煤矿开采沉陷区的防治技术与应用

王丽静

（同煤集团地质勘测处，山西大同 037003）

煤矿开采沉陷区的防治技术与应用

王丽静

（同煤集团地质勘测处，山西大同 037003）

煤矿开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接原因，有效控制和减轻地面沉陷程度是避免煤矿开采沉陷环境灾害的基本途径。通过系统的资料收集、整理分析，制定矿区地质环境治理总体方案，针对不同类型的地质灾害，采取针对性的治理措施，从而为矿井安全生产提供指导。

开采沉陷；地质灾害；治理措施

1 概述

1）煤炭的开发为山西经济发展提供了基本保证，然而煤炭的大规模开采对矿山及其周围环境造成了严重的破坏日益突出，开采沉陷不仅导致土壤退化，土地无法耕种，同时煤层长期大面积开采，还会导致采空区面积不断扩大，采空区导水裂隙带和地面塌陷范围随之扩大，使地表水与地下水、矿坑水发生了直接联系，造成沙川径流大量渗漏、径流量明显减少，从而部分开采沉陷过程与煤矿开采掘进过程同时发生，一旦出现贯通裂隙可能导致地表水或地下水倒灌，进入工作面造成井下突水事故。因此，有效控制和减轻地面塌陷程度是解决此问题的根本途径。

2）开采沉陷导致的地层裂隙导水是引起煤矿水害的主要原因之一，正确认识煤矿地面塌陷现状，研究其成因、预测发展趋势，评价其对煤矿生产安全的风险，提出切实有效的防治对策，对避免和减少地面塌陷区水害的发生，保证煤矿生产顺利进行并促进经济发展具有重大意义[1]。同煤集团煤矿埋深相对较浅、煤层较厚，容易引起开采沉陷并形成贯通性裂隙，产生地表水入渗的矿井水害风险较大，因此，本文课题有重要意义。

2 治理区域采取的治理途径

煤矿水灾事故只有三个必要条件同时具备，才会发生水灾事故。1）水源。包括地表水、洪水、松散层水、岩溶裂隙水、砂岩裂隙水、采空区水等。造成重大或特别重大事故的水源往往是岩溶裂隙水和采空区水。2）导水通道。它包括自然通道和人工通道两类。自然通道主要有断层、裂隙、陷落柱等，人工通道有钻孔、煤炭开采后导水裂隙带等。3）释放水空间。矿井开采产生人空间，包括井筒、巷道、峒室、采空区等。因此，根据某矿区生产补充地质勘探报告可知5号煤层煤系裂隙水对矿井生产影响小，然而5号煤层开采后，导水裂隙带将达地表，地表水经过地表裂隙缝进入矿井，是矿井的主要充水因素。因此，防治方案的设计以地表源头治理为主，辅以地下采空区隔水处理，同时加强地下水位监测，使矿区水灾害风险下降到最低水平。

3 治理区域概况及治理方法

本文讨论的治理区属丘陵地区，根据地表沉陷状况可分为塌陷坑体和周边裂隙群两类，采空区塌陷坑图片，见图1。由于塌陷坑的形成，阻断了原季节性排水沟的排水路径，同时塌陷坑内存在大量裂隙，雨季易造成积水，并通过裂隙入渗工作面；塌陷坑以东沿掘进方向形成了大面积裂隙，工作面两侧处裂隙较为发育，呈明显的“马鞍型”[2]。工作面上方沿掘进方向均出现不同程度的沉陷，其表土层为粉砂壤，渗水性能较强、机械强度低、支撑力较弱，随着开采时间的延续，尤其是一次较强降水后很有可能形成新的塌陷坑，造成新的安全隐患。

图1 采空区塌陷坑

地表塌陷坑的治理目标：平整坑体，坑底和坑侧进行防渗处理，并进行部分覆土，种植草本类植被，在原季节性排水沟下游处理挖开山体导流，防止一次性大量降水入渗地下工作面。地表裂隙群的治理目标：平整山体，浅度裂隙和中度裂隙用三七土充填压实，深度裂隙进行三七土充填处理，保障井下开采的安全，同时利用山势将降水导出沉陷区。

浅度和中度裂隙（裂缝宽0～0.5 m）夯填方法，见图2，先挖出50 cm×150 cm的沟槽，然后用三七土进行人工夯填，至少每20 cm分层夯实一次，压密后的三七土厚度不得小于0.5 m，密实度不得小于93%（注：三七土中熟化石灰颗粒粒径不得大于5 mm，熟化石灰与黄土按2∶1的比例搅拌均匀，颗粒粒径不得大于15 mm；三七土必须进行含水量试验，确保良好的防渗性能）。三七土夯实后进行黄土回填，进行夯实找平。

