阳泉矿区采空区分布特征及治理措施

王 海 祥

(山西国辰建设工程勘察设计有限公司,山西 阳泉 045000)



阳泉矿区采空区分布特征及治理措施

王 海 祥

(山西国辰建设工程勘察设计有限公司,山西 阳泉 045000)

介绍了不同采煤方式形成的采空区特点，分析了影响采空区地基稳定性的因素，并探讨了评价采空区稳定性的原则与方法，提出了不稳定及稳定性差的采空区治理措施，确保了采空区的安全性。

矿区，采空区，开采方式，稳定性

阳泉矿区地处沁水煤田之东北边缘，是我国最大的无烟煤生产基地。具有交通条件方便、地质构造简单、可采煤层埋藏较浅等优点，开采历史十分悠久，数百年来由于煤炭开采形成的各种不同规模及不同形式的采空区在阳泉矿区及周边广泛分布。采空区的存在使本地区地质环境遭受严重破坏，也成为危及矿区工业及民用建筑安全、增加工程造价的主要因素。因此，通过对阳泉矿区采空区分布特点的分析，结合地区建筑经验，研究各类采空区对地表建筑的危害程度，以确定合理的治理措施，是一项有意义的工作。

1 不同采煤方式形成的采空区特点

1.1 手工采煤阶段的开采方式及形成的采空区特点

阳泉矿区在解放初期(1947年—1951年)以及解放前(1947年以前)煤炭开采和掘进完全依靠手工完成，运输和提升主要靠人力、畜力完成，只有个别有规模的矿井配备少量提升和运输机械(保晋公司的矿厂和日伪时期的矿井)。阳泉煤矿基本上是依靠掘进巷道出煤的，因此，巷道掘进量很大，但延伸都不远(采深多小于70 m～100 m，且分布于露头区或浅埋区)。掘进手段是人工搬和凿壕，巷道一般不进行支护，唯有当顶板(或顶煤)破碎或片帮严重处，才用少量立柱支撑，然后采用扩帮的采煤方式，巷宽2.0 m～5.0 m居多。在保晋时期开采15号煤(丈八煤)采用残柱高落式采煤法，这一方法是沿煤层下层开凿大量巷道，由巷道把煤层切割成若干个小方块的煤柱，然后刷帮扩大巷道，巷道宽度3 m～7 m不等(视顶煤完整状态情况而定)，个别达到10 m左右，缩小煤柱四壁，使中～上层煤因自重而坍塌回收，这种方法资源浪费严重，回收率均不到30%。而且基本上以回收块炭为主，碎煤及末煤大多留于井下空巷之中。上述开采方法在阳泉周边农村小煤窑基本沿用到20世纪70年代中后期。

这类开采方法形成的采空区具有如下特点：埋深多在30 m～70 m，个别达70 m～120 m，巷道多呈网状分布极不规律，采空区以大量空洞形式存在，多数发生冒落，采空区覆岩没明显的裂隙及弯曲下沉现象，回采率较低(15%～20%居多，少数能达到20%～30%)，地表多无明显开裂、沉降变形迹象，只有少部分采深较浅(一般小于35 m或更浅)时地表局部开裂或有坑状塌陷(形成较大采场礼堂式开采时)，发生时具有突发性。这类采空区一般没有采掘资料可参考。

上述采空区分布于阳泉市区中～西部及周边煤层浅埋区，是矿区分布最多的采空区形式。

1.2 解放后乡镇地方煤矿开采方式及形成的采空区特点

阳泉地区乡镇煤矿及地方煤矿，在1970年—1990年为高峰期，达数百座之多，大多以手工开采为主，在1970年前期多为开巷扩帮的开采方式，一般不支护。到后期出现残柱式或房柱式开采，只有个别有规模的地方煤矿在70年代后期～80年代初期在部分采空区用短壁陷落法开采。

这类开采形式的采空区多分布在矿区周边，由于作业不规范，回采率低(一般均在30%以下)，残留大量巷道空洞与前述1.1开采方式形成采空区特点相近，当为短壁式开采时采空区空洞率减小,有冒落带、裂隙带、弯曲变形带发育或部分发育，顶板大部分冒落。大多没有正规开采资料，在矿区周边小窑，埋深多在30 m～70 m，达100 m以上则较少。该类采空区亦是近年矿区地表建筑涉及的主要采空区之一。

1.3 走向长壁式陷落法采煤方式(含短壁式)及形成的采空区特点

1950年—1951年阳泉矿务局试验成功15号煤(丈八煤)走向长壁倾斜分层煤皮顶板下行陷落采煤法和单一煤层3号煤(七尺煤)走向长壁陷落采煤工艺，从此走向长壁采煤法与短壁采煤法成为阳泉矿务局主要的采煤方法，而且长壁式采煤方法所占比例逐步提高，从1951年开始阳泉矿务局跨入了长壁炮采的新时期，至此，阳泉矿务局煤炭生产技术结束了手工生产阶段，煤炭回收率达60%以上，后来又在1965年试验成功普通化机械开采，1973年试验成功综合机械化开采，工作面长度多在100 m以上，开掘走向长度多在500 m～1 000 m，回收率达95%以上。顶部管理采用自由或强制冒落方式。这类采煤方法具有机械化程度高、回采率高，推进速度快的特点。

