山西煤矿采空区地层特征及勘察方法

荆和平

（山西冶金岩土工程勘察总公司，太原 030002）

1 山西煤矿采空区基本概况

山西省是典型的煤炭资源大省，全省119个县（市区）中有85个县（市区）有煤炭资源，含煤地层覆盖面积50 600 k m2，约占全省面积的36%。埋深在2 000 m以内的煤炭资源总量为6 460×108t，预测资源量3 900×108t，2003年已经形成了4.5×108t／a以上的生产规模，共有六大煤田8个煤产地，六大国有煤炭企业，85个地方煤炭企业，3 360座煤矿。

山西省采煤沉陷地质灾害是全国最严重省份，山西采煤形成的采空区已达到5 000 k m2，相当于山西1／8的国土面积，塌陷面积约3 000 k m2，受灾人口300万。山西省国土资源厅提供的最新矿山地质环境调查结果显示，全省因采矿活动引发的崩塌、滑坡有754处，影响面积9 333 h m2，地面塌陷多达2 976处，影响面积6.67×104h m2以上，仅2010年因矿山开发导致的地面塌陷及采矿场破坏土地就达1.373×104h m2，其中8 660 h m2是耕地。对于水资源破坏，每生产1 t煤破坏2.54 m3水资源量，由于采煤造成的矿区漏斗，导致井泉水位下降或断流共计3 218个，影响水利工程433个，造成1 687个村庄人畜饮水困难。铁路（高铁）、公路建设运行受到严重影响，地面造成崩塌、滑坡和建筑物破坏。山西省目前计划参考国有重点煤矿采煤沉陷区治理标准，从2014年到2020年基本完成全省采煤沉陷区治理任务。

2 山西煤矿采空区工程地质特征

2.1 山西煤矿的地层特征

山西的煤炭资源，由于成煤前后多期构造运动和改造，形成了特别的空间展布格局。在山西省境内，按地质构造、地理位置及规模大小，主要划分为大同、宁武、河东、西山、霍西、沁水六大煤田。山西省含煤地层沉积多样。在漫长的地质历史发展的不同阶段，发育了石炭系太原组和山西组、侏罗系中统大同组、白垩系下统中庄铺群羊头崖组、下第三系渐新统白水组、繁峙玄武岩区等各具特色的含煤地层。其中山西组和太原组遍及全省六大煤田，大同组仅分布于大同煤田和宁武煤田中段，其他含煤地层只在局部地区出现。

2.1.1 石炭系上统太原组（C3t）

连续沉积于中统本溪组之上，地层厚度一般为80～120 m，最大厚度140 m（阳泉），最小厚度20 m（乡宁），总体变化趋势是晋中一带厚，晋北、晋南薄。岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和砂岩为主，夹5～8层石灰岩，含煤8～13层。

2.1.2 石炭系上统山西组（C3s）

连续沉积于太原组之上，地层厚度一般为40～60 m，最大厚度120 m（大同），最小厚度20 m（陵川），总体变化趋势是北厚南薄。岩性以深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和灰白色中粗粒砂岩为主，含煤3～9层。

2.1.3 侏罗系中统大同组（J2d）

分布于大同煤田北部和宁武煤田中部，连续沉积于下统永定庄组之上，为一套河湖环境下形成的陆相含煤建造。地层厚度一般为180～200 m，最大厚度240 m，最小厚80 m。岩性以灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和灰白色中粗粒砂岩为主，大同煤田含煤11个煤层21个可采煤层，宁武煤田含可采煤层2层。

2.2 山西煤矿煤层及主要可采煤层的分布特征

山西组和太原组共含煤13～18层，一般可采煤层4～8层。其中太原组含煤3～10层，一般可采煤层2～5层；山西组含煤3～9层，一般可采煤层2～4层。大同煤田大同组11个煤层稳定可采煤层7层；宁武煤田大同组3个煤层稳定可采煤层3层。

