shù)方案來對采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理效果進(jìn)行分析研究。針對采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理的情況設(shè)計(jì)四行九列共計(jì)24個(gè)變形監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)分布圖

該項(xiàng)目的監(jiān)測周期為10個(gè)月，在對采空區(qū)進(jìn)行填充灌漿法治理施工的前期和施工完成時(shí)，必須完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，同時(shí)在隨后按10個(gè)月為觀測周期。監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 監(jiān)測結(jié)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(jìn)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(zhì)災(zāi)害的可能性極小，對云岡礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害采取的方案是合理可行的。

6 結(jié)論

在對云岡礦地質(zhì)概況分析的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)測繪、地質(zhì)調(diào)查、物探勘察、鉆探驗(yàn)證的技術(shù)有效地確定了采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的治理區(qū)域，有針對性地設(shè)計(jì)了采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理方案。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了合適的灌漿方法和灌漿濃度，灌漿質(zhì)量檢查結(jié)果理想，可以有效地防止采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。