山西省晋普山煤矿采空区地质危害及稳定性评价.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.041山西省晋普山煤矿采空区地质危害及稳定性评价（核工业江西工程勘察研究总院有限公司，江西 南昌 330000）摘要 晋普山煤矿为在建生产矿山，现阶段主要开采+740 m 水平 3#煤层全区和 9#煤层南翼采区资源，形成了大规模的采空区，以区域一、区域二为主，造成地面塌陷和地裂缝等地质灾害问题。其中，区域一下伏采空区 2 个，现发现地裂缝 12 条，总长度 1 775 m，宽度 0.02耀1.8 m，深度 0.5耀17 m，地裂缝分布面积约 21.02 hm2，以小窑破坏为主，通过稳定性评价，采空区均属稳定；区域二下伏采空区 6 个，发现的地裂缝 5 条，总长度188 m，通过稳定性评价，采空区均属稳定。关键词 晋普山煤矿；采空区；地质危害；稳定性评价中图分类号TD325.3文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0129蛳 030引言矿山开采形成的采空区，会引发地面塌陷、地裂缝等地质灾害隐患咱员原圆暂。地面塌陷和地裂缝均可造成地形地貌景观的破坏、地下水改道、部分耕地弃耕等土地退化、村庄房屋开裂等经济损失甚至人员伤亡咱猿暂。为了矿山周围群众的生命财产安全，本文通过矿区地质灾害现状评价、采空区稳定性分析，为晋普山煤矿的安全生产及保护当地村民的生命财产提供地质灾害防治依据。1地质环境1.1地层岩性该矿区主要地层为奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组及下石盒子组、上统上石盒子组、第三系和第四系地层。含煤地层主要为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组。1.2地质构造该矿区位于白马寺逆断层的东侧，区内构造特点以褶曲为主，断层不发育。受白马寺逆断层的控制，派生出次一级褶曲构造，构造线以近南北向为主，褶曲构造由西向东为常村向斜、沙坡窑背斜和放马坪向斜组成。矿区内构造形态主要为宽缓的褶曲，在煤层的开采过程中未发现有其它断裂构造。整个矿区构造属简单构造类型。1.3水文地质该矿区区域水文地质单元属三姑泉域。地表水系均属黄河水系，区内主要地表河流有白水河，为常年性河流。流经井田东北部的东河、西南部的小会河、南河及沿河段的泉水现均已干涸，只有夏季暴雨才有暂时性水流。河流补给主要来源于大气降水和山间泉水。该矿区含水层主要为奥陶系中统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组岩溶裂隙及层间砂岩裂隙含水层、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层、二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层、基岩风化壳裂隙含水层。2地质灾害2.1矿山开采现状晋普山煤矿采用平硐开拓方式，目前利用 5 个井筒（3 进 2 回）进行生产。全井田共划分为+740 m水平和+630 m 水平 2 个水平。+740 m 水平为现在的生产水平，主要开采 3#煤层全区和 9#煤层南翼采区资源；+630 m 水平主要开采 9#煤层北翼采区和15#煤层全区资源，该水平目前未开采。3#煤层 301 采区现布置有 1 个综采工作面和2 个综掘工作面；采煤工艺为走向长壁、倾斜分层、金属网假顶、爆破落煤，全部垮落法管理顶板。9#煤层 901、902 采区现各布置有 1 个综采工作面及 2 个综掘工作面；采煤工艺为走向长壁、滚筒式采煤机割煤，全部垮落法管理顶板。2.2地质灾害现状矿区因采空区陷落，形成地面塌陷和地裂缝等地质灾害问题咱4暂，主要有 2 个区域。（1）区域一：该区域面积 50.71 hm2，下伏 2 个 3#煤采空区，目前地面移动变形基本稳定。区域内明显存在的地裂缝 12 条，总长度 1 775 m，宽度0.021.8 m，深度 0.517 m。