曲宏杰

摘要：煤礦的開(kāi)采會(huì)造成多種地質(zhì)方面的危害，地表塌陷就是其中影響最為嚴(yán)重的一種。為了確保煤炭資源被安全、科學(xué)的開(kāi)采，需要對(duì)上述地表塌陷問(wèn)題做好防治工作。貫徹“因地制宜、統(tǒng)一規(guī)劃，沉陷區(qū)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展”的原則，進(jìn)行科學(xué)治理，可最大限度降低地面塌陷對(duì)采空區(qū)域附近的環(huán)境破壞，使該區(qū)域遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)得以改善?；诖?，對(duì)采空區(qū)地面塌陷的最根本原因以及發(fā)生該情況衍生出的其他災(zāi)害進(jìn)行了分析，提出系統(tǒng)的綜合治理方案。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū)；地表沉陷；地質(zhì)災(zāi)害；防治措施

0? ?引言

煤礦挖掘方式有很多種，其中最主要的就是礦井開(kāi)采。在進(jìn)行煤礦挖掘時(shí)，由于地層中的煤礦被開(kāi)采，造成煤礦所在區(qū)域中巖體的最初地應(yīng)力受損，當(dāng)?shù)貞?yīng)力尚未恢復(fù)到平衡狀態(tài)時(shí)，煤礦層上部的巖體將發(fā)生變形、位移或者斷開(kāi)。在這些地質(zhì)災(zāi)害傳輸?shù)降乇頃r(shí)，將會(huì)造成地面沉陷。地面沉陷外在表現(xiàn)為漏斗狀、盆地狀以及臺(tái)階狀斷層。

上述災(zāi)害會(huì)對(duì)礦產(chǎn)開(kāi)采區(qū)域以及周圍區(qū)域環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，影響周圍建筑的安全性，同時(shí)對(duì)土地資源造成了極大的浪費(fèi)，使周圍居民的資產(chǎn)遭受無(wú)妄之災(zāi)。為了確保煤炭資源被安全、科學(xué)的開(kāi)采，需要對(duì)上述地表塌陷問(wèn)題做好防治工作。

1? ?工程概況

某能源企業(yè)承接了蘇海圖煤礦采空區(qū)災(zāi)害治理工程。該項(xiàng)目區(qū)域?yàn)楣こ讨卫矶^(qū)，主要施工內(nèi)容包括無(wú)爆破打孔、作業(yè)區(qū)域道路整修、高溫地點(diǎn)的降溫與灑水除塵等。根據(jù)采空部位治理方案和該區(qū)域地質(zhì)的特點(diǎn)可知，整個(gè)治理區(qū)域內(nèi)煤層有10層煤，分別為9#、10#、11#、12#、13上3#、13上2#、13上1#、13#、14#、15#煤層。

本次工程主治層即為上述煤層，整治范圍內(nèi)煤層的平均埋深111.6m，最深為206.55m。最淺為16.5m，煤層所在區(qū)域的相對(duì)夾角6°，最深治理部位在15#煤層底板。

2? ?采空區(qū)地表沉陷原理

采空區(qū)出現(xiàn)地面塌陷的主要原因，是煤礦的開(kāi)采破壞了煤層部位巖石應(yīng)力原有特性。礦柱需要長(zhǎng)時(shí)間的工作、承重，采空范圍里的礦柱體系里存在部分薄弱地方，這些地方由于種種因素會(huì)第一時(shí)間被損壞。通常情況下，如果礦柱被損壞到60%以上時(shí)，采空區(qū)頂板將會(huì)塌落，并在一定程度上影響到地面。頂板大面積塌落一般是突然的，同時(shí)產(chǎn)生劇烈的氣浪，造成地面沉降和開(kāi)裂，對(duì)地面以及礦井的建筑產(chǎn)生破壞[1]。煤礦采空區(qū)沉陷如圖1所示。

