煤矿采空区勘察及处理工程实例

２００６年增刊　ＧｕａｎｇＤｏ广东公路交通　ｎｇ　ＧｏｎｇＬｕ　ＪｉａｏＴｏｎｇ　总第９７期　文章编号：１６７１—７６１９（２００６）０５—００２６—０４　煤矿采空区勘察及处理工程实例　杨新亮　（铁道第一勘察设计院，西安７１００４３）　摘要：通过介绍锦齐线增建第二线包家一矿、二矿采空区的勘察方法、开采特点、分布特征、处理原则及措施，对　相类似的煤矿采空区的勘察和工程处理有一定的参考和借鉴作用。　关键词：煤矿；采空区；勘察；工程　中圈分类号：Ｕ４１２．２２　文献标识码：Ｂ　Ｏ　工程概况　层倾角ｌ０。～ｌ５。。另外煤田范围内岩浆岩体较发　锦齐线锦州至新立屯段线路通过阜新百里矿　育，为喜山期辉绿岩侵人体，岩墙岩床并存，以岩　区，既有铁路两侧大小煤矿数百家，增建第二线因　墙为主，岩墙倾角６５。一８０。，宽３—１５ｍ。现将地　受煤矿采空区影响，推荐方案已绕避大多数采空　层由新到老分述如下：　区，但由于增建第二线设计标准为国铁Ｉ级、时速　（１）粘质黄土（Ｑ　＋ｐ１３）：主要分布于表层，厚２　１６０ｋｍ／ｈ，因此个别地段经过了煤矿采空区。其中　—３ｍ，褐黄色，土质不均，软塑一硬塑，Ⅱ级普通　ＣＫ７０＋６０６～Ｋ７３＋０５２段线路经过包家一矿、二　土。　矿大面积采空区及宏大煤矿规划区，这些煤矿井　（２）粗砂（Ｑ　）：黄褐色，厚ｌ一２ｍ，矿物成　田境界大于小煤窑，小于大型国矿，归属乡镇、集　分主要为石英、长石等，含砾约２０％，粒径多在２—　体所有，而且是在国矿平安五井周围兴建起来的，　５ｍｍ之间，可见最大粒径１５ｍｍ，稍密，潮湿一饱　顶板厚度一般６０～２５０ｍ，线路拟以路基填方形式　和，Ｉ级松土。　通过该段煤矿采空区和规划区，并存在压煤现象。　（３）细圆砾土（Ｑ　¨ＰＪ。）：黄褐色，厚２～３ｍ，磨　１　煤矿采空区勘察方法　圆度和分选性较好，成分主要为石英、长石，粒径　勘察为初测阶段，勘察期间在认真研究区域　一般大于２ｍｍ，质较纯，中密，饱和，Ⅱ级普通土。　资料的基础上，根据初测任务书的要求，针对煤矿　（４）砂岩（　）：下伏于第四系地层下部，浅灰　大面积采空的特点，采用调查、访问、搜集资料等　色，细砂质结构，层状构造，泥质胶结，强风化层厚　方法，基本查明了煤矿采空区的开采历史及分布　３一ｌｌｍ，１１Ｉ级硬土；以下弱风化，Ⅳ级软石。　范围，初步确定了采空区及地面影响范围，同时结　（５）泥岩（Ｊ　）：下伏于第四系地层下部，灰黑　合工程辅以必要的钻探、取样工作，以揭示上部覆　色，泥质结构，层状构造，强风化层厚３一ｌｌｍ，１１Ｉ级　盖层的物理力学参数，提供稳定性检算指标。　硬土；以下弱风化，Ⅳ级软石。　２地质环境特征　２．３地质构造　２．１地形地貌　本段位于ＮＮＥ向展布的狭长形断陷煤盆地，　以山间冲积平原为主，局部通过低缓丘陵，地　其大地构造单元处于中朝准地台之阴山山脉东西　形较平缓，局部略有起伏。　向构造带与大兴安岭新华夏系隆起带交接复合部　２．２地层岩性　位。盆地因受区域力偶左旋扭动作用，南沿医巫　本段井田范围出露第四系全新统冲、洪积层　山吕山，北沿小松岭山麓产生了高角度锯齿状边　厚５～６ｍ，下伏侏罗系含煤的阜新组地层，厚２５０　缘大断裂，大致呈Ｎ３５。一４０。Ｅ延伸，其控制了阜　—４２０ｍ，岩性有砂岩、泥岩、煤层等，其中含可采煤　新断陷盆地展布、沉积和地质构造形态特征。　层的只有一层（孙本层），赋存范围自煤层露头至　２。４地震与地震动参数　高程一１３０ｍ，埋深６０～２５０ｍ，煤层厚０．４—２ｍ，煤　根据１：４００万《中国地震动参数区划图》　．