其中宽度0.1 m 的能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41292023 年 8 月Aug.,2023表 2区域二采空区分布特征及稳定性评价3 条，总长度 383 m；宽度 0.10.3 m 的 4 条，总长度 471 m；宽度0.3 m 的 5 条，总长度 921 m。地面塌陷、地裂缝破坏面积 16 hm2，破坏土地类型为林地（4.95 hm2）、草地（10.06 hm2）、裸地（0.95 hm2）、耕地（0.05 hm2）。（2）区域二：该区域面积 1.50 hm2，跨越 6 个采空区，目前采空区基本稳定；发现的地裂缝为 5 条，总长度 188 m。矿区采区及塌陷区现状分布如图 1 所示。图 1矿区采区及塌陷区现状分布3采空区塌陷稳定性趋势采空区位于晋普山煤矿北部，地下煤层开采后，地表移动时间大致可分为初始期、活跃期和衰退期3 个阶段。评价公式如下：T=2.5H0式中：T 为地表移动延续时间，d；H0为开采煤层埋深，m。由以上公式可知，3#煤层埋深在 70300 m 之间，其地表移动延续时间为 175750 d，采空区形成距今已有 7 年（终采时间为 2 555 d）。根据相关规范，判断采空塌陷区无其他诱发因素的情况下，目前已稳定。但对于下伏 9#（部分）、15#煤层尚未开采，且布置有规划采区，因此在下伏煤层采动后，仍可能出现采空塌陷以及地面变形等现象，产生新的地质灾害。3.1区域一稳定性评价区域一主要为采空区、小窑开采破坏造成的地面塌陷、地裂缝等地质灾害。采空区和地裂缝分布面积约 21.02 hm2，其中小窑破坏区面积占治理区总面积的 65.4%。区域一下伏 3#煤采空区 2 个（采空区 A 和采空区 B），南部为 301 号小窑破坏区、北部为 302 号小窑破坏区。稳定性评价如表 1 所示。表 1区域一采空区分布及稳定性评价3.2区域二稳定性评价区域二地质灾害为采空区造成的地面塌陷和地裂缝，并导致道路破坏。根据道路与地裂缝分布关系、道路沿线地形地貌、地层岩性出露情况进行了调查。道路跨越的采空区分布特征及其稳定性调查结果如表 2 所示。张建峰山西省晋普山煤矿采空区地质危害及稳定性评价名称采空区 A采空区 B301 号小窑破坏区302 号小窑破坏区采空区类型浅层浅层浅层中深层深层面积/hm26.9138.9226.50026.670开采煤层3#煤3#煤3#煤3#煤开采方式走向长壁 走向长壁房柱式房柱式采深/m5593431187111743118深厚比10.818.38.523.214.023.130.884.3地表移动延续时间/d232.5295292.5295终采时间/d279354351354稳定性评价稳定稳定稳定稳定名称采空区 C1采空区 C2采空区 C3采空区 C4采空区 C5采空区 C6采空区类型中深层中深层深层中深层深层中深层影响道路长/m501 154345670221开采煤层3#煤3#煤9#煤3#煤9#煤3#煤开采方式走向长壁走向长壁走向长壁走向长壁走向长壁走向长壁采深/m190150190180192215257200220深厚比37.429.537.4128.6137.142.3183.639.443.3地表移动延续时间/d475475480537.5642.5550终采时间/d570570576645771660稳定性评价稳定稳定稳定稳定稳定稳定4地质灾害治理主要措施为地裂缝填埋。根据地裂缝规模，将宽度0.1 m 的地裂缝、宽度 0.10.3 m 的地裂缝、宽度0.3 m 的地裂缝分为轻度、中度、重度 3类，针对 3 种损毁程度采取不同的治理措施。（1）轻度损毁：首先剥离表土（宽度 1.1 m、裂缝两侧各 0.5 m 范围、深度 0.6 m），用粉煤灰填充裂缝；然后在下部用黏土夯实进行封闭裂缝止水（宽度1.1 m、厚度 0.1 m）；最后将剥离的表土复原，适量洒水并撒播草种。（2）中度损毁：首先剥离表土（宽度 1.3 m、裂缝两侧各 0.5 m 范围、深度 0.5 m），底部用粒径 1020 cm 的碎石（煤矸石）填充裂缝，上部用粒径 1902 采区901 采区901 采区区域二区域一301 采区901 采区开采区塌陷区1302023 年 8 月Aug.,2023（上接第 54 页）4结论（1）将注浆浆液视为牛顿流体，基于基本假设构建理论模型，参考单裂隙立方定律的推导过程，推导牛顿流体浆液在水平单裂隙中的扩散方程。