3? ?采空區(qū)地表沉陷治理方案

3.1? ?隱患和治理

3.1.1? ?隱患

采空區(qū)上部區(qū)域施工時(shí)，使用的器械多為液壓挖掘機(jī)、鉆機(jī)和相關(guān)的輔助器械，若頂板損失塌落，會(huì)危及工作人員的生命安全，也會(huì)使器械受損。空巷初始狀態(tài)是密封的，進(jìn)行采空區(qū)整治時(shí)其與外部相通，空氣進(jìn)入，大概率會(huì)導(dǎo)致煤炭自燃，進(jìn)一步造成采區(qū)里的火災(zāi)。采空區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的有地下水匯入，容易形成積水現(xiàn)象，這不僅容易破壞工作器械，同時(shí)會(huì)危及工作人員的生命安全。

3.1.2? ?治理措施

按照蘇海圖煤礦企業(yè)給出的項(xiàng)目圖紙，我部門確認(rèn)了采空區(qū)的范圍。本部門在指定位置的外部鉆兩排孔，用以探測(cè)，通過(guò)該孔必須能夠看到煤礦。若打孔后還在采空區(qū)域內(nèi)，需繼續(xù)施工，直到精確掌控采空區(qū)域[2]。

3.2? ?頂板垮塌的預(yù)防和處理

將礦井里所有巷道、采空區(qū)域、探知的采空范圍，第一時(shí)間繪制在采剝平面圖等圖上，嚴(yán)格對(duì)比井上井下的狀況。由河南錦源有限公司完成本次工程中的施工人員的培訓(xùn)，培訓(xùn)的內(nèi)容包括剝采施工方案、施工組織方案，確保工作人員精通潛在危險(xiǎn)源、剝采施工規(guī)劃。采空區(qū)一定要實(shí)施專項(xiàng)負(fù)責(zé)的制度，施工場(chǎng)地必須有專人負(fù)責(zé)。

3.3? ?采空區(qū)沉陷施工方法

3.3.1? ?作業(yè)方式

采空區(qū)整治施工前，必須要用鉆機(jī)鉆前探孔，在保證無(wú)危險(xiǎn)的狀態(tài)下再開(kāi)始施工。對(duì)采空部位上層剝離操作時(shí)，若土層過(guò)厚（大于20m），可跨越采空部位進(jìn)行施工，但必須進(jìn)行全程觀測(cè)。

為精確知道采空區(qū)域的真實(shí)位置，需要先用鉆機(jī)在整體施工前完成探測(cè)作業(yè)，針對(duì)不安全的部位預(yù)先解決，待采空區(qū)完全塌落后，采裝器械再入場(chǎng)開(kāi)始施工。該區(qū)域一定要貫徹非常規(guī)作業(yè)專項(xiàng)負(fù)責(zé)制度的執(zhí)行，監(jiān)理部門要專門指定專人進(jìn)行負(fù)責(zé)。

3.3.2? ?穿孔

穿孔必須于采空區(qū)域外側(cè)施工，依據(jù)該區(qū)域的部位安放鉆機(jī)，同時(shí)指派專業(yè)人士完成指揮。工作者必須在填充過(guò)的位置。器械有問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該將其移動(dòng)到采空范圍以外進(jìn)行修理。若是出現(xiàn)不安全現(xiàn)象，工作人員必須馬上停止施工，去沒(méi)有危險(xiǎn)的地方待命，并在第一時(shí)間上報(bào)給帶班人員，再通過(guò)帶班人員上報(bào)至蘇海圖煤礦生產(chǎn)指揮中心[3]。

3.3.3? ?采裝

采裝工作實(shí)施前，必須保證空巷塌陷完成，方可實(shí)施采裝。進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，采空部位的煤層若是在高溫狀態(tài)，就必須實(shí)施預(yù)先注水，可以用灑水器械、霧炮車或沙土完成降溫作業(yè)，隨后才能開(kāi)始采裝。

進(jìn)行采裝作業(yè)時(shí)，禁止全部作業(yè)人員于采裝場(chǎng)地的邊限下車滯留。如果有明火現(xiàn)象，必須第一時(shí)間處理。采裝完成后，采裝器械必須移動(dòng)到大于50m作的位置停放，禁止在采空區(qū)域滯留。