２６・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年增刊　杨新亮煤矿采空区勘察及处理工程实例　总第９７期　（ＧＢ１８３０６—２００１）的划分，结合本段工程地质与水　文地质条件及工程设置的实际情况，地震动峰值　加速度值为０．０５ｇ（相当于地震基本烈度六度），地　震动反应谱特征周期采用０．３５ｓ。据地震部门多　年观测记载，本地区无中、强地震史，有时发生一　至三级矿震和弱震，但对厂矿生产和市民生活无　多大影响。　２．５气象　至翌年５月上旬，最大冻结深度１，４０ｍ。　２．６水文地质特征　本段井田内煤系地层为不含水岩层或弱含水　层，在开采平安五井期问，孙本层露头区域小矿开　采破坏了第四系含水层（本次钻探揭示地下水位　埋深４～５ｍ），煤田区地表水系、第四系含水层和　基岩裂隙水通过火成岩岩墙裂隙和断层裂隙补给　井下，使得水文地质条件较复杂，连通补给关系紊　乱，如某些小矿曾因遇老塘积水造成被淹。　据阜新市气象站气象资料显示：工程场地位　于中温带亚干旱、大陆性季风气候区，夏季炎热、　多雨，冬季干寒，春秋两季多风。一月份气温最　低，平均气温一ｌ６．４。Ｃ；７月份气温最高，平均气温　２７．２。ｃ，全年平均气温８．５。Ｃ。降水主要集中在６　３　煤矿采空区分布特征　线路在ＣＫ７０＋６０６～Ｋ７３＋０５２段局部通过煤　矿采空区并存在局部压煤情况，其中线路范围内　分布的煤矿有：包家一矿（已闭坑）、包家二矿（已　闭坑）、宏达煤矿和镇东煤矿两个运输巷道。具体　分布及压煤量见图１和表１、表２。　月、７月、８月、９月四个月份，年平均降水量　４５８ｍｍ，无霜期１４５～１８０ｄ，冻结期自１０月上旬起　目　田　固　匣　Ⅲ　巨　Ｉ州●■　口　Ｉｌ‘　图１　包家一矿采空区和灌浆孔分布平面图　表１　煤矿采空区段落一览表　－２７・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年增刊　广东公路交通　总第９７期　表２压煤■估算表　（１）ＣＫ７０＋６０６～ＣＫ７１＋３１８：该段线路中线　从包家一矿矿区中部经过。包家一矿开采煤层为　孙本层，层厚０．７～１．９ｍ，高程一２８～一１３０ｍ，埋　藏深度１４５～２４０ｍ，煤层倾角ｌＯ。～ｌ５。。该矿于　１９９１年建井，１９９２年投产，斜井片盘式开拓，采煤　方式为房柱式开采，回采率在８０％一９０％之间，自　１９９２年至１９９９年秋，经过了近７年的开采，但由　于井筒长且所穿越砂泥岩层较软，井巷维修量大，　阻碍了正常生产，仅开采了井田内浅部（可能在高　程一１００ｍ以上），后来一直停产。目前ＣＫ７０＋　８６５一ＣＫ７１＋２３４段经过其采空区，采空区底板高　程一３８～一７０ｍ，埋藏深度１５０—１８０ｍ，据当地老　百姓讲，该矿井下支巷道间距远远小于２５ｍ，目前地　表为可能塌陷区，对路基工程有一定的影响，须进行　基底处理。其它段存在压煤问题，经计算，增建第二　线压覆包家一矿井田境界内煤量约１２．８万ｔ。　（２）ＣＫ７１＋３１８～ＣＫ７２＋１７６：该段线路右侧　分布有包家二矿和宏达煤矿，两煤矿相邻。包家　二矿与包家一矿开采煤层情况相同，比一矿停产　时间早些，已彻底闭坑。包家二矿采空区边界线　位于ＣＫ７１＋８１５一ＣＫ７１＋９４０右侧２Ｏ～６４ｍ，该矿　采空区底板高程一ｌ８～一２２ｍ，埋藏深度１２８～　１３５ｍ，开采煤厚０．７～１．８ｍ，煤层倾角ｌＯ。～ｌ５。，　按《铁路工程地质手册》计算保护矿柱（国铁Ｉ级，　路基按围护带宽２０ｍ、填方高３ｍ考虑），距线路的　距离为６４～６６ｍ，而包家二矿采空范围已超越线路　保护矿柱线，影响路基工程稳定性，须进行处理。　宏达煤矿为生产矿井，采用条带式、刀柱式等非正　规采煤方法开采，服务年限在１Ｏ年以上。