构筑物下采空区治理关键技术研究

刘兴全

摘 要：随着经济的快速发展，农业用地、城市工业用地及建筑用地日益紧张，在以资源型经济为主的经济省份，矿区采空区的修复及利用成为亟待解决的问题。对于采空区的复垦，大多数省份以复农复渔为主，但是随着经济开发，城市工业、商业、建筑用地不能满足商业及居住需求，采空区上的复垦土地成为建筑用地的重中之重，但由于采空区上覆岩情况、地表下沉情况等复杂地质因素，需要对采空区及其上覆岩层进行针对性治理以满足用地需求。文章对采空区上的地表移动变形特征及采空区治理技术进行了研究。

关键词：采空区；采动沉陷；建（构）筑物；治理

中图分类号：TD 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0038-02

煤炭资源大规模采出后形成大面积采空区，形成不良工程地质条件，给采空区的再利用带来困难和安全隐患。与此同时，我国城市发展迅速，工程建设日益增加，建设用地日趋紧张，特别是对于依靠资源发展的新兴转型城市，由于建设用地紧张，一些工业及民用构筑物、公路、铁路等交通设施等不得不在采空区上修建。

在采空区上修建构筑物是一项复杂的工程问题，地表建筑物的结构会受到采空区上覆岩层运移而造成破坏，如果对采空区处理不当，构筑物就会发生开裂、倾斜、甚至倒塌破坏。国内外学者[1-2]对于地表减沉控制进行了大量研究，针对采空区，得到了许多合理有效的解决方法。合理利用采空区上土地不仅能缓解建筑用地的需求，而且能减少农业用地的损失，从而为政府、企业带来了一定的经济效益[3-5]。因此，如何合理利用采空区土地，确保建（构）筑物的安全，是亟待解决的技术难题。

1 地表移动变形特征

1.1 地表残余变形

地表残余变形是指在地表移动稳定后（地表下沉量连续6个月不大于10mm）可能产生的移动变形[6]。残留煤柱的失稳灾变、地面建筑的荷载、地震及疏排水等都是导致地表残余变形的因素。根据前人的理论研究和多年以来工程实践经验，一般选用概率积分法对地表残余变形进行预计，预计的参数包括下沉系数、主要影响角、拐点偏移距、水平移动系数及开采影响传播角，其中除下沉系数外，其他参数与正常预计时所用的参数基本一致。老采空区的下沉系数一般选取0.2～0.4[8]，对条带开采及房柱式开采等煤柱留设多或开采时残留煤柱较多时，应适当加大下沉系数。

1.2 采空区上覆岩层特征

煤层开采后上覆岩层发生破坏和位移，一般来说自上而下形成“三带”，即垮落带、裂缝带、弯曲带[7]。垮落带由于开采破坏而失去连续性，岩体破碎呈块状，冒落矸石充填采空区；裂缝带又称导水裂缝带，下部岩层运移导致岩层受拉伸破坏而产生裂隙、离层等，岩体内部结构遭到破坏，不再具有隔水性能；弯曲带呈整体下沉趋势，裂隙发育但不连通岩层。即使垮落带、裂缝带的岩层经过长期地质作用压实，仍可能存在一定的贯通裂隙与离层，其抗压强度等力学特征远低于原岩，如果在采空区上修建构筑物，不对地下采空区进行有效治理，造成地表沉降加剧势必对地表建筑物产生破坏。

2 采空区治理技术

采空区上修建构筑物的关键技术是采空区治理，而需要治理的采空区往往又是即将废弃或者废弃多年的老窑，采用充填开采减沉技术、离层注浆减沉技术等行而有效的手段可以对采空区实行有效治理，对地表沉降进行有效控制。

2.1 充填开采

充填开采是在采煤工作结束后，顶板未冒落前将煤矸石、粉煤灰等废弃物作为充填体，充填到采空区，控制开采引起的上覆岩层的变形和破坏，使地表构筑物变形保持在安全的允许范围内，实现构筑物下回收煤炭资源，保护环境的一种采矿方法[6]。充填采矿法可以使采空区得到有效治理，长期、稳定的支撑上覆岩层，控制地表变形，充填开采的控制效果与充填程度与材料具有很大的关系，充填法控制的地表下沉系数在0.02～0.6之间[9]，效果次于使用条带法控制地表沉降，但是充填采矿法大大降低了煤柱失稳导致的地表二次移动的可能性，使得采空区上构筑物的安全得到保障。煤矿地质条件、充填材料、充填成本及地表沉陷控制要求等因素都限制了充填法减沉的大面积推广应用。我国煤炭企业对充填开采也提出了更高的要求：降低充填成本；寻求更简易充填材料；研发新型胶结材料、化学添加剂；与充填配套的高效充填设备与工艺等。