每個(gè)巷道都必須安排一個(gè)專門的責(zé)任人，上下部不可在同一時(shí)間施工。采空部位上層采用挖掘機(jī)施工，挖掘至3m處改換裝載機(jī)。裝載設(shè)備沒(méi)有良好的視線條件，必須停止施工。挖掘出的高溫煤巖一定要在當(dāng)班完成覆蓋，并進(jìn)行有效處理。⑤施工時(shí)注意風(fēng)向，避免有毒氣體危害工作人員的生命安全。

3.4? ?采空區(qū)沉陷預(yù)防措施

按照現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，該項(xiàng)目有處在采空區(qū)域的部分，在該區(qū)域確保工具以及人員的安全，并完成剝離作業(yè)同樣是重要的一環(huán)。

3.4.1? ?制定整體安全預(yù)案

應(yīng)設(shè)立采空區(qū)域探測(cè)和監(jiān)管部門，完善該區(qū)域探測(cè)、資料的收納，制定治理方案以及相關(guān)制度。監(jiān)管部門必須預(yù)先設(shè)計(jì)好救險(xiǎn)預(yù)案，同時(shí)全程核查工程的施工情況，若有問(wèn)題必須馬上解決。監(jiān)管部門必須制定該區(qū)域的施工規(guī)程，完成相關(guān)工作人員的安全以及施工教育，使其深刻了解工程中存在的危險(xiǎn)，知道合規(guī)施工的重要性，在問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)有充足的思想準(zhǔn)備。使用專業(yè)的空巷探測(cè)儀器，如激光聲納探測(cè)器等，以便精確的了解空巷的狀態(tài)。

3.4.2? ?探測(cè)采空區(qū)情況

進(jìn)行該區(qū)域的探測(cè)主要是物探，用鉆機(jī)探測(cè)完成最后探測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證。用鉆機(jī)實(shí)施探測(cè)時(shí)，必須從內(nèi)到外延伸實(shí)施鉆孔拍布鉆探，一直探到空巷礦井等明確知道的部位邊緣，以此提升精確程度。

嚴(yán)格對(duì)比已明確的采空區(qū)域地圖和實(shí)施探測(cè)后知道的結(jié)果，結(jié)合探測(cè)結(jié)果。更新所用的圖紙，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)完成警示豎立。

在已明確的采空部位實(shí)施更詳盡的探測(cè)，精確了解該區(qū)域里起火、積水以及氣體沉積的狀況。采用瑞利波等先進(jìn)的探測(cè)手段，更精確的探知區(qū)域內(nèi)的地下水的沉積情況。使用物探手段明確地下水沉積的位置后，用鉆機(jī)完成驗(yàn)證，以便精確掌控采空部位形態(tài)、地下水沉積深度，對(duì)水量進(jìn)行測(cè)算。

加強(qiáng)該區(qū)域的毒害氣體的監(jiān)控和探測(cè)，掌控其變動(dòng)的詳細(xì)狀態(tài)，發(fā)生非常規(guī)情況時(shí)，第一時(shí)間找出氣體來(lái)源并妥善處理。若部分區(qū)域的氣體濃度不達(dá)標(biāo)，需要完成稀釋工作。采空區(qū)監(jiān)測(cè)如圖2所示。

3.4.3? ?采空區(qū)內(nèi)積水處理

當(dāng)探測(cè)到賦存部位后，必須完成超前物探作業(yè)。采用先進(jìn)手段探測(cè)采空區(qū)域里的積水探測(cè)。在精確明了采空區(qū)域相關(guān)資料的適用性，以及該區(qū)域的水文地質(zhì)特性等信息后，方可實(shí)施探測(cè)作業(yè)自己排水操作。

3.4.4? ?探放采空區(qū)積水處理

實(shí)施探放積水操作前，確定排水工具與探測(cè)到的積水量相匹配，并準(zhǔn)備備用水泵。完成采空部位積水探放時(shí)，要把鉆機(jī)鉆到該部位的積水部分，并監(jiān)控排水的全程。校核水量和水壓，直至水量為零。

