谷海靜

(陜西華彬煤業(yè)股份有限公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)過程中，往往會遇到廢棄老窯，受開采技術(shù)和能力所限，老窯開采范圍在礦井開采水平上部的較淺位置，形成大小不同，零星分布的采空區(qū)。這些老窯形成的采空區(qū)內(nèi)存在有毒有害氣體[1-5]，老窯積水具有突水的潛在危害[6-8]，威脅礦井的安全生產(chǎn)。

陜西某礦采用井工開采。礦區(qū)形狀為一條西窄東寬的帶狀。走向長4.46 km，傾向?qū)?.55～1.00 km，面積3.23 km2，開采深度根據(jù)煤層實(shí)際賦存情況而定。

1 老窯區(qū)工程概況

在該礦開采過程中，揭露了部分老窯，老窯采空區(qū)有大量積水。老窯水的抽排破壞了地層內(nèi)原先的水壓平衡，致使采空區(qū)上部地面塌陷，誘發(fā)項(xiàng)目區(qū)南部斜坡體上第四系堆積體失穩(wěn)。

為了煤礦開采和掘進(jìn)工程的順利進(jìn)行，防止突水事故和邊坡失穩(wěn)的發(fā)生，需要確定老窯分布和數(shù)目，為此，在揭露的老窯區(qū)內(nèi)進(jìn)行調(diào)查區(qū)劃分。調(diào)查區(qū)位于該礦西南部，面積約0.60 km2，調(diào)查區(qū)與煤礦關(guān)系位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目區(qū)與捷吉煤礦位置關(guān)系

2 老窯分布現(xiàn)狀及治理必要性

經(jīng)野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)共有老窯23個(gè)，其中，7個(gè)老窯開采18號煤層，開采厚度15.20～22.0 m，平均開采深度80 m；9個(gè)老窯開采17號煤，開采厚度3.1～5.2 m，平均開采深度10～60 m；5個(gè)老窯開采11號煤，開采厚度0.9～1.3 m，平均開采深度50 m；2個(gè)老窯開采9號煤，開采厚度0.65 m左右，平均開采深度10～80 m。

老窯采空引發(fā)大面積地表塌陷，破壞了區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境，影響附近村民的生產(chǎn)活動。老窯內(nèi)積水嚴(yán)重，破壞了地層內(nèi)原來的水壓平衡，使得巷道掘進(jìn)時(shí)無法進(jìn)行有效支護(hù)，既易誘發(fā)突水事故又使掘進(jìn)工程受阻。并且在老窯治理過程中，造成上部地面南側(cè)滑坡(以下簡稱“HP1”)和西側(cè)不穩(wěn)定斜坡(以下簡稱“XP1”)的形成。為了保證附近村民的正常生活，維持礦井的正常生產(chǎn)，對老窯引發(fā)的地表塌陷、積水和上部地面產(chǎn)生的兩處滑坡進(jìn)行綜合治理。

3 地表塌陷、積水與滑坡情況

3.1 地表塌陷情況

老窯區(qū)內(nèi)含煤地層主要由粉砂巖、泥巖及煤層等軟質(zhì)巖組成，煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等，穩(wěn)定性均較差。由于老窯采深淺、頂板支護(hù)簡單、開采技術(shù)落后，致使老窯采空區(qū)泥巖直接頂板坍塌，上覆巖層結(jié)構(gòu)破壞，上部地表沉降。開采較早的老窯采空區(qū)地表塌陷處已形成塌陷坑洼地形。

3.2 積水成因及分布特征

老窯簡單落后的開采方式對井口保護(hù)不力，導(dǎo)致老窯采空區(qū)內(nèi)積攢大量的大氣降水。采空區(qū)單個(gè)老窯積水量一般300～600 m3，平均500 m3左右，最大量達(dá)800 m3。部分老窯口能見積水外流，如圖2所示。