图2 中浅度裂隙夯填方法

深度裂隙（裂缝宽0.5～2 m）夯填方法，见图3，先挖出100 cm×200 cm的沟槽，然后用麻袋土充填裂隙，防止夯填的三七土下漏，再将三七土进行人工夯填，至少每20 cm分层夯实一次，压密后的三七土厚度不得小于1.0 m，密实度不得小于93%（注：三七土中熟化石灰颗粒粒径不得大于5 mm，熟化石灰与黄土按2∶1的比例搅拌均匀，颗粒粒径不得大于15 mm；三七土必须进行含水量试验，确保良好的防渗性能）。三七土夯实后进行黄土回填，黄土层回填高度至少高出地表0.5 m，形成梯形形状。

图3 深度裂隙夯填方法

塌陷坑（直径大于3 m）边坡先挖出60°角，塌陷坑经防渗处理后进行复土回填，回填高度为3 m，在塌陷坑周围挖出锚固坑。防渗工程设计图，见图4。

图4 防渗工程设计图

4 其他防治措施

1）地下水位监测系统建设：利用GPRS无线网络平台，将观测站的水位、温度数据发送到水位监控中心，通过监控软件，对水位、温度等数据进行实时监控，实现现场参数的采集、超水位报警等多项功能。

2）地表塌陷坑的治理：平整坑体，坑底和坑侧进行防渗处理，并进行部分覆土，种植草本类植被，在原季节性排水沟下游处理挖开山体导流，防止一次性大量降水入渗地下工作面。

3）地表裂隙群的治理：平整山体，浅度裂隙和中度裂隙用三七土充填压实；深度裂隙进行三七土充填或岩体灌浆处理，保障井下开采的安全，同时利用山势将降水导入塌陷坑。

4）采空区治理：在采空区设置防水闸门，使矿井与采空区隔离开来，一旦发生水患，矿井分区隔离，可以缩小灾情影响范围，控制水势危害，确保矿井安全，同时加大井下应急排水能力，可以进一步减少水灾风险。

通过以上环境治理工程，可以实时监控降水对地下水位的影响，对工作面突水进行预警；地表塌陷区内裂隙得以充填，坑体入渗得到较好的处理，同时通过植被，进一步提高了上覆土层的持水能力，加强了地表防渗层的防渗能力；采空区设置防水闸门，加大了井下应急排水能力，可以减少工作面突水事故风险。

5 结束语

经过现场裂缝长期观测，虽然表面治理达到了理想的效果，但还不能治本，发现还有变化塌陷，经过研究决定，需对采空区所对应的地面施工注浆孔，从根本上解决地表的塌陷问题，经过长期的观测通过这两种方法的联合作业，达到预期的效果，实现矿井的安全生产。

本次项目的研究与实施，在治理区建立了一套完整的开采沉陷区水害防治方法，不仅可以保障沉陷区的生产和人员安全，目前本治理矿区受影响工作面已安全度过汛期，保障了生产安全，截止到年底受影响工作面共采出原煤302万t，实现总产值8.45亿元，利润达到1.5亿元。通过沉陷区地面治理，改善了沉陷区的生态环境，恢复了当地土地的生态和农业功能，取得了良好的社会效益和环境效益。项目的研究和实施为巨厚煤层开采沉陷条件下煤层的安全、高效生产开辟了新的技术途径，为沉陷区水害治理提供了依据，积累了经验，减少了资源损失，具有积极的推广价值。

[1]刘占魁，刘冰蕾，王瑞智，等.国内矿山开采沉陷的主要研究方法及应用情况[J].西部探矿工程，2011（1）：176-178.

[2]韩光胜，程健维，易光旺.国外矿山开采沉陷预计技术研究及应用概述[J].中国安全生产科学技术，2011（7）：41-45.

Control Technology and Its Application in Mining Subsidence Areas in Mine

WANG Lijing
(Geological Survey Section,Datong Coal Mine Group,Datong 037003,China)

Mining subsidence could directly cause geological disaster of coal field environment. Effective control and reduction of the surface subsidence are essential to avoid the disaster.By data collection and analysis,an overall plan for geological environment treatment was established.For different geological disasters,targeted control measures should be adopted to guide the safety production in the mine.

mining subsidence;geological disaster;control measures

TD88

A

1672-5050（2015）03-0019-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.007

（编辑：刘新光）

2015-03-05

王丽静（1984-），女，山西平遥人，大学本科，助理工程师，从事煤田地质勘测工作。