2.2 注浆减沉技术

采煤工作面開始采煤工作，推进到一定距离后，覆岩开始出现移动，由于岩性之间存在较大差异并且其竖向移动速度不协调，在软、硬岩层交界处会出现离层。随着煤层开采覆岩离层空隙逐渐发育扩展。有的学者[10]也把煤层的上覆岩层大致可分为四带：垮落带、裂缝带、离层带和弯曲带，采场覆岩“四带”模型如图1所示。离层注浆是连续不断地通过地面钻孔用高压注浆泵向离层空隙带注入粉煤灰等充填材料构成的浆体，来支撑上覆岩层的沉陷运动，减缓地表下沉的一项减沉技术。

使用离层注浆法能够控制地表沉降，其特点在于：（1）注浆的充填作用。其充填位置位于裂缝带与弯曲带之间的离层区，若时机合适，充填料可以很好地充填离层区域，阻止覆岩运移的继续传递。（2）注浆的支撑作用。充填料具有一定的强度，在充填离层带区域后形成一个强度略低于岩石的覆岩带，压缩性差，对上覆岩层也能起到很好的支撑作用，达到减沉目的。（3）注浆的胶结作用。由粉煤灰构成的充填料可以很好地胶结分离的岩层，使得破碎岩体的强度得到整体的强化，提高岩层的抗变形能力，从而减缓地表沉陷。与充填法开采相比较，离层注浆减沉技术对生产干扰较小。然而存在单层位注浆时离层短期闭合的问题，学者[11]针对此问题，开展了多层间离层的连续注浆技术研究，实现了多离层带连续注浆。充填法开采的地表下沉控制效果优于离层注浆减沉技术，部分矿区工作面试验离层注浆技术后，地表下沉系数控制在0.15～0.32[9]。

离层注浆减沉技术的实现必须满足一定的适宜的地质条件和开采条件：相邻岩层的岩性差异性大的、上岩层的挠曲度要小于下岩层等[12-13]。并且，注浆参数、注浆时间等对于离层注浆减沉技术也有重要影响。endprint

3 结束语

采空区上的复垦土地成为建筑用地的重中之重，在对采空区上覆岩层进行治理，使得采空区上土地可称为再次利用的工、农业用地及建（构）筑物用地。利用采空区上土地新建构筑物时，一定要注意采空区的上覆岩层情况及其上的时空状态，密切关注注浆等修复手段产生的作用及影响，采用有效手段对建（构）筑物进行强化加固。

参考文献：

[1]Shaojie Chen，Dawei Yin，Fengwei Cao， et al. An overview of integrated surface subsidence-reducing technology in mining areas of China[J].Natural Hazards，2016，81（2）：1129-1145.

[2]王金庄，康建荣，吴立新.煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨[J].中国矿业大学学报，1999（04）：31-34.

[3]张继栋，崔艳，白中科.土地復垦对矿区土地资源可持续利用的影响[J].金属矿山，2010（12）：144-147.

[4]李文梅，张红日，覃志豪，等.济宁市采煤塌陷地状况与治理途径研究[J].山东科技大学学报：自然科学版，2008，27（6）：24-27.

[5]李树志.我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望[J].煤炭科学技术，2014，42（1）：93-97.

[6]郭惟嘉，陈绍杰，等.矿井特殊开采方法[M].北京：科学出版社，2016.

[7]郭惟嘉，刘伟韬，张文泉，等.矿井特殊开采[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[8]张宏贞，邓喀中，刘洪义.老采空区残余下沉系数的神经网络模型研究[J].采矿与安全工程学报，2009（03）：322-326.

[9]郭广礼，王悦汉，马占国.煤矿开采沉陷有效控制的新途径[J].中国矿业大学学报，2004，33（2）：26-29.

[10]姜德义，蒋再文，刘新荣，等.覆岩离层注浆控制沉降技术及计算模型[J].重庆大学学报（自然科学版），2000（3）：54-56+61.

[11]高延法.煤矿开采覆岩离层注浆减沉技术研究与应用条件[A].中国水利学会水资源专业委员会、中国地质学会工程地质专业委员会、天津市控制地面沉降工作办公室.全国控制地面沉降学术研讨会论文集[C].中国水利学会水资源专业委员会、中国地质学会工程地质专业委员会、天津市控制地面沉降工作办公室，2005：4.

[12]刘文生，范学理.覆岩离层产生机理及离层充填控制地表沉陷技术的工程实施[J].煤矿开采，2002，7（3）：53-55.

[13]高延法，邓智毅，杨忠东，等.覆岩离层带注浆减沉的理论探讨[J].矿山压力与顶板管理，2001，4：65-67.endprint