云冈矿采空区地质灾害分析及治理

王 岩

（同煤集团云冈矿，山西 大同 037017）

同煤集团云冈矿位于大同市西郊，是一座设计生产能力为480万t/a的现代化矿井。近年来由于煤炭行情好转，该煤矿增加了煤炭的开采量。井下开采强度的增加导致采空区数量增多、面积扩大，造成的地质灾害安全隐患令人堪忧，严重破坏周边的生态和环境，对周边的人民生活造成严重影响。本文主要是对云冈矿采空区的地质灾害现状进行了分析，采用地质测绘、地质调查、物探勘察、钻探验证综合技术对该矿采空区“三带”进行有效判断，并提出了科学的地质灾害治理方案。

1 工程概况

1.1 概况

井田内含煤地层有石炭系上统太原组和侏罗系中统大同组上、下两套煤系地层，当前主要开采煤层为5#、7#、11#煤。 5#煤厚度5m左右，由泥岩、砂质泥岩组成 ；7#煤厚度4m左右，主要由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩成 ；11#煤厚度6m左右，主要由砂岩、砂质泥岩组成。

1.2 云冈矿地质灾害现状分析

当前云冈矿采空区的数量和面积不断扩大增多，极易发生采空区塌陷事故，严重破坏土地资源和水资源，周边生态自然环境也受到严重影响，主要表现如下：

（1）地面塌陷事故较为严重，已影响数十个村庄，塌陷面积近2500m2，塌陷坑形状主要是串珠状圆形，近年来呈现增长趋势。

（2）采空区数量和面积的扩大，导致井下巷道变形严重，致地面村庄建筑物受到相应的破坏。据统计共有150户村民的房屋受损，需要修复或进行拆除重建。

（3）村庄周边为矿区密集地带，开采中需要对矿坑水进行抽排，会造成煤层上覆岩层的裂缝变形，使得地下水向矿坑汇流，导致破坏含水层，影响村民用水。

（4）因采煤作业导致井水干涸、水源污染，导致土地无法耕种，造成水土流失。

2 采空区地质勘察分析

2.1 地形图测绘

对云冈矿采空区的地质构造进行勘探，掌握地质勘探的实况，绘制采空区地形图，为后期地质灾害的治理工作提供理论依据。同时采用GPS数字化测图技术，有效提高测试的精度和精准性。

2.2 地质调查

地质调查是采空区勘察工作的基础，掌握该矿采空区的分布状况，了解村庄房屋受损的数量和严重程度，政府部门、村民、煤矿企业三者有效的配合，完成地质调查工作。调查结果显示：二采区和五采区的村民受损房屋共有267间，有采掘工程平面图2副，水井4眼。

2.3 物探勘察

采用物探技术对地质情况进行勘察验证，明确采空区的具体分布，有针对性地提出地质灾害治理措施。在本次的物探中，采用RaA测氡法开展了测量工作，共完成了15条测线；瞬变电磁法勘测剖面21条，物理点108个。总体测量结果表明：采空区深度约为135m，地质灾害治理的重点区域为村庄的东南区域。

2.4 钻探验证

要进一步采用钻探验证来确认采空区的治理位置。钻探方案：4个钻探孔，5组煤层顶板试验。结果表明，地质灾害的区域为村庄的东南区域，地质剖面图如图1所示。

图1 地质剖面图

3 采空区地质灾害的情况分析

通过地质勘察可知，云冈矿采空区的地质灾害主要表现为以下几方面：第一为地面裂缝，在移动盆地的外边缘区出现了部分裂缝；第二为地面塌陷，主要表现为台阶状塌陷盆地和塌陷坑。

云冈矿地面塌陷和地面裂缝地质灾害主要是在该矿的二采区和五采区。二采区开采面积达1.25km2，因受到F9、F12断层的影响，采空区的面积不断扩大，有较为严重的地面塌陷和地面裂缝现象，影响到矿区北边的村庄，主要是对5#和7#煤进行开采。五采区开采面积为1.76km2，主井长度为149m，倾角12°；副井长度为136m，倾角10°；采煤形式为综合式机械化采煤法。