在排水過(guò)程中，要全程檢測(cè)有毒氣體濃度、出水水溫，若有問(wèn)題必須第一時(shí)間解決問(wèn)題。完成排水工作后，為避免有毒氣體的泄露，必須第一時(shí)間封堵排水孔。要求安排專人去檢驗(yàn)，合格后才能驗(yàn)收[4]。

3.4.5? ?采空區(qū)內(nèi)積氣處理

針對(duì)有毒氣體，必須指派專人全程檢測(cè)，若其濃度發(fā)生異常變動(dòng)，工作人員必須第一時(shí)間撤出危險(xiǎn)區(qū)域。必須為該項(xiàng)目的工作人員配備防毒面具和隔絕氧自救器，同時(shí)也要裝配CD4有毒氣體監(jiān)測(cè)儀等，上述儀器配備到位后，才能重新施工。工作人員必須在上風(fēng)向進(jìn)行檢測(cè)，以保證其生命安全。

3.4.6? ?采空區(qū)事故的預(yù)防

本工程實(shí)施特殊作業(yè)專項(xiàng)負(fù)責(zé)制，設(shè)置各個(gè)項(xiàng)目的專業(yè)負(fù)責(zé)人。各負(fù)責(zé)人應(yīng)該熟練掌握各種相關(guān)資料，詳細(xì)了解礦井里巷道的各種資料，盡早完成地下、地上施工情況的對(duì)比。及時(shí)更新工程使用的圖紙，完成場(chǎng)地的標(biāo)定，設(shè)計(jì)并豎立警示標(biāo)志。

已陷落周圍20m的區(qū)域?yàn)橹饕^測(cè)對(duì)象，在其附近安放警示物，嚴(yán)禁閑雜人員滯留在此，實(shí)施挖掘作業(yè)時(shí)，若出現(xiàn)空洞必須馬上停止施工，遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，等待下一步的指令。

對(duì)采空部位，利用鉆機(jī)探測(cè)的同時(shí)進(jìn)行采裝。在采空區(qū)上層覆蓋度不達(dá)標(biāo)時(shí)，器械設(shè)備不能跨越舊巷和采空區(qū)，避免工作人員器械陷落進(jìn)去。

采空部位上部覆蓋超過(guò)規(guī)定時(shí)，可以跨越舊巷和采空區(qū)，但需全程觀測(cè)。為精確了解該區(qū)域的部位，應(yīng)使用鉆機(jī)進(jìn)行穿孔前探，合格后采裝器械才可入場(chǎng)施工。

3.4.7? ?應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害

聘請(qǐng)專業(yè)檢測(cè)部門進(jìn)一步完成地震的檢測(cè)，針對(duì)已發(fā)生的地質(zhì)損害，必須使用有效手段加快其生態(tài)恢復(fù)。

3.4.8? ?煤遇空氣后發(fā)生自燃火災(zāi)的預(yù)防和處理

煤層暴露在空氣中，極易發(fā)生自燃現(xiàn)象，為確保采礦施工不中斷，防止煤礦自燃現(xiàn)象，必須掌控煤層頂部暴露大小。完成爆破操作后，要第一時(shí)間完成清理。已經(jīng)燃燒的部分物體，必須獨(dú)立、直接從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)走。如果發(fā)生自燃火情，必須使用水澆、沙覆隔離等方式進(jìn)行滅火。

3.4.9? ?高溫隱患的預(yù)防和處理

使用專業(yè)的測(cè)溫儀器對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，并選擇正確的、合適的降溫方法進(jìn)行降溫。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

煤礦開(kāi)挖造成采空區(qū)域地面塌陷，不僅會(huì)對(duì)其四周的土層以及生態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，還會(huì)對(duì)其區(qū)域范圍的建筑、地下水造成了非常嚴(yán)重的影響，同時(shí)伴隨著地質(zhì)災(zāi)害。貫徹“因地制宜、統(tǒng)一規(guī)劃，沉陷區(qū)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展”的原則，進(jìn)行科學(xué)治理，可最大限度降低地面塌陷對(duì)采空區(qū)域附近的環(huán)境破壞，使該區(qū)域遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)得以改善。

參考文獻(xiàn)

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