治理采煤塌陷区的实例分析

一、永城煤田陈四楼矿、城郊矿塌陷区治理

永城这座在改革开放大潮中崛起的新兴煤炭资源型工业城市，自20世纪80年代以来，短短的20多年中，从一个农业县发展成为豫、苏、皖乃至华东地区一个以能源开发的新兴城市，被列为全国六大无烟煤基地之一。永城的丰富煤炭资源为永城的经济发展和社会进步，提供了巨大的潜力和优势，但是永城矿区地处平原，地下水位高，建设先投产的陈四楼矿井治理塌陷的措施和方法一度滞后，即使农民的房屋浸泡在水中，形成地面一片汪洋，村庄都沉在水下，形成“水上威尼斯”图14－3和图14－4，这是陈四楼矿投产后采煤塌陷区形成“水上威尼斯”人两个图片。资料显示，永城矿区地下含煤面积约572平方公里，地面均处于平原地形，地下水位高，专家预测，在矿区开采后期将形成塌陷区约515平方公里，占永城总国土面积的1／4。有近500个村庄受到影响，其中300个村庄因长期积水，30万人需要搬迁。随着煤炭的开采，地面的塌陷，新的“水上威尼斯”将不断出现。经过无数次的考察论证，永城市要发展，必须走可持续发展的路，对采煤塌陷区治理要借鉴淮北矿区地表塌陷开发利用的路子，淮北矿区塌陷区的综合治理开发的主要方向是发展养殖业。

图14－3　每天进出家门都这样游来游去

在土地复垦方面，按照“谁破坏，谁复垦”的要求，陈四楼煤矿坚持“宜农则农，宜渔则渔”的土地复垦原则，实行“农用地＋建设用地”、“农用地＋养殖用地”的复垦模式，编制了土地复垦方案，综合运用疏排法、挖深垫浅和矸石充填复垦技术，首先把地表耕植土收拢一起，堆放在适当位置待用，然后把挖出的新土垫在深陷地段，摊平再把熟土均匀地散布其上并予以平整，熟土覆盖厚度达到50厘米以上，当年即可种植农作物。土地复垦后形成的鱼塘，增加了土地覆水面积，给水产养殖业提供了良好条件，且有利于改善小气候，如果遇到天气久旱不雨，可抽取鱼塘部分水量灌溉农田。塘坡栽树种草，其根系既可加固围堤，环境又得到绿化。图14－5为沉陷区治理后的鱼塘。

图14－4　昔日的村庄已不复存在，只剩下一片汪洋

图14－5　沉陷区治理后的鱼塘

通过合理有效地配置土地资源，节约利用土地，因地制宜恢复矿区的生态环境，促进了当地的和谐发展，加快了农业结构调整。截至2011年底，共治理沉陷区6100余亩，目前基本消除了沉陷区土地荒芜、生态破坏等问题，初步改善了当居民的生产、生活环境，使当地居民的正常生产、生活得到了保证，通过了当地居民的生产、生活环境，使当地居民的正常生产、生活得到了保证，通过对道路、沟渠的重新规划整修，完善功能，提高土地利用率及土地生产能力，并获得显著的社会效益、经济效益和生态效益。表14－8为陈四楼煤矿近年来塌陷复垦统计表。

表14－8　陈四楼煤矿历年来塌陷、复垦统计表（单位：亩）

与陈四楼矿相邻的城郊矿，工业广场位于老城区内，地下水位较高，经过十多年的开采，塌陷区在新、老城区之间已形成一个生态核心区，其位置如图14－6所示。生态核心区建设经过矿方与地方政府共同谋划，目前塌陷区已形成日月湖公园，湖光天色融为一体，芦苇放白在风中摇曳，昔日采煤塌陷区摇身一变成为今日风景区，目前日月湖公园已形成水面6300余亩，种植各类林木26.2万棵，游人摄影成为景区一绝。图14－7为日月湖公园一角。

日月湖公园开发建设根据谁开发，谁治理原则，做到既要青山、银山，又要绿水青山，使得城郊矿开采塌陷区，矿山变景山，矿山变花园，取得良好的社会效益和经济效益。

图14－6　生态核心区位置图

图14－7　永城市日月湖景色

二、首山一矿地表塌陷的治理和预测

（一）采矿引起的地表深陷预测

采用概率积分法，预测首采区地表移动变形值为：地表最大下沉值4923mm，最大倾斜值16.9mm／m，最大曲率值0.2×10－3／m，最大水平变形值6.6（－8.2）mm／m，地表移动变形影响km2，因柳河的斜率较大，它从下沉盆地中心穿过，受其影响首采区开采后的积水面积估计为2.5km2，积水深度为1.2m，积水面积主要集中在已2采区。全井田地表最大下沉值为6500mm，地表移动变形影响范围为62.1km2。首采区及全井田地表下沉等值线图见图14－8及图14－9。