4 采空区地质灾害治理方案设计

4.1 灾害治理

通过对云冈矿采空区地质灾害类型分析，结合施工的相关要求，对该矿的地质灾害设计采用填充灌浆法进行治理。设计确定注浆孔孔距参数、排距参数、注浆孔的布设形式后，通过注浆泵、注浆管将细骨料、粉煤灰以及水泥等材料进行注浆，并进行固化，起到治理采空区地质灾害的效果。

4.2 注浆工艺

（1）测量放点。因煤矿采空区为复杂工程测区，采用全站仪设备来进行注浆孔的放样测量，放点选择低于500mm，根据工况及时调整，提高测量精度和准确性。

（2）成孔要求。采用XY-4型岩芯钻机实施钻孔作业，参数设定如下：开孔孔径控制在130～150mm之间，经两次变径后终孔孔径≥100mm，注浆孔和帷幕孔均应进入完整基岩4～6m处变径。

（3）浆材配置。浆液配比由现场工业试验确定，搅拌时间设定为9～10min。

（4）注浆。主要是对矿区的5#煤和11#煤采空区进行注浆，针对穿越多层煤层的采空区，采用下行式分段注浆工艺进行注浆方案。

（5）确定合理施工顺序：帷幕先导孔—跳孔灌浆施工。

（6）灌浆结束标准。当孔口压力在 1.0～1.5MPa，泵量小于 70L/min，稳定15min后，即可停止注浆作业。

4.3 灌浆质量

在对该煤矿采空区采用填充灌浆法进行地质灾害的治理工作完成1个月后，对填充灌浆法实施中的灌浆质量进行检查验收，主要检查验收的方案如下。

（1）进行检查验收时，检测孔布置在脱空较大、串浆孔集中、灌浆情况异常的区域内，检测孔的数量取值为灌浆孔的1/20。

（2）采用钻探取芯+波速测井技术对浆液结石率进行检测，结果表明，浆液结石率高达85%，浆液结石强度为1.5MPa，能确保形成足够的结石体填充空洞和裂缝。

（3）确定填充灌浆法灌浆质量符合要求后，用水泥砂浆将钻孔封填密实。

4.4 注意事项

（1）在对矿区地面裂缝进行回填后，如再采取注浆治理措施，注浆宽度≥500mm，注浆深度≥800mm。采用碎石土分层夯实回填，以避免跑浆和地裂缝冒浆现象的发生。

（2）注浆孔顺序按煤层倾斜方向进行，帷幕孔施工—采空区低钻孔施工—采空区高钻。

（3）浆液浓度确定：浆液浓度先稀后稠，在确定泵压、吸浆量后再根据施工现场的实况对浆液浓度、灌浆量进行调整。

（4）在注浆作业过程中如出现跑浆现象，及时采用间歇式注浆来降低浆液的流失。

5 治理效果分析

采用地表观测法监测沉降位移的技术方案来对采空区地质灾害治理效果进行分析研究。针对采空区地质灾害治理的情况设计四行九列共计24个变形监测点，监测设计示意图如图2所示。

图2 监测点分布图

该项目的监测周期为10个月，在对采空区进行填充灌浆法治理施工的前期和施工完成时，必须完成基础数据的监测，同时在随后按10个月为观测周期。监测结果如图3所示。

图3 监测结果分布图

由图3中A行、B行、C行、D行四组数据可知，对采空区进行治理后，采空区沉降量＜200mm，垂直变形率＜3mm/m，水平变形率＜2mm/m。这一数据充分说明，经治理后采空区发生塌陷及裂缝地质灾害的可能性极小，对云冈矿采空区地质灾害采取的方案是合理可行的。

6 结论

在对云冈矿地质概况分析的基础上，采用地质测绘、地质调查、物探勘察、钻探验证的技术有效地确定了采空区地质灾害的治理区域，有针对性地设计了采空区地质灾害治理方案。通过试验数据，确定了合适的灌浆方法和灌浆浓度，灌浆质量检查结果理想，可以有效地防止采空区地质灾害的发生。