圖2 嚴(yán)重積水的部分老窯

3.3 滑坡分布特征

3.3.1 南側(cè)滑坡HP1基本特征

HP1主要滑移角度為358°，坡度25°～40°，整體呈“舌”形，滑體分為2段。其一為淺層滑坡，由含有碎石的黏土組成，HP1滑體縱長158 m，前緣寬287 m，平均厚度5 m，潛在滑體的體積約為12.3×104m3。目前該斜坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，坡體存在多條裂縫，并逐漸擴(kuò)展。斜坡潛在滑動帶為巖土接觸帶，為斜坡體中相對軟弱層。HP1特征如圖3所示。

3.3.2 西側(cè)不穩(wěn)定斜坡XP1基本特征

場地西側(cè)XP1由淺層不穩(wěn)定性斜坡及軟巖構(gòu)成的堆積層變形體組成。斜坡主要滑移角度為83°，坡度15°～25°，整體呈“舌”形，潛在滑體為殘破積層含有碎石的黏土，體積5.4×104m3。該斜坡目前坡體整體基本穩(wěn)定如圖4所示。

圖4 南側(cè)滑坡HP1形態(tài)特征

根據(jù)勘探資料分析，該斜坡潛在滑動帶為巖土接觸帶，土體為褐黃色粉質(zhì)黏土，軟塑狀，厚10～20 cm，為斜坡體中相對軟弱層。

4 滑坡影響因素

4.1 地形地貌

滑坡區(qū)地貌屬典型的中山斜坡地貌，地形坡度一般15°～40°；斜坡體前緣坡度較陡，為滑坡的產(chǎn)生提供了有利的地形條件。

4.2 地質(zhì)環(huán)境條件

滑坡區(qū)受區(qū)域地層巖性和雨水沖刷的影響，場地分布較厚軟質(zhì)巖層，該巖石具有透水性差、壓縮性大、強(qiáng)度低、易軟化等特點(diǎn)。軟弱巖層在上部巖體壓力、水的軟化作用、長期風(fēng)蝕等因素影響下，不斷擠壓并向臨空方向塑性流動。

4.3 大氣降雨

該滑坡體是含有碎石的黏土，降雨時(shí)雨水的下滲，導(dǎo)致斜坡上的土處于接近飽和狀態(tài)，使得坡體重量增加，降低了土體的抗剪強(qiáng)度。

4.4 人類工程活動

場地采煤開挖暴露后，給滑體變形破壞提供了條件，也削弱了前部支撐力。該破壞為蠕變破壞，斜坡體在周圍建筑物的重力作用下，其下滑力增加。周圍山地被開墾種植，破壞了原始地貌，降低了斜坡的穩(wěn)定性。

5 老窯治理措施

5.1 采空區(qū)探測技術(shù)選擇

目前，國內(nèi)外對煤層采空區(qū)探測的地球物理方法有很多種[5-7]，本次探測方法采用綜合地球物理方法。

5.2 老窯治理方法比選

結(jié)合調(diào)查區(qū)當(dāng)前特征，結(jié)合采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，提出充填法和露天剝采法等兩種治理方法[9]。

常用的充填法有尾砂充填、矸石充填、膠結(jié)充填等，具有充填密實(shí)、填充效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是充填法存在成本高，施工難度大，治理不徹底等缺點(diǎn)[10-12]。剝采方法的特點(diǎn)是治理徹底，不僅能減少國家投資，而且煤礦企業(yè)還能回收殘煤價(jià)值[13]。

通過2種方法的對比，治理方案選擇剝采法。即在治理區(qū)分臺階露天剝挖[14-16]，將挖出采空區(qū)上部的土、矸石和巖石堆放后，挖除殘留的煤炭，并用黏土覆蓋，用剝離的材料回填開挖坑，覆蓋黏土后復(fù)墾綠化。剝采工藝流程如圖5所示。

圖5 剝采工藝流程

5.3 治理措施

5.3.1 老窯采空區(qū)的開挖治理

修建截(排)水溝：在采場及工業(yè)場地上方周圍修筑截(排)水溝，將地表水導(dǎo)出采場外，達(dá)到排水和防洪的目的；規(guī)劃道路工程。為了不影響村民的正常出行，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)開挖設(shè)計(jì)方案，將受到開挖破壞的兩條道路重新進(jìn)行選線后修建。