2.3 山西典型煤矿采空区的地层特点

山西煤矿采空区由于地区不同，其地层特点有很大差别，下面对几个典型地区煤矿采空区特点简单作一介绍：

2.3.1 晋城地区西陈庄煤矿

该矿位于山西省晋城市西北，周围有晋煤集团成庄煤矿和王坡煤矿，该场区煤层特征主要是含煤地层为石炭系上统太原组和山西组。

地层总厚137.87 m，含煤14～16层，煤层总厚12.88 m，含煤系数9.28%。其中太原组平均厚90.36 m，含煤11层，为5～15号煤层，煤层平均总厚度6.48 m，含煤系数7.17%。15号煤层结构简单，为全区稳定可采煤；9号煤层结构简单，较稳定，局部可采煤层；其他煤层为不稳定、不可采煤层。9号煤层位于太原组三段下部，煤层厚度0.28～1.36 m，为局部可采煤层，煤层直接顶板为灰至黑色泥岩。煤层结构简单，一般不含夹矸，层位比较稳定，9号煤层目前没有采动。15号煤层位于太原组一段顶部，厚2.33～4.79 m，平均厚3.66 m，全区稳定可采。煤层直接顶板和老顶为K2灰岩，煤层顶部有0.05～0.5 m泥岩伪顶，底板多为深灰色泥岩，少数为粉砂质泥岩或者含黄铁矿泥岩。煤层结构简单，含2～4层夹矸，厚0.02～0.76 m。15号煤上距9号煤36 m左右，上距3号煤85～90 m。15号煤含硫较高，俗称“臭煤”。15号煤目前没有采动。

山西组平均厚47.58 m，含煤4层，为1～4号煤层，煤层平均总厚度6.40 m，含煤系数13.45%。3号煤位于山西组下部，是目前勘察区及周边矿区主要开采目的层。

2.3.2 太原市化客头村煤矿采空区

该矿位于西山煤田内，面积4.85 k m2，居民区2 k m2，有1个大矿和4个小矿在周边采煤，属太原西山中低山区。山体多由石炭、二叠系砂岩组成，主采太原组和石炭组。

太原组由灰白、灰色砂岩和石灰岩及灰黑色泥页岩组成，夹两层可采煤层（自上而下为8号9号）。总厚度约95 m，在化客头村一带呈隐伏状，埋藏深度12～20 m。8号煤（俗称十五尺煤）厚3.36～3.69 m，底板标高1 223～1 245 m，顶板岩性为致密石灰岩（庙沟灰岩），厚2 m左右。9号煤（俗称八尺煤）在8号煤以下1 m左右，厚3 m，顶板为页岩、砂质页岩。

山西组由灰白色砂岩、灰黑色泥页岩、砂质泥岩组成，夹两层可采煤层（自上而下为2号3号）。总厚度约40 m，2号煤（俗称九尺煤）在村子的西北和西南，厚3.6 m左右，底板标高1 320 m。3号煤（俗称十八尺煤）在2号煤以下2.5 m左右，厚3.4 m，顶板为砂质页岩。

2.3.3 大同同煤集团的大斗沟煤矿和晋城晋煤集团的北石店煤矿

这两个煤矿煤层上部顶板存在巨厚砂岩或者灰岩，下部采空区开采后形成大范围地下空间，甚至多辆汽车可以在地下同时行驶运输。

虽然采空区空间很大，采空区上部顶板脱离下部煤层支撑产生弹塑性弯曲变形，仍然支撑着上覆地层的自重荷载，处于弯曲下沉状态；根据理论计算，顶板破坏塌落，顶板的极限跨度计算式如图1所示。

图1 岩梁受力状态

在图1中，作用于岩梁的有效荷载为q；R为支撑反力；q为基岩控制层之上的等效荷载；d为岩梁厚度；l为岩梁长度，其值小于岩梁断裂临界长度时，基岩属于弯曲型下沉。根据弹性力学理论，固定梁最大拉应力发生在梁最下部中点：

式中，σmax为梁最下部最大拉应力。当σmax＞St（St为岩梁的抗拉强度）时，岩梁将被拉裂，则岩梁的极限跨度l0为：

可以看出，顶板破坏与顶板厚度关系极大，与顶板岩层抗拉强度、顶板上覆荷载也有关系，而这两个矿区采空区的顶板岩层厚度都达到20～40 m，计算顶板极限跨度是十分可观的；而一旦采空区超过这个极限跨度，采空区就进入断裂下沉状态，采空区顶板产生断裂沉陷，塌陷范围大，地面变形剧烈，突发性强，造成的生命财产损失难以估量。

