煤矿采空区勘察及处理工程实例

煤矿采空区勘察及处理工程实例

李振东

山西襄矿辉坡煤业有限公司

摘要：本研究以程度至达州至万州高速铁路铜锣山隧道工程作为具体案例，深入开展了针对铜锣山隧道煤矿采空区的勘察与处理研究。通过系统收集并分析相关资料，全面了解了该工程的地质背景、采空区的分布情况、对隧道施工的影响，以及采取的处理对策和效果。在此基础上，对工程的处理对策进行了详细的分析和评估，总结了其优点和不足，并探讨了可能的改进和优化方向。本研究旨在为类似工程提供有益的参考和借鉴，推动煤矿采空区勘察与处理技术的发展，提高隧道工程的安全性和稳定性。同时，也为高速铁路建设中的地质工程问题提供了宝贵的经验和启示。

关键词：煤矿采空区；勘察；处理

一、引言

当地下矿层被采空后，其上方覆盖的岩层会失去支撑，导致上方岩层产生移动和变形。这种情况可能对地表的各类建筑物产生破坏作用，甚至导致建筑物倒塌。特别是在建筑物下方存在采空区的情况下，危险性会进一步增大。因此，对采空区进行勘察和处理显得尤为重要；为了对这些采空区进行勘察和处理，需要采用综合勘探手段，如高密度电法、钻探勘查等。通过这些勘探方法，可以查明采空区的规模、分布和填充情况，对采空区的稳定性进行科学的评价。同时，还需要结合地质工程和环境工程的知识，制定合理的采空区处理方案，以确保地表和建筑物的安全[1]。

二、工程介绍

（一）工程概况

“铜锣山隧道”是一项壮观的工程，它位于四川省达州市的东侧，穿越了壮丽的铜锣山脉。这条隧道自西向东延伸，横跨川东平行岭谷区的铜锣山背斜，为区域交通的发展做出了重要贡献。隧道的进口位于DK96+455的位置，从这里开始，隧道逐渐深入山体，最终到达出口，其里程约为DK101+050。整个隧道的全长达到了4610米，这样的长度在隧道工程中堪称壮观。在隧道的挖掘过程中，工程师们克服了众多技术难题，确保了隧道的稳定性和安全性。值得一提的是，铜锣山隧道的最大埋深达到了420米。这意味着在隧道的某些部分，山体岩石的厚度超过了400米，这无疑增加了施工的难度。在这样的深度下，工程师们必须精确计算岩石的压力和应力分布，以确保隧道结构的稳固。铜锣山隧道的建设不仅展示了人类工程技术的卓越成就，也为四川省达州市的交通运输带来了极大的便利。这条隧道连接了多个重要地点，为当地的经济和社会发展提供了强有力的支撑。

（二）地质特征

“铜锣山隧道”工程所处的地质环境具有独特的特点。基岩出露情况相对较好，这为隧道的施工提供了较为稳定的基础。然而，第四系土层相对较薄，且仅在地表局部地区零星分布，这增加了施工过程中的不确定性。在地层岩性方面，铜锣山隧道东西两翼呈现出对称分布的特点，依次穿越了侏罗系中统沙溪庙组至三叠系上统须家河组地层。这一地质结构的复杂性要求施工团队必须精心规划和细致操作。

此外，铜锣山隧道所在的构造位置为新华夏系第三沉降带川东褶皱带之铜锣峡背斜。这一背斜轴总体呈北东十至十五度走向，略呈弧形向西突出。轴向则由北东十五度渐转为北西三百四十度，背斜大致以三度至六度向北倾伏。这种特殊的地质构造使得背斜两翼呈现出不对称性，东翼相对平缓，地层倾角一般在十五度到三十五度之间；而西翼则较为陡峭，地层倾角一般在三十度到六十度之间。这种地质特征对隧道的稳定性和安全性提出了更高的要求。值得注意的是，背斜局部地区还发育有次级背向斜及小断层，这进一步增加了施工难度和不确定性。

三、采空区勘查

为了详细了解“铜锣山隧道”工程采空区的分布范围以及踩空高程，考虑到采空区的复杂性，加护通过多种勘查手段，逐步深入进行勘查，勘查的举措如下：

（一）井下坑道测量

这一步骤是勘查工作的基础，通过精确的测量，可以初步确定采空区的位置、范围和分布情况。测量过程中，使用先进的仪器设备，确保数据的准确性和可靠性。通过井下坑道测量，可以为后续的勘查工作提供有力的数据支持。勘察期间，对铜锣山隧道北侧斌郎煤矿东南侧W3016工作面的采空区控制边界进行井下实测，采空区分布图如下图1所示：

