煤矿采空区地表沉陷基本原理及防治措施

曲宏杰

摘要：煤矿的开采会造成多种地质方面的危害，地表塌陷就是其中影响最为严重的一种。为了确保煤炭资源被安全、科学的开采，需要对上述地表塌陷问题做好防治工作。贯彻“因地制宜、统一规划，沉陷区实施可持续发展”的原则，进行科学治理，可最大限度降低地面塌陷对采空区域附近的环境破坏，使该区域遭到破坏的生态系统得以改善。基于此，对采空区地面塌陷的最根本原因以及发生该情况衍生出的其他灾害进行了分析，提出系统的综合治理方案。

关键词：煤矿采空区；地表沉陷；地质灾害；防治措施

0   引言

煤矿挖掘方式有很多种，其中最主要的就是矿井开采。在进行煤矿挖掘时，由于地层中的煤矿被开采，造成煤矿所在区域中岩体的最初地应力受损，当地应力尚未恢复到平衡状态时，煤矿层上部的岩体将发生变形、位移或者断开。在这些地质灾害传输到地表时，将会造成地面沉陷。地面沉陷外在表现为漏斗状、盆地状以及台阶状断层。

上述灾害会对矿产开采区域以及周围区域环境造成严重破坏，影响周围建筑的安全性，同时对土地资源造成了极大的浪费，使周围居民的资产遭受无妄之灾。为了确保煤炭资源被安全、科学的开采，需要对上述地表塌陷问题做好防治工作。

1   工程概况

某能源企业承接了苏海图煤矿采空区灾害治理工程。该项目区域为工程治理二区，主要施工内容包括无爆破打孔、作业区域道路整修、高温地点的降温与洒水除尘等。根据采空部位治理方案和该区域地质的特点可知，整个治理区域内煤层有10层煤，分别为9#、10#、11#、12#、13上3#、13上2#、13上1#、13#、14#、15#煤层。

本次工程主治层即为上述煤层，整治范围内煤层的平均埋深111.6m，最深为206.55m。最浅为16.5m，煤层所在区域的相对夹角6°，最深治理部位在15#煤层底板。

2   采空区地表沉陷原理

采空区出现地面塌陷的主要原因，是煤矿的开采破坏了煤层部位岩石应力原有特性。矿柱需要长时间的工作、承重，采空范围里的矿柱体系里存在部分薄弱地方，这些地方由于种种因素会第一时间被损坏。通常情况下，如果矿柱被损坏到60%以上时，采空区顶板将会塌落，并在一定程度上影响到地面。顶板大面积塌落一般是突然的，同时产生剧烈的气浪，造成地面沉降和开裂，对地面以及矿井的建筑产生破坏[1]。煤矿采空区沉陷如图1所示。

3   采空区地表沉陷治理方案

3.1   隐患和治理

3.1.1   隐患

采空区上部区域施工时，使用的器械多为液压挖掘机、钻机和相关的辅助器械，若顶板损失塌落，会危及工作人员的生命安全，也会使器械受损。空巷初始状态是密封的，进行采空区整治时其与外部相通，空气进入，大概率会导致煤炭自燃，进一步造成采区里的火灾。采空区长时间的有地下水汇入，容易形成积水现象，这不仅容易破坏工作器械，同时会危及工作人员的生命安全。

3.1.2   治理措施

按照苏海图煤矿企业给出的项目图纸，我部门确认了采空区的范围。本部门在指定位置的外部钻两排孔，用以探测，通过该孔必须能够看到煤矿。若打孔后还在采空区域内，需继续施工，直到精确掌控采空区域[2]。

3.2   顶板垮塌的预防和处理

将矿井里所有巷道、采空区域、探知的采空范围，第一时间绘制在采剥平面图等图上，严格对比井上井下的状况。由河南锦源有限公司完成本次工程中的施工人员的培训，培训的内容包括剥采施工方案、施工组织方案，确保工作人员精通潜在危险源、剥采施工规划。采空区一定要实施专项负责的制度，施工场地必须有专人负责。

3.3   采空区沉陷施工方法

3.3.1   作業方式

采空区整治施工前，必须要用钻机钻前探孔，在保证无危险的状态下再开始施工。对采空部位上层剥离操作时，若土层过厚（大于20m），可跨越采空部位进行施工，但必须进行全程观测。

为精确知道采空区域的真实位置，需要先用钻机在整体施工前完成探测作业，针对不安全的部位预先解决，待采空区完全塌落后，采装器械再入场开始施工。该区域一定要贯彻非常规作业专项负责制度的执行，监理部门要专门指定专人进行负责。

3.3.2   穿孔

穿孔必须于采空区域外侧施工，依据该区域的部位安放钻机，同时指派专业人士完成指挥。工作者必须在填充过的位置。器械有问题时，应该将其移动到采空范围以外进行修理。若是出现不安全现象，工作人员必须马上停止施工，去没有危险的地方待命，并在第一时间上报给带班人员，再通过带班人员上报至苏海图煤矿生产指挥中心[3]。

3.3.3   采装

采装工作实施前，必须保证空巷塌陷完成，方可实施采装。进行运输时，采空部位的煤层若是在高温状态，就必须实施预先注水，可以用洒水器械、雾炮车或沙土完成降温作业，随后才能开始采装。

进行采装作业时，禁止全部作业人员于采装场地的边限下车滞留。如果有明火现象，必须第一时间处理。采装完成后，采装器械必须移动到大于50m作的位置停放，禁止在采空区域滞留。

每个巷道都必须安排一个专门的责任人，上下部不可在同一时间施工。采空部位上层采用挖掘机施工，挖掘至3m处改换装载机。装载设备没有良好的视线条件，必须停止施工。挖掘出的高温煤岩一定要在当班完成覆盖，并进行有效处理。⑤施工时注意风向，避免有毒气体危害工作人员的生命安全。