从现有　调查资料可以看出，尚未在增建第二线压覆煤层范　围内开采，其采空区范围离线路较远，虽对路基工程　无影响，但存在压煤问题。该矿开采煤层为孙本层，　厚０．７—１．８ｍ，高程一５一一２０ｍ，埋藏深度１１５～　１３２ｍ，经计算压覆宏达煤矿境界内的煤量０．９万ｔ。　（３）ＣＫ７２＋１７６～Ｋ７３＋０５２：该段线路在　ＣＫ７２＋２０７一ＣＫ７２＋２１１、Ｋ７３＋０１２～Ｋ７３＋０１６　段经过镇东煤矿两个运输大巷，经过处巷道底板　－２８・　高程一１３ｍ，埋深１２３ｍ，井筒断面上宽３ｍ，下宽３．　５ｍ，高约２．８ｍ，巷道倾角约ｌＯ。，增建第二线在既　有线右侧并肩，巷道对路基工程影响不大。　４沉稳性分析评价　４．１　包家一矿、二矿采空区稳定性评价　４．１．１定性分析　根据现场调查，结合阜新矿区四十多年来岩　移观测总结的经验及岩层移动规律，本段四个煤　矿（包家一矿、包家二矿、宏大煤矿、镇东煤矿）是　在原国矿平安五井井田范围及周边地区兴建起来　的（原平安五井于１９７５年投产，１９９４年７月因细　河改道，河水由小井井筒灌人，致使平安五井被淹　停产，２００１年３月，平安五井破产后，由平安五井　集体公司排矸井等乡镇、集体、个体煤矿以立、斜　井开拓，采用条带式、刀柱式等非正规采煤方法进　行重采、复采孙本层和盘下层残余煤量），这些集　体、个人煤矿均采用非正规采煤方法进行重采、复　采孙本层煤，造成岩层沉陷二次活化。实践证明，　采用非正规采煤方法开采的煤层上部岩层沉陷　“三带高度”非常不规律，地表沉陷非常不均衡，其　岩移参数和沉陷规律目前国内外也尚未完全掌　握，日伪时期至今半个多世纪前在阜新矿区用非　正规采煤方法开采的煤矿如新邱、高德、八道壕等　矿浅部近年仍有局部沉陷的现象发生。本次调查　期间，地表多处有沉陷洼地分布，因此线路经过的　采空区范围均处于非稳定状态。　４．１．２定量分析　根据现场调查结果，利用原阜新矿务局地测　处经验资料，对其稳定性进行评价。　原阜新矿务局地测处在１９９１年对阜新矿区　６Ｏ年代到９Ｏ年代初的岩移观测资料进行了综合　分析，得到了阜新矿区的地表移动和变形的基本　规律，求取了阜新矿区岩移参数。自１９９１年后预　计地表移动与变形时一般选用１９９１年求取的参数　值。在充分或接近充分采动，考虑全陷的条件下：　（１）地表最大下沉预测值Ｗｏ＝ｑ×Ｍ×ＣＯＳ０／　（　一最大下沉值，　一采厚，　一煤层倾角，口一最　大下沉系数，阜新矿区平均值为０，６６），经计算，包　家一矿地表最大下沉预测值Ｗｏ＝０．６６×２×　ｃｏｓｌ０。＝１．３０ｍ。　（２）最大水平移动值Ｕｏ＝Ｗｏ×ｂ（Ｕｏ一最大水　平移动值，　一最大下沉值，６一水平移动系数：采　深小于１００ｍ时，取６＝０．２５；采深大于１００ｍ时，取　ｂ－－０．１８），经计算，包家一矿地表最大水平移动预　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年增刊　杨新亮　煤矿采空区勘察及处理工程实例　总第９７期　测值Ｕｏ＝１．３０×０．１８＝０．２３ｍ。　（３）最大下沉角０＝９０。一０．８ｏｒ（　为煤层倾　角），经计算，包家一矿采空区最大下沉角０＝９０。　一０．８×１０＝７２。。　浆液自流进入采空区，当遇到大空洞时，可加砂、　碎石等粗骨料，同时浆液比重适当加大，以减少浆　液的流动性，确保浆液不流出处理范围太远。　②问歇灌浆。自流灌浆久注不满，压力灌浆　压力一直不上升，未达到设计压力而出现孔口或　地面冒浆，这时就需要间歇灌浆，即注一段时问，　间歇一段时间，让每次注入岩层的浆液有个析水　凝结的过程，这样就有效充填了岩层空隙，阻止再　（４）冲积层移动角　＝４５。；基岩移动角６（走　向）＝７２。；　（上山）＝７５。