（二）塌陷区治理要求达到的标准

1.维护地表构筑物的安全及正常使用功能。

2.塌陷区土地复垦后能满足其使用功能要求。

（三）地表沉陷治理措施、作业程序和预期效果

1.地面建筑的最大变形值、破坏等级及处理方法

首山一矿首采区范围内的地面建筑大多是砖石结构，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》及砖石结构的破坏等级标准，首采区范围内各村庄的建筑物最大变形值、破坏等级及处理方法详见表14－9。

2.沉陷区综合治理

（1）沉陷分区及特点

依据地表沉陷预测结果，本矿井沉陷区可划分为两种类型，第I类为低山丘陵沉陷区，第II类为平地沉陷区。

I类沉陷区地面多为草坡林地，部分为坡耕地和梯田，开采沉陷后地面不积水，地形也无明显变化，对土地资源的利用影响较小。

II类沉陷区地面多为平整耕地，开采沉陷将使该区部分区域发生常年或季节性积水，对土地资源的利用影响较大。

（2）治理原则

本井田范围内居民的经济来源主要依靠农业生产，工业生产很薄弱。随着矿井的建设，有一部分人可以进入工业生产行业，但本地区的经济结构基本上不会改变，当地居民仍将以生产粮食和其他经济作物作为主要经济来源。目前，本区人均耕地面积较少，仅0.9亩，但粮食基本能实行自给。根据本地区的具体情况，在选取沉陷区法理方法时，应本着尽可能多地将沉陷区恢复为良田的原则确定。

（3）沉陷区治理

根据沉陷区的特点和治理原则，参考目前沉陷区综合治理途径，拟采用下列方法对本矿沉陷区进行综合治理：

I类沉陷区（即低山丘陵深陷区）：修建适应变形的农田水利系统和平整部分水平梯田。

II类沉陷区（即平地深陷区）：a、挖沟渠疏排水，建立适应变形的新农田灌溉系统，确保第一层煤开采后的浅沉陷区正常种植和预开挖的鱼塘保持一定的水深。B、预挖深垫浅，将未来积水区宝贵的表层耕植土预先取出，根据预测下沉等值线，平整周围缓坡地，所挖精养鱼塘一方面可以养鱼，另一方面又可泄洪蓄水，提高沉陷区防洪抗旱能力；同时，在积水前治理有利于机械化施工，提高治理效率，避免积水后给施工带来的困难。C.利用煤矸石或锅炉灰渣进行复垦，但在复垦过程中要注意防止二次污染，应优先考虑迁村等的建筑复垦或近地重建，具体操作程序为：在沉陷区形成以前，可用挖掘设备将复垦区域内的表土推挖至四周，再回填煤矸石或锅炉灰渣；矸石回采用预排矸复垦较为适宜，根据预测的地表下沉等值线、矿井的采区布置及开采顺序，有计划地回填矸石；锅炉灰渣回填宜在沉陷坑形成以后进行；若回填区作为建筑场地，应分层碾压，分层厚度0.3m为宜，非建筑占地部分应复土，复土厚度0.2m，以覆盖矸石、实施美化绿化；如作为农业用地，复土百度以0.5m为宜。d.因本矿井距市区和矿区中心较远，可考虑在矿井工业场地附近利用积水沉陷坑修建小型水上公园，活跃职工文化娱乐生活，同时也可为附近村民提供幽雅的休闲场所。

表14－9　建筑物的最大变形、破坏等级及处理方式

续表

（四）其它保护治理措施

1.地面水体保护措施

井田范围内地面水体主要有位于首采区（戊1、已2采区）的柳河和柳河上的雷洞水库、张庄水库、潘庄水库，以及位于井田东部（后期开采区）的白龟山北干渠。随着井下煤层的开采，这些地面水体均将遭受不同程度的影响和破坏，由此可能引起河流改道、河床变宽、流向局部调整。

现有地面水体保护与治理应结合未来出现的沉陷积水区统一规划，制定措施。对于人工河堤及水利设施应加以维护、加固，保证其正常使用。为防止河水漫流，应加强河道管理、疏通，必要时可采取人工改道方法，使之有利于农灌和景观。