上述采煤方法所形成的采空区具有以下特点：1)有完整的采掘资料，采空区面积大，采空区内空洞率较小(长壁式空洞率小于短壁式)并且随着时间推移空洞率逐步变小，采空区覆岩形成明显的“三带”，冒落岩石逐步压实，裂隙带裂隙逐步减小。2)地表移动变形速度快、变形量大，引起地表开裂，沉降塌陷，坡体滑移及崩塌等地质灾害发生，随着时间推移变形量逐渐减小，壁式开采前三个阶段为移动延续期(本矿区移动延续时间在145 d～450 d之间，分别为初始期、活跃期、衰退期)，此后地表进入残余变形期，到衰退期后地表变形基本结束。但与工作面长度(开采规模)有关，工作面规模愈大地表移动变形发展愈快，愈充分，反之，因开采不充分地表移动变形愈长。由于达不到充分采动，残留空洞及上部冒裂带为残余变形的发生发展提供了条件，再加煤柱的侵蚀、压垮等都可能引起地表变形。

2 采空区地基稳定性的影响因素

2.1 采煤方法及顶板管理方法

1)长壁式陷落法。大型及特大型矿井常规采煤方法，单一工作面长度大于100 m，工作面推进长度通常在500 m以上，顶板自由或强制冒落。地表变形移动速度快，变形量大，后期空洞率及残余变形量较小。

2)短壁陷落法。中型矿井及阳泉矿务局早期(60年代以前)的常规采煤方法，单一工作面长度在60 m～80 m之间，工作面推进长度在200 m～300 m之间，顶板自由冒落，回采率较长壁法低一些，地表移动变形量及移动速度相对小一些，采空残余空洞率及残余变形量都较长壁略大或较长一些。

3)残柱式或房柱式采煤法。目前小煤矿多使用的采煤方法，均以开掘巷道，刷帮开采，采巷长，宽度视顶板而定，一般不支护顶板自然冒落。回采率低，变形规律差，空洞率大，一般浅层易出现塌陷或环形沉陷坑，浅层采空常诱发突发性变形——开裂、塌陷(抽冒)。

4)手工采煤法。小窑早期的常用开采方法，均以开掘巷道采煤为主，适度刷帮，顶板多不加支护，回采率低，空洞率很高，浅层采空易发生突发性变形——开裂、塌陷。

2.2 覆岩的物理力学性质

阳泉矿区采空覆岩以中硬砂岩、砂质泥岩、石灰岩和泥岩为主，岩层水平层理及节理、裂隙较发育，平均单向抗压强度25 MPa～70 MPa，具有顶板冒落快，地表下沉及移动变形量大，延续期较短等特点。

2.3 采空深度及开采厚度

阳泉矿区大量采空观测资料表明：地表移动变形大小随开采深度增大而减小，地表变形范围则随开采深度增大而增大，开采厚度愈大或开采煤层愈多，地表变形亦愈大。因此采用采深采厚比来衡量采空地表稳定性的影响。

1)浅层采空区，采深采厚比(H/N)小于40。壁式开采地表移动剧烈，移动速度与变形量都很大，地表可能出现明显台阶状塌陷裂隙和塌陷坑，地表张裂隙有可能与下部裂隙带联通，开采过程剧烈变形，但移动延续时间短，非正规开采形成空洞及残余变形可能对地表稳定性构成潜在的危害。

2)中深层采空区，采深采厚比(H/M)在40～200之间，壁式开采，地表产生不同程度移动、变形、裂隙，非正规的开采采空空洞及残余变形也有可能对地表稳定性构成不同程度的危害。

2.4 开采时间

正规的开采而形成的采空引起地表移动或变形都要经历初始期、活跃期、衰退期和残余期四个阶段。前三个阶段为移动延续期，阳泉矿区壁式开采移动延续期在145 d～450 d之间。当移动延续期过后地表变形基本结束，除非达不到充分开采，残留空洞及冒裂带仍为残余变形的发生和发展提供了条件，加上煤柱侵蚀、压垮仍有可能引起地表变形。

非正规开采形式的采空，残余变形非常缓慢，经历相当长时间后，浅层采空仍可在外力作用下发生冒落(阳泉地区称为抽冒)而影响到地表。

2.5 地形地貌

矿区地处太行山山区，为山地中～低山及丘陵地貌。沟谷纵横，地形起伏较大，在地形地貌特点下，地下采煤除生产沉陷变形外，多有坡体滑动或采动滑坡、崩塌以及古滑坡复活等地质灾害发生。

