煤礦采空區的探測方法與處治技術

摘 要：文章闡述了物探技術在煤礦采空區探測中的應用，結合建構筑物下部采空區的處理實踐，總結了強夯地基加固法處理采空區的施工工藝及注意事項。

關鍵詞:煤礦生產系統施工 強夯法處理采空區

中圖分類號：TD82文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2012)01(a)-0081-02

硫磺溝礦區煤層開采歷史悠久，9～15號煤層厚度大，煤質好，各煤礦及小煤窯主要開采該煤層，開采管理混亂，硫磺溝煤礦位于準南煤田頭屯河中游西側硫磺溝礦區中部，行政區劃隸屬新疆維吾爾自治區昌吉市硫磺溝鎮管轄。硫磺溝煤礦是在原昌吉市聯合廠煤礦基礎上由原新疆哈密煤業(集團)有限責任公司硫磺溝分公司兼并后擴建而成。2007年10月，兗礦集團對原新疆哈密煤業(集團)有限責任公司硫磺溝分公司進行了控股重組后，2008年硫磺溝煤礦開始進行年產90萬噸改擴建，在施工過程中因多方面因素的影響，施工難度較大。其中，本礦井淺部小煤礦數量多，形成的采空區較多，采空區的存在影響礦井地面工程和井巷工程的布置。由于工業廣場面積有效，烏魯木齊市—廟爾溝瀝青公路又從工業廣場中部通過，因此，煤礦地面生產系統污水沉淀池需要從小型的煤窯采空區穿過。

地下礦層采空后，其上方覆蓋的巖層失去支撐，使上方巖層產生移動變形，有可能導致各類建筑物變形破壞，甚至倒塌。如果在建筑物下存在采空區，危險性更大，必須采用綜合勘探手段，查明采空區的規模、分布、填充情況，并對采空區做出科學的穩定性評價。

1 工程地質概況

地層上部為新生代第四系土層，主要為河谷沉積和殘坡積物。下伏古生代二疊系中-薄層煤系地層巖石，主要巖性為砂巖、炭質頁巖、泥巖、泥質砂巖，呈互層分布，中夾三層煤:4～5號、7號和9～15號。煤層的產狀和其圍巖產狀基本一致，在淺層以40°傾角向西(沿5#臺方向)延伸，深部產狀趨緩。沉淀池及其附近區域的采空區為小煤窯開采形成的采煤巷道，分布淺，多為廢棄的礦井，屬個體開采的巷道。這類巷道分布沒有資料記載，巷道支護簡單或沒有支護，礦井多已垮塌，被充填或部分充填。沉淀池下的采空區即為該類型。

2 探測方法

因此類采空區的無規律性，采用物探技術，快速、準確地診斷采空區的位置、規模，為地基穩定分析及治理采空區提供科學依據。

采用高密度電法與淺層地震法對采空區進行綜合勘察，通過兩者的結果相互驗證，基本探明了采空區位置與規模。

2.1 測區地質地球物理條件

根據測區地層巖性分析，頁巖和泥質砂巖電阻率比較接近，一般為n×10Ω·m～n×102Ω·m，砂巖電阻率一般比頁巖和泥質砂巖高，在n×102Ω·m以上，煤層和炭質頁巖電阻率一般為n×10Ω·m左右。如巷道或采空區為空洞，則空洞與非采空區完整地層的電性有較大差異，表現為相對高阻異常。因此，具備在區內開展高密度電法工作的前提條件。同時，區內不同地層存在波阻抗差，砂巖波速值較高，頁巖、煤層波速值較低，采空區(充填或未充填)邊界是強反射界面，測區開展淺層地震勘探的物性前提條件較充分。

2.2 測線布置

根據勘察目的和測區地層分布情況，測線平行沉淀池軸線布置。中間5條線按10m線距布置，兩側兩條線間距為20m，點距為5m。地震施測中間3條測線，點距2m;為了與高密度電法對比，在沉淀池兩側，以沉淀池中軸線為中心線，布置了間隔6.5m的2條1m點距淺剖面線和1條1m點距的聯絡線。

