煤矿采空区的探测方法与处治技术

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工业技术
硫磺沟矿区煤层开采历史悠久，9～15号煤层厚度大，煤质好，各煤矿及小煤窑主要开采该煤层，开采管理混乱，硫磺沟煤矿位于准南煤田头屯河中游西侧硫磺沟矿区中部，行政区划隶属新疆维吾尔自治区昌吉市硫磺沟镇管辖。

硫磺沟煤矿是在原昌吉市联合厂煤矿基础上由原新疆哈密煤业(集团)有限责任公司硫磺沟分公司兼并后扩建而成。

2007年10月，兖矿集团对原新疆哈密煤业(集团)有限责任公司硫磺沟分公司进行了控股重组后，2008年硫磺沟煤矿开始进行年产90万吨改扩建，在施工过程中因多方面因素的影响，施工难度较大。

其中，本矿井浅部小煤矿数量多，形成的采空区较多，采空区的存在影响矿井地面工程和井巷工程的布置。

由于工业广场面积有效，乌鲁木齐市—庙尔沟沥青公路又从工业广场中部通过，因此，煤矿地面生产系统污水沉淀池需要从小型的煤窑采空区穿过。

地下矿层采空后,其上方覆盖的岩层失去支撑,使上方岩层产生移动变形,有可能导致各类建筑物变形破坏,甚至倒塌。

如果在建筑物下存在采空区,危险性更大,必须采用综合勘探手段,查明采空区的规模、分布、填充情况,并对采空区做出科学的稳定性评价。

1 工程地质概况
地层上部为新生代第四系土层,主要为河谷沉积和残坡积物。

下伏古生代二叠系中-薄层煤系地层岩石,主要岩性为砂岩、炭质页岩、泥岩、泥质砂岩,呈互层分布,中夹三层煤:4～5号、7号和9～15号。

煤层的产状和其围岩产状基本一致,在浅层以40°倾角向西(沿5#台方向)延伸,深部产状趋缓。

沉淀池及其附近区域的采空区为小煤窑开采形成的采煤巷道,分布浅,多为废弃的矿井,属个体开采的巷道。

这类巷道分布没有资料记载,巷道支护简单或没有支护,矿井多已垮塌,被充填或部分充填。

沉淀池下的采空区即为该类型。

2 探测方法
因此类采空区的无规律性,采用物探技术,快速、准确地诊断采空区的位置、规模,为地基稳定分析及治理采空区提供科学依据。

采用高密度电法与浅层地震法对采空区进行综合勘察,通过两者的结果相互验证,基本探明了采空区位置与规模。

2.1测区地质地球物理条件
根据测区地层岩性分析,页岩和泥质砂岩电阻率比较接近,一般为n×10Ω·m～n×102Ω·m,砂岩电阻率一般比页岩和泥
质砂岩高,在n×102Ω·m以上,煤层和炭质
页岩电阻率一般为n×10Ω·m左右。

如巷道
或采空区为空洞,则空洞与非采空区完整
地层的电性有较大差异,表现为相对高阻
异常。

因此,具备在区内开展高密度电法工
作的前提条件。

同时,区内不同地层存在波
阻抗差,砂岩波速值较高,页岩、煤层波速
值较低,采空区(充填或未充填)边界是强反
射界面,测区开展浅层地震勘探的物性前
提条件较充分。

2.2测线布置
根据勘察目的和测区地层分布情况,
测线平行沉淀池轴线布置。

中间5条线按
10m线距布置,两侧两条线间距为20m,点
距为5m。

地震施测中间3条测线,点距2m;
为了与高密度电法对比,在沉淀池两侧,以
沉淀池中轴线为中心线,布置了间隔6.5m
的2条1m点距浅剖面线和1条1m点距的联
络线。