由扩散方程可知：浆液压力损失与裂隙开度 b 的立方成反比，与浆液流速 q、粘度 滋 成正比。（2）利用数值模拟软件，构建水平单裂隙注浆数值模型，根据单一变量原则建立工况，研究不同参数对浆液扩散范围和浆液压力损失的影响。由模拟结果可知：浆液扩散范围与裂隙开度和浆液粘度负相关，与浆液流速正相关，且浆液流速对其影响最大，浆液粘度影响最小；浆液压力损失与裂隙开度负相关，与浆液流速和浆液粘度正相关，且裂隙开度对其影响最大。（3）将数值模拟结果与数学模型理论计算结果进行对比，发现数值模型和数学模型理论计算的浆液压力损失变化趋势基本一致。这说明本文构建的浆液扩散数学模型和数值模型可以定性地表述牛顿流体浆液在裂隙内的扩散规律。（4）根据研究的牛顿流体浆液在裂隙内扩散规律，在进行小裂隙（1 mmb3 mm）注浆时，为增大浆液扩散范围和减小浆液压力损失，可在浆液中适当添加外加剂以降低其粘度；注浆速率的取值可根据实际注浆需要进行设计。参考文献1王东亮，郝兵元，梁晓敏.不同流型浆液在裂隙内扩散规律的理论与数值分析 J.中南大学学报（自然科学版），2021，52（10）：3760-3770.2 王东亮，郝兵元，梁晓敏.基于流固耦合的单一裂隙浆液扩散规律研究 J.采矿与岩层控制工程学报，2021（1）：104-112.3 张凯文.微裂隙注浆浆液渗流特性试验研究 D.徐州：中国矿业大学，2019.4 杨金宝，柴军瑞，许增光，等.基于修正立方定律对单裂隙辐射流剪切耦合的研究 J.水资源与水工程学报，2019，30（1）：217-225.5 王东亮.裂隙岩体注浆加固浆液扩散规律研究 D.太原：太原理工大学，2021.作者简介王东亮（1996-），男，助理工程师，硕士，毕业于太原理工大学矿业工程专业，主要从事巷道围岩控制相关技术研究工作。收稿日期：2022-11-235 cm 的级配碎石（煤矸石）和粉煤灰充填裂缝，在达到表土剥离底面后，用黏土夯实进行封闭裂缝止水（宽度 1.3 m、厚度 0.1 m）；最后将剥离的表土复原，适量洒水并撒播草种。（3）重度损毁：对地裂缝附近覆土、危岩等进行清理后，底部选用粒径 2080 cm 的碎石填充（按裂隙最宽部位宽度的 60%为底部碎石粒径），填充至裂隙底部填埋 2 层碎石后以 30 cm 厚分层填充，每层碎石粒径比下一层减少50%；填至距离地表0.8m处，上部用粒径 15 cm 的级配碎石（煤矸石）和粉煤灰充填裂缝（厚度 0.4 m）并夯实，再用黏土夯实进行封闭裂缝止水（厚度 0.3 m）；最后在表层改用熟土填平至地表，以人工踩实，适量洒水并撒播草种。5结论（1）晋普山煤矿采用平硐开拓方式开采，现阶段主要开采 3#煤层全区和 9#煤层南翼采区资源，形成了以区域一、区域二为主的大规模的采空区，造成地面塌陷和地裂缝等地质灾害问题。（2）区域一下伏采空区 2 个，地裂缝分布面积约 21.02 hm2，以小窑破坏为主，通过稳定性评价采空区均属稳定；区域二下伏采空区 6 个，发现的地裂缝 5 条，总长度 188 m，通过稳定性评价采空区均属稳定。（3）根据地裂缝规模，将地裂缝分为轻度、中度、重度 3 类，并根据不同的损毁程度采取不同的治理措施。参考文献1薛红杰.煤矿开采地面沉陷变形预测及防治对策 J.能源与节能，2020（3）：14-17.2孙娟，贡常青，郝文辉，等.河北唐山开滦赵各庄煤矿采空区地质灾害特征及防治措施 J.中国地质灾害与防治学报，2011，22（3）：49-55.3吴颖龙，揣筱升，杜海龙.采空区大面积悬顶危险性预警模型研究以陕西省榆林市榆阳区二墩煤矿为例 J.中国煤炭，2022，48（7）：79-87.4蒋忠利.淮南矿区采煤沉陷综合治理实践与经验 J.能源技术与管理，2022，47（3）：194-197.作者简介张建峰（1984-），男，水工环高级工程师，毕业于东华理工大学资源勘查工程，长期从事水工环地质勘查与管理工作。收稿日期：2022-11-20能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4131