2.3 探測結果

通過物探工作，基本查明了沉淀池下部的采空區情況。資料說明，本區無采空巷道，本區存在的采空區分布較復雜，2#沉淀池下存在冒落帶，1#沉淀池下裂隙發育，主要在淺部，其深度在10m左右。深部采空區分布規律不似淺部明顯，說明采空區規模較小，這與當地調查了解的情況基本相似。

3 地基穩定性評價

沉淀池區域穩定性評價。

該項目早已作了前期規劃，煤層的開采時間為建國前，近期工業廣場范圍內煤層未開采，沉淀池所在區域無采空引起的沉陷盆地變形及區域性地基失穩現象，因此，沉淀池所在區域是穩定的。工業廣場范圍內都設計了保護煤柱，故以后的開采活動不會危及沉淀池和地面生產系統的安全。

4 強夯法處理采空區

強夯是法國Menard技術公司于1969年首創的一種地基加固方法，它通過一般10～40t的重錘和10～40m的落距，對地基土施加很大的沖擊能，在地基土中所出現的沖擊波和動應力，可提高地基土的強度、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件、消除濕陷性黃土的濕陷性等。同時，夯擊能還可提高土層的均勻程度，減少將來可能出現的差異沉降。

4.1 加固機理

強夯法是利用強大的夯擊能給地基一沖擊力，并在地基中產生沖擊波，在沖擊力作用下，夯錘對上部土體進行沖切，土體結構破壞，形成夯坑，并對周圍土進行動力擠壓。

4.2 設計方案

選用鑄鋼20t夯錘夯，夯錘的平面為圓形、落距為21m。夯擊點布置為三角形。強夯處理范圍應大于建筑物基礎范圍，每邊超出基礎外緣的寬度宜為設計處理深度的1/2～2/3，并不宜小于3m。第一遍夯擊點間距(夯距)為夯錘直徑的2.5倍，第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間，以后各遍夯擊點間距可適當減小。以保證使夯擊能量傳遞到深處和保護夯坑周圍所產生的輻射向裂隙。各夯擊點的夯擊數為9擊。每個夯擊點夯3遍，最后再以低能量滿夯2遍，滿夯可采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印彼此搭接。

4.3 施工方法

選用70噸履帶起重機，使用滑輪組起吊夯錘，利用自動脫鉤的裝置，使錘形成自由落體。拉動脫鉤器的鋼絲繩，其一端拴在樁架的盤上，以鋼絲繩的長短控制夯錘的落距，夯錘掛在脫鉤器的鉤上，當吊鉤提升到要求的高度時，張緊的鋼絲繩將脫鉤器的伸臂拉轉一個角度，致使夯錘突然下落。

4.4 注意事項

為防止起重臂在較大的仰角下突然釋重而有可能發生后傾，應在履帶起重機的臂桿端部設置輔助門架，或采取其它安全措施，防止落錘時機架傾覆。自動脫鉤裝置應具有足夠的強度，且施工時要求靈活。

4.5 處理效果

強夯施工結束后，在強夯范圍內進行鉆孔檢驗，采用注水、壓水試驗測定強夯段的滲透系數，各測點均未超過10-4cm/s，表明密實充填程度滿足質量要求。從所取巖芯可見，冒落帶、裂隙已被充填，達到了加固目的。

5 結語

采空區的加固處理是一個新課題，從沉淀池下采空區處理來看，由于工業廣場區域是穩定的，對采空區的處理主要是保證沉淀池基礎附加應力對采空區的影響。

總之，在工程建設中要盡可能避繞采空區，當必須穿過采空區時，宜采用物探手段探明采空區的位置、規模，并對采空區的穩定性做出科學的評價，如需處理，工程實踐表明，采用強夯法是行之有效的方法之一，強夯法具有施工簡單、加固效果好、使用經濟等優點，因而被世界各國工程界所重視。對各類土強夯處理都取得了良好的技術經濟效果。但對飽和軟土的加固效果，必須給予排水的出路。為此，強夯法加袋裝砂井(或塑料排水帶)是一個在軟粘土地基上進行綜合處理的加固途徑。