2.路、桥、管、线保护措施

本矿井的铁路专用线从戊1采区下沉盆地中心穿过，下沉、倾斜、曲率、水平变形都是戊1采区的最大值；矿井生产后期开采井田东部煤层时，地表移动变形还会影响到平禹铁路。当地表移动变形影响到铁路线时，应加强巡视，及时采取抬高路基等维护措施，确保铁路安全运输。

井田范围内的公路、桥涵、高压线等设施，因地表变形会遭受一定程度的影响。其重要性差、覆盖面大，一般不留保护煤柱，可采用地面维护、调整、加固、修复，必要时进行改线，以保证设施运行安全、不间断。

（五）设立地表移动变形观测站

在进行建筑物下采煤时，要根据实际情况明确建筑物维修保护等级，在建筑物下采煤试采阶段，应进行定期观测，以保证影响范围内的居民生命财产的安全，必要时应组织撤离，以免发生伤亡事故。

三、郑少高速公路煤矿采空区治理工程

（一）工程地理位置

郑少高速公路煤矿采空区治理工程位于新密市牛店镇，集中分布在郑州～少林寺高速公路SK41＋500～SK42＋500间，含两个区——砦脖区和李马沟区。其中砦脖采空区位于SK41＋638～SK41＋914，李马沟采空区位于SK42＋226～SK42＋476。具体位置见郑州～少林寺高速公路煤矿采空区治理工程交通位置图14－10。

图14－10　郑州－少林寺高速公路煤矿采空区治理工程交通位置图

（二）工程地质条件，治理范围及工程量

该区地貌为河南省西部山地与东部平原过渡地带，属豫西低山丘陵区，地势西北高，东南低，地形起伏较大，工程地质条件较好，高速公路穿过区域地下有已闭矿多年地方矿的地方矿采空区，且地表出现多处塌陷裂缝，危及高速公路行车安全，因此研究确定地面钻孔注浆充填加固将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液通过结石固化，对采空区上覆岩体产生支撑并对裂隙产生胶结，阻止地面因采空区而引起沉降，以确保高速公路路基稳定。

本工程分为李马沟工区和砦脖工区，砦脖工区设计工程量为治理长度276m，宽度210m，设计注浆孔76个，钻探总进尺7722m，注浆治理长度7033m，注浆量31422m3检查孔5个，进尺650m。李马沟区设计工程量为治理长度250m，宽度210m，设计注浆孔75个，钻探总进尺11889m，注浆治理长度11235m，注浆量20769m3，检查孔5个进尺850m，设计工期120天，要求完成日期2002年5月20日。其实际竣工时间如表14－10。

表14－10　各工区开工、完工时间及工程量

（三）投入施工人员及机械情况

1.砦脖工业：项目组管理人员23人；注浆管理人员8名，技术工人97名；钻探管理人员10名，钻探技术工人105名。

投入使用的机械设备及仪器主要有：XY－2型钻机5台套、XY－4型钻机5台套、注浆泵4台、搅拌机8台、全站仪、测斜仪、挖掘机、装载机各一台、发电机组4台、吊车、洒水车各1辆、生产生活车辆3辆、试验室设备全套。

2.李马沟工区：项目组管理人员26人；注浆管理人员8名，技术工人40名；钻探管理人员20名，钻探技术工人192名。

投入使用的机械设备及仪器主要有：1000型钻机11台套、300型钻机4台套、150型钻机3台套、自备吊车2台、拉水车2辆、注浆泵5台、搅拌机6台、全站仪1台、测斜仪2台、运输车辆4辆、75KW发电机组1台、浆液检测设备全套。

（四）钻探施工

1.钻探工序及工艺流程

钻探施工顺序：逆采空区底板倾向，由底板埋深较大的位置向较浅位置施工。先施工边缘注浆孔，再施工中间注浆孔，注浆孔分二序施工。

钻探工艺流程：测量放样→安装钻探设备→技术指标校核→钻探成孔→测量孔斜→终孔报验→浇铸注浆管→提交钻探成果资料。

2.施工放样

施工放样采用先进的日本索佳SET2CII智能型全站速测仪实地根据设计坐标放点，施工中要求孔位误差不超过设计位置1.0；钻机就位后再进行一次孔位定测，确保钻机就位准确，安装平稳；经施工结束后孔位复测，钻孔孔位完全满足设计要求。3＃、15＃、16＃、28＃、29＃、56＃孔位因地表建筑物或交叉施工等原因确需改变位置时，提交《工程变更申报表》，接到业主变更通知后在变更后位置施工。

3.钻探成孔及技术工艺

用Φ130mm口径钻头开孔，钻至完整基岩5m后，下入Φ127mm套管护壁，然后变径Φ91mm钻进至采空冒落带（或煤层）的底板下1.5m以内终孔。钻孔结构示意图见图14－11和图14－12。

