采煤沉陷区灾害综合治理技术探讨

摘 要：采煤沉陷区中的地质灾害和地质环境灾害应当放在灾害链系统中进行分析和评价，然后融合岩土工程、生态恢复工程、景观恢复工程等多个学科对整个采煤沉陷区进行综合治理。文章主要针对两类灾害问题发生的情况进行探讨，旨在解决以后采煤沉陷区灾害治理存在的技术问题。

关键词：采煤沉陷区；灾害；治理技术

1 采煤沉陷区概述

地下可采煤层经过井工开采以后，开采区域周围岩体的应力进行重新分布以达到新的平衡状态，伴随着应力状态的不断调整，上覆岩层和地表将产生连续的位移、变形和非连续的破坏（主要为开裂和冒落等），这种现象被称为采煤沉陷，采煤沉陷在地表最直观的表现为塌陷坑和地裂缝。根据采空沉陷引起的地表变形和破坏的程度，通常将采空沉陷区域分为三个亚区：（1）中部区；（2）危险变形区；（3）轻微变形区。

2 研究区域的地质灾害现状与类型

一般而言，采煤沉陷区通常存在的灾害类型为采空区塌陷、煤矸石、矿井突水、瓦斯煤尘以及环境灾害等。就研究区域内的灾害类型而言，灾害类型主要表现在采空区灾害、煤矸石灾害、不稳定边坡的破坏灾害以及上述灾害所导致的环境灾害。相对应的灾害链类型为采空区灾害链、煤矸石灾害链。

2.1 采空区灾害链

地下采煤活动形成大面积的采空区，通常将采空区上方破坏的地层为依次划分冒落带、裂隙带和弯曲带，最终形成大面积的地面塌陷和大范围的地裂缝，地面塌陷和地裂缝的形成是采空区灾害链的第一环节，也是采空塌陷导致的最直接的灾害，到此为止，采空区灾害链并未结束，而刚刚开始。地面塌陷和地裂缝的形成将导致地貌景观的直接破坏，地表建构筑物、公路及其他公共设施由于地表的不均匀塌陷和地裂缝的存在而发生开裂、倒塌等破坏；由于地裂缝的形成，地表土层中的水肥极易沿着地裂缝进入导水裂隙带，甚至会沿着导水裂隙带中的裂隙不断下渗而流失，这样的结果将导致地表土壤干旱，肥力下降，耕田中的农作物大幅减产，植被覆盖面积大幅缩水，生态平衡严重破坏；地裂缝如果在边坡地段比较发育，地表水容易沿着地裂缝直接进入坡体内部，导致坡体岩土体饱水，饱水的岩土层，其重度增加，抗剪强度极具降低，剪切力增大，稳定程度减小，极易发生失稳破坏，而形成滑坡等地质灾害。

2.2 煤矸石灾害链

地下煤炭资源通过井工开采，源源不断的向地面输送大量的固体能源的同时，除了形成大面积的采空区，也向地面输出大量的固体附属产品-煤矸石。由于过去煤矿对煤矸石的危害重视不足，管理水平有限，导致大量的煤矸石直接沿矿区沟谷两岸堆填，日积月累形成大量的矸石山。在强降雨、地震等诱发因素影响下，煤矸石易失稳引发滑坡等地质灾害，呈松散堆积状的滑体极易在强降雨作用下形成泥石流等次生地质灾害；煤矸石的堆填必然要占用大量的土地资源，造成矿区耕地面积减少，植被破坏严重的后果；煤矸石呈松散状堆积，内部空隙连通性较好，且直接暴露与空气中，供氧条件良好，极易发生不同程度的自燃现象，产生的废气对周围的空气造成严重的污染，释放出的一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、苯化合物等有毒、有害、致癌气体造成了周围农作物减产、周围居民的身心健康严重损害的严重后果。