3.4   采空区沉陷预防措施

按照现场探测，该项目有处在采空区域的部分，在该区域确保工具以及人员的安全，并完成剥离作业同样是重要的一环。

3.4.1   制定整體安全预案

应设立采空区域探测和监管部门，完善该区域探测、资料的收纳，制定治理方案以及相关制度。监管部门必须预先设计好救险预案，同时全程核查工程的施工情况，若有问题必须马上解决。监管部门必须制定该区域的施工规程，完成相关工作人员的安全以及施工教育，使其深刻了解工程中存在的危险，知道合规施工的重要性，在问题出现时有充足的思想准备。使用专业的空巷探测仪器，如激光声纳探测器等，以便精确的了解空巷的状态。

3.4.2   探测采空区情况

进行该区域的探测主要是物探，用钻机探测完成最后探测结果的验证。用钻机实施探测时，必须从内到外延伸实施钻孔拍布钻探，一直探到空巷矿井等明确知道的部位边缘，以此提升精确程度。

严格对比已明确的采空区域地图和实施探测后知道的结果，结合探测结果。更新所用的图纸，同时在现场完成警示竖立。

在已明确的采空部位实施更详尽的探测，精确了解该区域里起火、积水以及气体沉积的状况。采用瑞利波等先进的探测手段，更精确的探知区域内的地下水的沉积情况。使用物探手段明确地下水沉积的位置后，用钻机完成验证，以便精确掌控采空部位形态、地下水沉积深度，对水量进行测算。

加强该区域的毒害气体的监控和探测，掌控其变动的详细状态，发生非常规情况时，第一时间找出气体来源并妥善处理。若部分区域的气体浓度不达标，需要完成稀释工作。采空区监测如图2所示。

3.4.3   采空区内积水处理

当探测到赋存部位后，必须完成超前物探作业。采用先进手段探测采空区域里的积水探测。在精确明了采空区域相关资料的适用性，以及该区域的水文地质特性等信息后，方可实施探测作业自己排水操作。

3.4.4   探放采空区积水处理

实施探放积水操作前，确定排水工具与探测到的积水量相匹配，并准备备用水泵。完成采空部位积水探放时，要把钻机钻到该部位的积水部分，并监控排水的全程。校核水量和水压，直至水量为零。

在排水过程中，要全程检测有毒气体浓度、出水水温，若有问题必须第一时间解决问题。完成排水工作后，为避免有毒气体的泄露，必须第一时间封堵排水孔。要求安排专人去检验，合格后才能验收[4]。

3.4.5   采空区内积气处理

针对有毒气体，必须指派专人全程检测，若其浓度发生异常变动，工作人员必须第一时间撤出危险区域。必须为该项目的工作人员配备防毒面具和隔绝氧自救器，同时也要装配CD4有毒气体监测仪等，上述仪器配备到位后，才能重新施工。工作人员必须在上风向进行检测，以保证其生命安全。

3.4.6   采空区事故的预防

本工程实施特殊作业专项负责制，设置各个项目的专业负责人。各负责人应该熟练掌握各种相关资料，详细了解矿井里巷道的各种资料，尽早完成地下、地上施工情况的对比。及时更新工程使用的图纸，完成场地的标定，设计并竖立警示标志。

已陷落周围20m的区域为主要观测对象，在其附近安放警示物，严禁闲杂人员滞留在此，实施挖掘作业时，若出现空洞必须马上停止施工，远离危险区域，等待下一步的指令。

对采空部位，利用钻机探测的同时进行采装。在采空区上层覆盖度不达标时，器械设备不能跨越旧巷和采空区，避免工作人员器械陷落进去。

采空部位上部覆盖超过规定时，可以跨越旧巷和采空区，但需全程观测。为精确了解该区域的部位，应使用钻机进行穿孔前探，合格后采装器械才可入场施工。

3.4.7   应对地质灾害

聘请专业检测部门进一步完成地震的检测，针对已发生的地质损害，必须使用有效手段加快其生态恢复。

3.4.8   煤遇空气后发生自燃火灾的预防和处理

煤层暴露在空气中，极易发生自燃现象，为确保采矿施工不中断，防止煤矿自燃现象，必须掌控煤层顶部暴露大小。完成爆破操作后，要第一时间完成清理。已经燃烧的部分物体，必须独立、直接从现场运走。如果发生自燃火情，必须使用水浇、沙覆隔离等方式进行灭火。

3.4.9   高温隐患的预防和处理

使用专业的测温仪器对温度进行测量，并选择正确的、合适的降温方法进行降温。

4   结束语

煤矿开挖造成采空区域地面塌陷，不仅会对其四周的土层以及生态产生严重破坏，还会对其区域范围的建筑、地下水造成了非常严重的影响，同时伴随着地质灾害。贯彻“因地制宜、统一规划，沉陷区实施可持续发展”的原则，进行科学治理，可最大限度降低地面塌陷对采空区域附近的环境破坏，使该区域遭到破坏的生态系统得以改善。

参考文献

[1] 王栋良.活性炭测氡和瞬变电磁法在煤矿采空区探测中的应用[J].工程建设与设计，2020（16）：244-245.

[2] 罗国平，魏凤英.瞬变电磁法磁场及其视电阻率研究[J].中国煤田地质，2000（2）：61-63.

[3] 胡学飞.采空区光伏电站基础及支架方案设计[J]，工程建设与设计，2019（17）：37-40.

[4] 崔俊杰，王凯，雷星，等.某浅埋偏压铁路隧道变形综合治理及监测研究[J].铁道标准设计，2022（9）：116-122.