图1 铜锣山背斜煤矿采空区分布平面

（二）物探

物探，作为一种非破坏性的勘查方法，在现代工程领域中扮演着至关重要的角色。它基于物理原理，通过特定的仪器和设备，对地下介质进行精确的探测和分析，从而揭示出地下结构、岩石性质、地层厚度等关键信息。在铜锣山隧道工程中，物探技术的应用显得尤为重要。

铜锣山隧道工程地处川东平行岭谷区的铜锣山背斜，地质条件复杂多变，采空区的存在给工程带来了不小的挑战。为了更加准确地了解采空区的地质特征，工程师们采用了多种物探方法，其中包括地震勘探和电阻率法等。地震勘探是一种通过人工激发地震波并接收其反射波来推断地下地质结构的方法。在铜锣山隧道工程中，地震勘探的应用能够帮助工程师们识别出采空区的边界、规模和形态特征，为隧道的施工提供了宝贵的地质资料。而电阻率法则是利用地下介质电阻率的差异来揭示地下结构和分布情况的一种物探方法。通过在地表布置电极，测量地下电流的分布和电阻率的变化，可以推断出地下岩层的分布、厚度以及含水情况等

[2]。在铜锣山隧道工程中，电阻率法的应用有助于工程师们了解采空区的岩石组成、含水层的位置和分布，为隧道的施工提供了重要的参考依据。

（三）深孔钻探

深孔钻探是一种直接获取地下岩石样品的方法，对于准确了解采空区的分布范围和踩空高程具有重要意义。在钻探过程中，通过钻取不同深度的岩石样品，可以直观地了解地下岩层的岩性、厚度和分布情况。同时，钻探还可以获取地下水的分布和流动情况，为隧道施工中的排水和防水工作提供重要参考。

图2 铜锣山背斜钻孔及采空区分布示意

根据地质调查、井下坑道测量及物探成果，结合铜锣山隧道的平纵断面数据及煤层分布情况进行综合分析，在铜锣山隧道两侧可能存在采空区区域分阶段累计布置验证性钻孔11 个，各钻孔与线路的位置关系如图2所示。

四、处理对策

铜锣山隧道工程在推进过程中，面临着一系列复杂的地质挑战。其中，部分地段距离煤矿采空区较近，这使得隧道施工中的地质条件变得尤为复杂。由于煤矿采空区的变形影响，隧道局部区域出现了密集的裂隙，这些裂隙不仅可能导致瓦斯超标，还存在涌突水的风险。瓦斯作为一种有害气体，一旦超标，将对施工人员的生命安全构成严重威胁；而涌突水则可能导致隧道内部积水，进一步加大施工难度，甚至可能引发安全事故。鉴于以上情况，隧道施工过程中必须高度重视超前地质预报工作[3]。通过运用先进的勘探技术和设备，对隧道前方的地质情况进行实时监测和分析，以准确掌握瓦斯浓度和涌突水风险。同时，施工过程中还必须加强瓦斯检测工作，确保隧道内的瓦斯浓度始终控制在安全范围内。

除了地质预报和瓦斯检测外，隧道施工还应加强变形监测工作。通过对隧道拱脚水平相对净空变化速度的实时监测，可以及时发现变形迹象，从而采取相应的应对措施。当监测到拱脚水平相对净空变化速度大于10mm/d时，应立即采取措施加大预留变形量至20cm，并对地基进行加固处理。这样可以有效缓解变形对隧道结构的影响，确保工程安全。由此可见，铜锣山隧道施工过程中必须高度重视地质预报、瓦斯检测和变形监测工作。通过加强这些关键环节的管理和控制，可以有效应对煤矿采空区变形带来的风险和挑战，确保隧道施工的安全和顺利进行。

五、总结

综上所述，高速铁路对沉降变形的要求比较高，同时煤矿采空区变形以后就很难以治理，所以，采空区的勘察是煤矿厂区工程勘察的重点，因此，在勘察过程中，需要综合运用地质勘探、地球物理勘探、地球化学勘探等多种手段，对采空区的分布、规模、变形特征等进行详细调查和分析。同时，还需要结合工程实际，对采空区的稳定性进行评估，提出相应的治理措施和建议，以确保高速铁路的安全稳定运行和煤矿厂区的可持续发展。

参考文献：

[1]王默,王坤宇.煤矿采空区岩土工程勘察方法应用探讨[J].内蒙古煤炭经济, 2023(9):187-189.

[2]穆文光,韩广乐,高雪莲,等.邻近深厚煤矿采空区对鲁南高速铁路的影响分析[J].铁道勘察, 2022, 48(1):5.

[3]杨小龙,张崇礼,周开心,等.综合物探技术在煤矿采空区探测中的应用[J].黑龙江科学, 2022, 13(8):3.

作者简介：李振东 1971.11.21 男 山西省襄垣县 汉 本科 工程师 山西襄矿辉坡煤业有限公司 研究方向:煤矿技术