3 采煤沉陷区的断链减灾模式

针对采煤沉陷区内灾害链的发育特征可知，孕源断链减灾的时机已经错过，而灾害发生后的断链不能达到减灾的目的，只能采用介于中间的致灾环节断链。即在采煤沉陷区灾害链的致灾环节中，采用各种措施人为干预切断灾害链环，从而使灾害链的损害环节不能发生而达到减灾的目的。在采空区灾害链中，致灾环节主要为原始地形地貌条件经过采煤活动，形成采空区，随着地应力的不断调整，采空区上部岩层发生着不同程度的位移和变形，最终在地表以地裂缝和地面塌陷的形式表现出来。该环节断链减灾模式为对采空区进行注浆处理，对地表的地裂缝进行封填。通过在致灾环节采取采空区注浆和地裂缝封填的方式进行断链减灾可以消除采空区灾害链中损坏环节中的各种灾害。在煤矸石灾害链中，致灾环节主要为由采煤活动带来的巨量固体废弃物-煤矸石沿着沟谷岸坡随意堆弃，形成煤矸石堆。在该环节中，通过工程支挡可以使煤矸石堆处于稳定状态，不会发生滑坡等地质灾害；通过坡面防护，对坡面进行生态绿化，可以隔绝雨水、空气，避免自燃和淋滤作用，防止污染大气、地下水，腐蚀土壤，同时坡面绿化能够增加植被覆盖面积。综上所述，煤矸石灾害链的断链减灾方案为工程支挡和坡面防护。在不稳定边坡灾害链中，致灾环节主要为原始地形地貌经过工程开挖坡脚，形成很多高陡边坡。在致灾环节中，根据边坡的稳定程度，采用工程支挡锚固或者生态护坡等手段，消除不稳定边坡发生滑坡崩塌等地质灾害的威胁，该手段就是不稳定边坡灾害链中的断链减灾方案。

4 治理方案

在对采煤沉陷区进行灾害现状分析的基础上，在上述工程的基础上，提出针对采煤沉陷区内采空区灾害、煤矸石灾害、不稳定边坡等三类地质灾害以及环境灾害的综合治理方案，使得采煤沉陷区得到真正的综合治理。

4.1 采空区灾害的综合治理方案

采空区灾害首先采用注浆进行工程治理，地表塌陷坑、地裂缝采用封填进行综合治理。在研究区域内，采空区注浆的范围包括采空区地表建构筑物附加荷载大的区域以及蓄水池的区域，注浆面积约为43030m2，总注浆量为91460m3，注浆材料采用水泥粉煤灰浆，水固比1：1.2～1：1.5，水泥含量占固相的20%，注浆的帷幕孔间距为20m，注浆孔间距为25m，注浆孔呈梅花型布置；塌陷坑及地裂缝的治理则采用表土剥离，分层回填碾压的方式回填至设计标高，并在预先准备绿化的区域回填30cm厚度的种植土，在平整的绿化区域平铺草皮进行绿化，而坡面上则采用种植乔木的方式进行绿化。通过上述综合治理方案的实施，则能从根本上消除地表位移变形，有效控制采空塌陷坑及地裂缝的进一步发育；而对塌陷坑和地裂缝进行及时的回填，一方面避免地表水肥沿着裂缝流失，能使植被面积逐渐恢复，农作物减产问题得到有效缓解；另一方面，对地表裂缝的及时回填能有效避免地表水沿着边坡地段的裂缝进入坡体而造成的边坡失稳破坏。该综合治理方案能够有效消除采空区灾害。

4.2 煤矸石灾害的综合治理方案

研究区域内存在三处煤矸石堆，堆积体积总共大约33200m3。由于煤矸石堆的成分比较复杂，除煤矸石外，包含建筑垃圾、杂填土，能够再次利用的可能性降低；同时，由于堆积体积过大，堆积区域地下非常复杂，对煤矸石堆积体进行清理的成本过大。综合考虑煤矸石灾害链的断链减灾模式、场地利用状况、治理费用等因素，确定煤矸石灾害的治理方案为固源。对三处煤矸石堆积体依据地形条件按照1：1.5的坡率分层碾压夯实，使得煤矸石堆积体不再呈松散状堆积，稳定性得到极大改善；坡面采用浆砌片石拱形骨架进行护坡，拱形骨架宽3m，骨架内填铺一层厚30cm的种植土，然后铺设草皮进行生态绿化。通过上述治理方案，能够避免煤矸石堆在降雨状况下发生滑坡，也从固源方面消除了泥石流发生的威胁。同时，对坡面进行的生态绿化防护能够避免煤矸石接触空气，有效降低了煤矸石发生自燃而污染空气。

参考文献

[1]肖盛燮.生态环境灾变链式理论原创结构梗概[J].岩石力学与工程学报，2006，25（增1）：2594-2603.

[2]韩金良，吴树仁，汪华斌.地质灾害链[J].地学前缘（中国地质大学（北京）；北京大学），2007，14（6）：11-23.

作者简介：孔荆陶（1988，8-），男，本科，湖北沙洋，武汉中南冶勘资源环境工程有限公司，地质工程。