采空區(qū)開挖：采空區(qū)開挖采用臺階式開采，開采順序?yàn)閺纳系较?、由淺到深，逐步剝離的推進(jìn)方式。每完成2個(gè)開采臺階后及時(shí)做好土地復(fù)墾，在各邊坡坡腳處種植攀援植物。

分層回填：在采空區(qū)積水抽排完畢后對開挖區(qū)域進(jìn)行分層回填，先用大塊石回填，再鋪設(shè)黏土防水層，最后在黏土防水層的上方進(jìn)行表土覆土用作耕作層。

5.3.2 堆放場治理

表土剝離：通過實(shí)地調(diào)查，該區(qū)破壞前為耕地，土壤厚度為0.5～1.1 m，堆放面積16.85 hm2，將剝離的表土放至存放區(qū)堆放并采取保護(hù)措施，在土壤撒播草籽以保持水土。

修建暗渠：規(guī)劃修建的堆放場地自南往北方向有一條溪溝通過，長度為1 028 m。為保護(hù)此溪溝，在堆放場地內(nèi)修建暗渠，從而保障溪溝水順利流出。

土石回填：堆放場將回填至道路標(biāo)高1 430 m處，回填方量為302.7萬m3。

土地復(fù)墾：土地復(fù)墾需做恢復(fù)旱地的工程設(shè)計(jì)，包括人工平土、客土回填、土壤培肥、優(yōu)化農(nóng)田水利等設(shè)計(jì)。

5.3.3 滑坡治理

對西側(cè)XP1選取主要滑移方向的2-2′、3-3′剖面計(jì)算滑坡穩(wěn)定性；南側(cè)HP1選取主要滑移方向的4-4′、5-5′剖面計(jì)算滑坡穩(wěn)定性。參考《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(GB/T 32864—2016)的滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分方法，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算，2個(gè)斜坡的滑坡狀態(tài)見表2。

表2 兩斜坡不同工況下的穩(wěn)定性結(jié)果

兩斜坡在特大暴雨、風(fēng)化、侵蝕破壞作用下可能沿斜坡前緣滑移剪出。隨著老窯治理項(xiàng)目對坡腳土石方的開挖，下部臨空面加大，堆積層變形體范圍將進(jìn)一步擴(kuò)展。

若以上2處發(fā)生滑坡，將對附近村民的生活和礦井的生產(chǎn)產(chǎn)生影響，潛在經(jīng)濟(jì)損失巨大。為此，提出針對2處滑坡的治理分項(xiàng)設(shè)計(jì)。

擬對南側(cè)采取三級支護(hù)，一級支護(hù)Ⅲ～Ⅳ段，為保護(hù)后緣高壓電塔安全；二級支護(hù)Ⅰ～Ⅱ段，為防治淺層滑坡體產(chǎn)生滑動；三級支護(hù)Ⅶ～Ⅷ段，為確保老窯治理施工的局部穩(wěn)定性。其中Ⅰ～Ⅱ段長290 m，Ⅲ～Ⅳ段長40.8 m，Ⅶ～Ⅷ段長270 m。西側(cè)Ⅴ～Ⅵ段采取“1.5 m樁徑抗滑樁(C型樁)+冠梁+局部樁間板”支護(hù)，Ⅴ～Ⅵ段長136.3 m。

對開挖后整個(gè)斜坡進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)掌握斜坡移動趨勢。針對滑坡的具體特征、影響因素，建立監(jiān)測系統(tǒng)，分析評價(jià)滑坡發(fā)展規(guī)律，預(yù)測滑動范圍。

6 結(jié)論

(1)對采空區(qū)采用綜合地球物理方法進(jìn)行探測，并針對老窯采空區(qū)提出剝采法進(jìn)行治理。

(2)對老窯采空區(qū)在剝采過程中堆放場的治理方法，提出表土剝離、修建暗渠、土石回填以及土地復(fù)墾等方法。

(3)針對在老窯采空區(qū)治理過程中產(chǎn)生的2處滑坡，進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，針對南側(cè)潛在滑坡，提出三級支護(hù)的方法，對于西側(cè)潛在滑坡，提出“抗滑樁(C型樁)+冠梁+局部樁間板”支護(hù)方法。