2.3.4 山西省吕梁临县庞庞塔煤矿

该采空区上部有巨厚的黄土覆盖，是山西省湿陷性黄土的最重要分布地区，这些地区地表冲沟发育强烈，沟壑纵横，形成高山陡坡，地下采空使陡坡失去下卧支撑，采空上部覆岩拉伸变形使地表产生裂缝，破坏了陡坡连续性，引起采动滑坡；地下采空形成的陡坡地表裂缝，在雨水下渗到软弱层（面）如黄土古土壤层、泥岩、软质页岩、断层破碎带、基岩风化面等，软弱面吸水软化，抗剪强度大大降低，重度增加，引起采动滑坡。

图2 牵引式采动

图3 推移式采动

采动引起的山体滑坡，根据采空区位于坡体位置、采空区采动方向，形成采空区采动引起的牵引式滑坡和推移式滑坡，其中推移式开采（下山开采）对地表的影响和发生的频率要比牵引式开采（上山式开采）大的多。图3是典型的采动推移式滑坡，图2是典型的采动牵引式滑坡。

3 山西煤矿采空区勘察特点

3.1 工程地质调查特点

山西煤矿采空区在大部分地区都是以小窑开采为主，开采主体为当时的村办煤矿和集体企业，开采过程没有技术设计或者不按设计开采，掠夺式的高强度开采，笔者了解到有许多村办集体企业，竟然用地下煤矿资源，作为债务偿还，允许债权人定期随意开采煤矿资源。不可避免出现越界开采、无序开采，十几年或者几十年后对于地下开采范围和开采方式一无所知，难以收集到有用的采空区资料，给勘察治理工作带来巨大困难。

山西地区普遍存在的小窑采空区具有采深小、地表变形剧烈、变形不连续；由于一般是人工开挖，采空范围小，采深一般50 m以内，也有达到100 m左右，平面延伸达100～150 m，以巷道采掘为主，向两边开挖支巷道，一般呈网格状分布或无规律，单层或2～3层交错，巷道高度一般2～3 m，大多不支撑或临时支撑，任其自由垮落。地表变形特征是：

采空范围狭窄，地表不会产生移动盆地。但由于开采深度小，采深采厚比很小，又任其自由垮落，因此，地表变形剧烈，大多产生较大的裂缝和塌陷坑。

地表裂缝的分布常与开采工作面的前进方向平行，随开采工作面的推进，裂缝也不断向前发展，形成相互平行的裂缝，裂缝一般上宽下窄，局部出现台阶状下沉或“地堑”式塌陷等非连续破坏，在此破坏模式下，覆岩不存在“三带”特征，覆岩呈“断陷”、“切冒”型破坏，地表沉陷以突然形成的不规则塌陷坑为主。

3.2 工程钻探方法特点

山西煤矿采空区勘察进行的工程钻探，除应满足一般工程地质地层描述要求以外，重点要描述采空区冒落带、裂隙带、弯曲带等三带位置和特征，所有钻孔应全孔取芯，钻探每个回次进尺不得大于2 m，岩芯采取率在冒落带和裂隙带分别不得小于30%和50%。钻孔直径应满足岩芯试验和孔内测试要求，不得小于90 mm。

单层厚度为0.5～2.0 m的地层应取样一件，厚度大于2.0 m时，每隔2.0 m取样一件；样品除应做常规物理试验外，土样应加做剪切试验，岩石加做饱和单轴抗压强度及抗剪强度试验；钻孔或矿井中采取的地下水应做简分析，评价其对注浆材料的腐蚀性。

钻探描述重点对孔深、岩性、岩体破碎程度、塌孔、漏失及掉钻现象进行描述；对钻孔资料进行分析、判定矿层年代、编号、层数，并确认开采情况。

3.3 地球物理勘察特点

山西省的煤矿采空区，由于现场地形地质条件、采空区埋深不同，采用高密度电法、瞬变电磁法、地震反射波法、瞬态面波法等方法。

在工程物探测试前，要根据现场已知采空区情况或者钻探验证情况，选定物探方法，首先要进行试验，根据勘察区地层条件，采空区充水、松散物质充填情况，根据已知采空区边界和物探采空区边界参数异常，确定参数异常范围，然后才能对物探结果进行解译；而不能用其他矿区的物探测试参数对新采空区进行解释。对于测试结果，要分析剔除高压电线、地下管线、散游电流和电磁干扰，例如采用瞬变电磁法，要综合考虑煤层采空后，导致覆岩中应力发生变化，岩层发生变形，地下水渗漏汇集，采空区松散物质充填，使电阻率比正常状态下显著降低，呈现“高电压，低电阻率”的采空区异常；而对于比较大空间的未充水采空区，可能出现“高电阻率”的采空区异常。