；／３（下山）＝７３。。　（５）三带高度：冒采比４．７，裂采比１６．５。　从以上地表移动和变形的预测值可以看出，　其最大下沉值大于ｌｍ，最大水平移动０．２３ｍ，对增　建二线影响很大。　鉴于该段煤矿分布密度较大，且用非正规方　法采煤和地表仍处于非稳定状态的特点，结合各　煤矿实际开拓开采情况不一定严格按照国家审批　的范围执行的现象（特别应该指出的是：若在铁路　煤柱下进行了采掘活动，该矿也不会填绘到对外　和上报图件资料上），建议线路绕避该矿区，如通　过时各类工程均须进行采空区处理。　４．２镇东煤矿两个运输巷道稳定性分析　镇东煤矿两个运输巷道，其断面上宽３ｍ，下宽　３．５ｍ，高约２．８ｍ，可以看作小煤窑采空区，其埋深　１２３ｍ，顶板厚度远远大于６０ｍ，线路在此以低填路　基形式通过，按照目前的规范，可以不考虑处理。　５工程措施及方法　（１）对线路通过宏大煤矿境界，目前只存在压　煤问题，应及早与其协商预留保安煤柱。　（２）ＣＫ＿７０＋８６５一ＣＫ７１＋００６、ＣＫ＿７１＋０４０～　ＣＫ７１＋２３４、ＣＫ７１＋８１５一ＣＫ７１＋９４０段路基基底　下煤矿采空区（如图１阴影部分）采用钻孔灌注水　泥粉煤灰浆，水泥粉煤灰砂浆法进行处理。处理　宽度：路基两侧保安煤柱线以内范围为处理宽度。　灌浆深度：填方基底至煤层底板之间的所有采空　层。灌浆孔布置：在处理范围内，灌浆孔按排距　５ｍ，间距６ｍ呈三角形布置，线路中心必须布置一　排孔（如图１所示），四周范围设置两排帷幕孔，采　用水泥粉煤灰砂浆灌注。水泥粉煤灰砂浆按水固　比１：１．２配比，水泥加入３％的速凝剂；水泥粉煤　灰砂浆按水固比１：４．７配比，水泥加入６％的速凝　剂。ＣＫ７｜＋０２２、ＣＫ７１＋０４９处中线位置竖井采用　矿渣与水泥粉煤灰浆混合后回填。灌浆顺序：先　施工最外排的灌浆孔即帷幕孔，然后再施工中间　孔。钻孔灌浆孔：采用ＸＹ一５００型钻机钻进，钻至　最下层采空区底板以下１．０ｍ即可终孔。　（３）灌浆工艺：　①自流灌浆。由于煤矿采空区有一定空间，　冒浆，防止浆液流出处理范围之外。　③压力灌浆。当煤矿采空区被浆液充满或煤　矿采空区已被塌落物充填，这时三通管上的压力　表显示有压力，进入压力灌浆阶段。压力灌浆主　要是加密充填煤矿采空区，同时也充填了基岩裂　隙、软弱结构面和因采空而产生的基岩裂缝。另　外在压力作用下，浆液沿基岩裂隙、裂缝进入土　层，充填了土洞或土层中的松散体以及土层中的　裂隙、裂缝。　（４）灌浆结束标准：　①当灌浆孔附近地表发生大范围开裂，隆起　变形时可结束灌浆；　②当灌浆压力达到３００ｋＰａ，且能持续３０ｍｉｎ　时即可结束灌浆。　满足其一即可终止灌浆。　６　结语　（１）本次勘察阶段为初测，所以以调查、访问　和适当钻探为主。在下阶段勘察中，将加强开展　综合勘探，充分利用物探指导钻探，有条件时，也　可以利用洞探，做到有的放矢，使有限的钻孔发挥　出最大的作用。值得注意的是，个人和集体煤矿　实际开采情况不一定严格按照国家审批的范围执　行，因此对收集的各类矿区资料，须采用调查、钻　探、物探等其他手段进行验证和核对。　（２）对于归属集体和个人的煤矿，其开采不能　一概而论为小面积采空，因此对这类煤矿的采空　区定性显得尤为重要。如包家一矿虽然属集体所　有，但定性应为小范围内的大面积采空，应按大面　积采空区进行勘察和整治。　（３）在勘测选线中，对煤矿采空区应有足够的　重视。要认真了解和分析采空区的区域地质、构　造、煤层厚度、分布规律、地下水等情况，加强采空　变形调查，尽量绕避采空区，不能绕避的，要详细　进行勘察，绝不可掉以轻心，抱侥幸心理，甚至不　了了之，以致发生病害，危及线路的安全运营。　（收稿日期：２００６—０８一ｌＯ）　．２９・