2.3探测结果
通过物探工作,基本查明了沉淀池下部
的采空区情况。

资料说明,本区无采空巷道,
本区存在的采空区分布较复杂,2#沉淀池
下存在冒落带,1#沉淀池下裂隙发育，主要
在浅部,其深度在10m左右。

深部采空区分
布规律不似浅部明显,说明采空区规模较
小,这与当地调查了解的情况基本相似。

3 地基稳定性评价
沉淀池区域稳定性评价。

该项目早已作了前期规划,煤层的开
采时间为建国前,近期工业广场范围内煤层
未开采,沉淀池所在区域无采空引起的沉陷
盆地变形及区域性地基失稳现象,因此，沉
淀池所在区域是稳定的。

工业广场范围内都
设计了保护煤柱，故以后的开采活动不会危
及沉淀池和地面生产系统的安全。

4 强夯法处理采空区
强夯是法国Menard技术公司于1969年
首创的一种地基加固方法，它通过一般
10～40t的重锤和10～40m的落距，对地基土
施加很大的冲击能，在地基土中所出现的
冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降
低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消
除湿陷性黄土的湿陷性等。

同时，夯击能还
可提高土层的均匀程度，减少将来可能出
现的差异沉降。

4.1加固机理
强夯法是利用强大的夯击能给地基一
冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力
作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结
构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤
压。

4.2设计方案
选用铸钢20t夯锤夯，夯锤的平面为圆
形、落距为21m。

夯击点布置为三角形。

强夯
处理范围应大于建筑物基础范围，每边超
出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/
2～2/3，并不宜小于3m。

第一遍夯击点间
距(夯距)为夯锤直径的2.5倍，第二遍夯击点
位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间
距可适当减小。

以保证使夯击能量传递到深
处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙。

各
夯击点的夯击数为9击。

每个夯击点夯3遍，最
后再以低能量满夯2遍，满夯可采用轻锤或低
落距锤多次夯击，锤印彼此搭接。

4.3施工方法
选用70吨履带起重机，使用滑轮组起吊
夯锤，利用自动脱钩的装置，使锤形成自由
落体。

拉动脱钩器的钢丝绳，其一端拴在桩
架的盘上，以钢丝绳的长短控制夯锤的落
距，夯锤挂在脱钩器的钩上，当吊钩提升到
要求的高度时，张紧的钢丝绳将脱钩器的
伸臂拉转一个角度，致使夯锤突然下落。

4.4注意事项
为防止起重臂在较大的仰角下突然释
重而有可能发生后倾，应在履带起重机的
臂杆端部设置辅助门架，或采取其它安全
措施，防止落锤时机架倾覆。

自动脱钩装置
应具有足够的强度，且施工时要求灵活。

4.5处理效果
强夯施工结束后,在强夯范围内进行
钻孔检验,采用注水、压水试验测定强夯段
的渗透系数,各测点均未超过10-4cm/s,表
明密实充填程度满足质量要求。

从所取岩
芯可见,冒落带、裂隙已被充填,达到了加
固目的。

5 结语
采空区的加固处理是一个新课题,从
沉淀池下采空区处理来看,由于工业广场
区域是稳定的,对采空区的处理主要是保
证沉淀池基础附加应力对采空区的影响。

总之,在工程建设中要尽可能避绕采
空区,当必须穿过采空区时,宜采用物探手
段探明采空区的位置、规模,并对采空区的
稳定性做出科学的评价,如需处理,工程实
践表明，采用强夯法是行之有效的方法之
一，强夯法具有施工简单、加固效果好、使
用经济等优点，因而被世界各国工程界所
重视。

对各类土强夯处理都取得了良好的
技术经济效果。

但对饱和软土的加固效果，
必须给予排水的出路。

为此，强夯法加袋装
砂井(或塑料排水带)是一个在软粘土地基
上进行综合处理的加固途径。

煤矿采空区的探测方法与处治技术
岳本祯
(兖矿新疆能化有限公司新疆乌鲁木齐 830011)
摘要：文章阐述了物探技术在煤矿采空区探测中的应用,结合建构筑物下部采空区的处理实践,总结了强夯地基加固法处理采空区的
施工工艺及注意事项。