图14－11　注浆孔结构示意图

图14－12　浇铸孔口管结构示意图

钻探成孔施工技术要求如下：

（1）钻孔施工顺序为先深孔，后浅孔，保证间隔一个孔位施工。

（2）除第四系卵石层外，一律采用清水钻进，禁止使用泥浆，避免泥浆堵塞岩石裂隙而影响注浆质量。

（3）鉴于本区采空区上覆岩层泥岩多、厚度大的特点，要求对所有岩层均采用岩芯管取芯钻进，避免了因孔内岩粉造成循环液过稠堵塞裂隙。

（4）做好钻探原始记录和岩芯编录，对突然发生的漏水、掉钻、卡钻、埋钻等异常现象要及时、准确、详细记录其深度、层位和耗水量。

（5）每钻进50m测斜一次，终孔孔斜要求每100m不大于2°。

（6）全取芯钻孔，要求采空冒落带上覆岩层岩芯采取率＞60%，采空冒落带岩芯采取率＞30%。

（7）终孔前通知钻探技术人员和监理到场，并鉴定底板岩芯，确认后方验收计量。

（8）由钻探技术人员对全取芯孔的岩芯进行详细编录，并编号照相。

（9）编制实际钻孔柱状图及文字说明。

4.浇铸孔口管施工

下止浆法兰盘前禁止起拔套管。对验收合格的钻孔应在技术人员指导下浇铸孔口止浆管。在套管内将一端带有Ф120mm法兰盘的Ф50注浆管下入孔内变径处，然后起拔套管0.5m，在套管内先放2～3锹黏土，后将水固比为1：2的稠水泥浆液注入其间，浇铸水泥柱高度4～6m，然后起拔套管。为加速注浆管与孔壁固结，加入水泥量3%的速凝剂，浇铸孔口管结构示意图见图14－12。

5.钻探成孔质量评述

施工过程中对钻探成孔的质量控制，共有以下六项内容：11孔深；22孔斜；33孔径；44岩芯采取率；55止浆效果；66耗水量及水位。(www.xing528.com)

（1）孔深

按设计要求，裂隙带孔深≥设计值，采空区孔深≤煤层底板下1.5m，施工初期因施工单位对地层不太了解，极个别孔超深外，95%以上钻孔均满足设计要求。

（2）孔斜

设计要求所有钻孔均为垂直孔，并规定每100m孔斜≤2°。施工中由专业技术人员用鲍林科夫测斜仪对钻孔每50m测斜一次，并由监理在场认可，全区钻孔均满足设计要求。

（3）孔径

设计文件要求钻孔用Φ130mm钻头开机，至基岩5m处变径为Φ90mm钻至终孔。全区钻进的钻孔均符合设计要求。

（4）岩芯采取率

设计文件规定，采芯孔的岩芯采取率为基岩采取率＞60%，采空冒落带采取率＞30%，而对一般钻孔的采取率未作要求。施工中实际布设的9个采芯孔的岩芯采取率均满足设计文件要求。

（5）止浆效果

设计文件要求钻孔钻进至基岩以下5m变径处放置法兰盘止浆，规定水泥浇铸高度4～6m。全区施工的钻孔及2个检查孔均在项目部技术人员和监理监督下进行水泥浇铸止浆，其效果满足注浆要求。

（6）耗水量及水位记录

钻进中耗水量及水位变化，是判断钻孔内岩层裂隙发育程度及连通性的重要依据，准确记录钻进中的耗水量、水位变化及层位深度，能正确指导该孔注浆工艺及浆液配比的选择。施工中各孔每班均对耗水量及水位作了详细记录，符合设计要求。

（7）钻孔地质描述

钻孔施工成果是由钻孔柱状图来表述的，为了客观准确反映采空区的岩性特征及围岩类型，施工技术人员做了大量细致的工作，对采空区或煤层以上30米至孔底段进行了全取芯，并做了详细的地质描述，按规定编制1：1000的钻孔柱状图。

（五）注浆施工

1.注浆工序及工艺流程

注浆施工顺序：严格紧随钻孔施工顺序，钻孔终孔浇铸孔口管24小时后即开始注浆，对串浆孔可优先灌注。

注浆工艺流程：制浆→浆液性能指标检测→注浆泵输送浆液→注浆→泵量、孔口压力定时观察记录→达到单孔结束标准→终孔报验→提交注浆成果资料。

2.注浆施工方法及技术

（1）注浆施工方法

①浆液的配比试验

在路桥集团二局二处郑少路九标项目部试验室进行了灰浆的配合比试验，根据《浆液配合比试验报告》，提出了《李马沟采空区浆液控制指标》，经监理部认可后下发《监理通知》，浆液材料用量及密度指标如表14－11。