在勘察工作中，要根据具体情况，确定不同的采空区异常标准。同时 要根据钻探探测结果，对物探测试结果及时进行修正调整，使物探测试成果尽可能符合采空区分布实际。更加准确划定采空区范围和分布深度。

3.4 其他勘察方法

在山西省煤矿采空区勘察中，还经常采用孔内注水试验、综合测井、孔内摄像和跨孔波速测试及放射性探测等等方法。

4 山西煤矿采空区稳定性分析

不同的采煤方法形成的采空区各不相同，对于上覆岩层的稳定性影响和所导致的地面塌陷也各不相同。山西省多年来在煤炭开采方面主要有长壁垮落法、短壁垮落法、房柱和巷柱式、条带或充填法采煤方法。

煤层开采后形成的采场空间，必然会引起围岩的位移、开裂、断裂直至破碎冒落；采动破坏分为垮落性破坏和开裂性破坏两种。当有规律性开采，比如长壁采煤，造成采高大致相同的采出空间，它的采动影响在垂直剖面上是以采场为中心，以顶底板煤壁为起点向四周扩展，并逐渐减弱或消失，因而它具有一定的分带性，并且比较有规律，在地表形成较明显的移动盆地。但是对于较多出现的以落垛、托煤顶等小窑采煤方法为代表的采场，采高很不均匀，常常由于局部采高超出断层而向说“抽冒”，采出空间很不规则，覆岩的采动破坏在垂直剖面上不具备分带性。之类破坏在局部地点可以像宝塔一样向上发展直达地表，形成漏斗状陷坑。地表形成塌陷坑和大量地面裂缝。

山西的煤矿采空区在许多地区是两层或多层采空，而目前的稳定性分析主要是单层采空分析，对于多层采空的叠加影响，在理论分析方法上，还没有完善。

5 山西煤矿采空区治理方法及建议

采空区的破坏形式主要是地面塌陷和地面裂缝，造成地面倾斜、地面弯曲和水平移动，建筑物的上部结构整体强度和基础形式，对于避免建筑物的沉降、倾斜、差异沉降至关重要；对于桩基础，还可能引起负摩擦力。

山西的煤矿采空区治理方法主要包括注浆法、干（浆）砌支撑法、开挖回填法、巷道加固法、强夯法和跨越法。

注浆法是最常用的治理方法，适用于煤层开采后顶板发生严重垮塌或经稳定性评价处于不稳定或欠稳定的采空区。建议采用注浆法时在采空区治理范围的边缘部位应布置帷幕孔，在采空区临近生产的矿井巷道或临近废弃的矿井巷道修建止浆墙，避免浆液流失。在一些地区存在采空区充水、积水和流动地下水的情况，浆液充填方法由于被稀释和冲走，难以凝固。建议注浆前先充填部分粗骨料以充填部分空间，增强注浆效果。

干（浆）砌支撑法实用于采空区未完全塌落、空间较大、埋深浅、通风良好并具备人工作业和材料运输条件的采空区。建议构造物地下采空区采用浆砌片石全部砌筑，路基采空区采用干砌片石部分砌筑。

开挖回填法适用于挖方地基规模较小采空区，埋深小于6 m，上覆顶板完整性差、岩体强度低、易于开挖的采空区。建议地基回填后采用强夯或重锤夯实，地基稳定后方可施工上部建筑。

巷道加固法适用于正在使用的生产、通风、运输巷道，废弃巷道等。建议对于使用巷道在不影响巷道使用功能的情况下对巷道进行加固，对于废弃巷道，采用注浆或干（浆）砌支撑法进行加固。

强夯法适用于埋深小于10 m，上覆顶板稳定性差、岩体强度低的采空区及采空区边缘裂缝区的地表处理。建议强夯法要根据强夯影响深度强度单击夯击能。

［1]汤伏全，夏玉成，姚顽强.黄土覆盖矿区开采沉陷及其地面保护［M].北京；科学出版社，2011.

［2]周永昌，杨义军.山西地质灾害［M].太原；山西科学技术出版社，2008.

［3]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S].2000.

［4]中华人民共和国交通运输部.采空区公路设计与施工技术细则 ［S].2011.