3 采空区稳定性评价原则的选择与确定

由于建筑场区下伏地层中存在采空区(一般为已开采结束的老采空区)，对地表建(构)筑物的安全使用会构成不同程度的危害，危害程度的界定也就是安全标准，标准高会造成建设投资增大，造成建设资金的浪费；而标准低，则会使建筑工程的安全使用受到威胁。在阳泉矿区由于土地紧缺，采空区的问题不可回避，因此应该充分参考国内、国际采空区治理成功经验，并充分结合阳泉矿区半个多世纪以来对煤矿开采引起地表移动及变形的观测研究资料，以及阳泉矿区在采空区场区的建筑治理经验，进行采空区场区的稳定性分析评价，工作中基本总结形成如下原则或规律：1)阳泉矿区开采方式为壁式(长壁、短壁)，停采时间达5年以上，可视为稳定场地。2)阳泉矿区当其采深采厚比H/M≥40时，开采方式为开巷刷帮式、房柱、残柱，回采率一般小于30%，停采时间达10年以上，可视为稳定场区。3)当为多煤层开采时，最下层计算采深采厚比，以最晚结束开采的时间计算开采时间。

以上为初判原则，而详细的评价工作仍应按《岩土工程勘察规范》有关要求进行。采空区的前期调查十分重要，一般通过现场及周边调查地表采空破坏迹象，走访老居民老矿工了解房屋损坏及井下开采状况，搜集采掘资料，再进一步采用物探圈定异常区，钻探确认办法。非正规的小窑开采方式可采用《工程地质手册》推荐的计算方法验算地基的稳定性，而壁式开采则应计算剩余变形量(倾斜变形、水平变形、曲率变形)来评价地基稳定性。

4 采空区治理措施的选择

多年的采空区建筑经验表明，阳泉矿区乡镇煤矿(含古窑)以及阳泉矿务局原多种经营公司开办的小矿在停采10年以上，采深达到40 m以上时，进行多层住宅及一般厂房设施建设，可以不进行专门的采空区治理，但地表建筑物应采取抗变形措施，即增加基础整体性、增加结构刚度，合理留设沉降缝及变形缝等措施；而壁式的开采区，在20世纪90年代以前形成采空区之上进行建设(多层住宅及一般工业设施、厂房)亦不必进行专门的采空区治理措施，但亦需采取抗变形措施，这类采空区必须注意斜坡场区是否存在采动引起地表滑移或滑坡(含古滑坡复活)的状况。

经评价不稳定或稳定性差的场区采空区治理措施如下：1)回避采空区，在选址阶段进行。而阳泉矿区特别是老矿区大多是难以回避的。2)采空区充填加固，钻孔注浆，一般采用混合浆液充填(水泥+粉煤灰、水泥+粉煤灰+矿渣、水泥+粉煤灰+黄砂、水泥+黄土、细石混凝土等)，主要针对小窑采空区。3)现代化壁式开采形式的采空区，注浆充填加固冒裂带岩石裂隙及剩余空洞，采用细粒成分水泥浆或混合浆液。地表裂隙则采用水泥浆或粗砾砂灌注。4)浅层采空区小于10 m时条件许可，可直接挖除换填，10 m～15 m或更深一些采用桩基穿越至煤层底板。5)基底设置褥垫层，多在壁式开采的采空区之上设置砾砂、级配碎石、加筋土垫层等。6)采空区之上建筑物或构筑物均应采取必要的建筑和结构措施，即整体柔性局部刚性的原则：加强基础整体性——筏板基础、箱形基础等，增强结构刚度——增设构造梁柱等，避免过高、过长，结构单元分离，沉降缝与伸缩缝留设等。7)建(构)筑物的沉降变形观测措施。

5 结语

经过多半个世纪的建设，阳泉矿区已有数以千计的民用住宅、办公服务设施、选煤设施、电厂等以及铁路、公路，建造在各类采空区之上。结合建筑经验、采空区分布状况分析总结本矿区在采空区治理方面经验和教训，建(构)筑物由于采空区原因发生变形损坏造成巨大的经济损失以及对生产、生活的影响实例不少；而通过较为细致的工作合理的采取治理措施而成功的经验更多，无疑对该矿区以后建设有重要意义。本文只是对阳泉矿区采空区特点及治理措施的粗略总结，有必要在以后工作中进行更深入的研究探讨，总结更加适用于本矿区采空区评价和治理的方法措施。

The gob distribution characteristics and control measures in Yangquan mining area

Wang Haixiang

(ShanxiGuochenConstructionEngineeringSurvey&DesignLimitedCompany,Yangquan045000,China)

This paper introduced the gob characteristic of different mining methods formation, analyzed the factors influence of gob sub-grade stability, and discussed the principles and methods evaluation of gob stability, put forward the gob treatment measures of instability and lower stability, ensured the safety of gob.

mining area, gob, mining method, stability

1009-6825(2016)32-0080-03

2016-09-06

王海祥(1962- )，男，工程师

TD822

A