表14－11　浆液密度控制指标表

上述浆液配比的试块经试验室对7d强度的测试无侧限抗压强度均大于设计值。

②浆液材料的计量控制

按照浆液配比试验结果，根据各浆池体积大小、原材料密度及容重，计算水、水泥、粉煤灰用量，标定每池成浆量见表14－12。

表14－12　工地浆液配比及材料用量表

水泥以袋计量，每袋为50kg；粉煤灰以标定车厢计量，每车140kg；水以水泵的供水时间及池壁计量线综合控制计量，泵量10.5kg／s。

③浆液的搅拌

将定量的水、水泥、粉煤灰按顺序放入一次搅拌池后搅拌，要求每次成浆的搅拌时间不少于5分钟。

（2）注浆施工技术

①压水试验

每孔每次灌注前或因故停注前，都要进行压水，注水量一般为注浆管路内的容量加上变径以下至孔底段钻孔容量之和的3～5倍。目的是将岩石裂缝疏通，以利浆液扩散。

注浆过程中，对孔口压力、泵量每20min记录一次。当孔口压力≥1.0Mpa时，每5min记录一次。

②单孔注浆结束标准

当孔口压力≥1.5Mpa、单位吸浆量≤52L／min、并稳定10～20min后，即可结束注浆。

3.注浆质量评述

（1）注浆原材料自检

经业主批准，水泥选用登封市少林水泥有限公司生产的少林牌32.5＃普通硅酸盐水泥，经自检和河南省公路工程试验检测中心检验，质量均符合国家标准。本次施工共进场水泥4037.0t，按批号（小于200t）检测，共检测试验21次，检测结果均符合国家标准。

粉煤灰选用登封市电业集团的粉煤灰，经河南省煤炭质量监督检验站检测，其各项指标均满足设计要求。进场粉煤灰9579.0t（12772.0m3），按2000t一批次共抽检5次，全部符合设计要求。

制浆用水选用砦脖村饮用水源，月台煤矿矿井水作为备用水源，经新密市卫生防疫站及河南省岩石矿物测试中心检测符合设计要求。施工开始后由于天气持续干旱，砦脖村饮用水源不能满足生产需要，后启用备用水源。

（2）浆液配比与浆液性能指标自检

按施工组织设计规定的抽检频率，对浆液的密度、粘度、结石率及试块强度进行自检，其自检频率满足要求，自检结果合格。

（3）注浆泵流量自检

注浆开始前在监理监督下，对一次搅拌池的容量及注浆泵的流量进行校核检验，投入施工的四台注浆泵流量自检合格，注浆量计量准确。

（4）孔口压力及单孔结束标准自检

孔口压力是反映受注孔吸浆量大小及受注段空洞、裂隙被浆液充填的唯一直观标志，也是调整受注孔浆液配比的重要依据。施工中严格按技术要求进行观察记录，记录成果均经监理认可，翔实可靠。

（5）注浆量自检

本区注浆从制浆到灌注终孔均由监理全过程进行监督，计量员每间隔5～20min，按泵量及一次搅拌池制浆量汇总记录注浆量，由监理现场认可。全区77个钻孔（含2个检查孔）注浆量核查无误。

（6）注浆量的分布

①注浆量小于100m3的钻孔

本次注浆量小于100m3的钻孔，主要为裂隙带处治范围的注浆孔。采空区处置范围内3＃、4＃、5＃、11＃、12＃、22＃、26＃、34＃、52＃钻探均见煤层，其注浆量亦小于100m3，该范围应属残留煤。

②注浆量100～500m3的钻孔

注浆量100～500m3的钻孔，分布于设计处置范围以内的大部分区域，为采空区及塌陷冒落影响区，具有中间注浆量大、两侧注浆量逐渐变小的特点。

③注浆量大于500m3的钻孔

注浆量大于500m3的钻孔，有6＃、7＃、9＃、29＃、33＃、35＃、47＃、50＃八个钻孔，呈星点状分布，多位于主巷道附近的未塌陷区。

经过注浆其各工区实际完成工程量及相关计量数据见表14－13所示，注浆综合成果如图14－13和14－14所示。

表14－13　实际完成工程量及相关计量数据

图14-13　煤矿采空区治理工程李马沟区注浆工作综合成果图

图14-14　煤矿采空区治理工程砦脖区注浆工作综合成果图