边看边听：四门沟采空区悬顶治理
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一、引言
近年来，随着我国煤炭资源开采强度的不断加大，许多矿区相继进入深部开采或资源整合阶段，采空区及其衍生的地质灾害问题日益突出。大面积悬顶作为采空区典型灾害形式之一，不仅严重影响矿井安全生产，还可能诱发地表沉降、突水、瓦斯积聚等次生灾害，治理难度大、技术复杂度高。神木市四门沟煤矿3-1煤层的房柱式开采历史较长，形成了面积约2.98km²的采空区，存在显著的大面积悬顶隐患。受神木市四门沟矿业有限公司委托，中矿天智信息科技（徐州）有限公司联合中国矿业大学技术团队，开展了一系列物探、钻探与注浆综合治理工作，形成了系统性的技术方案与工程实践路径。本文从技术实施的角度，对该项目的背景、方法、实施与成效进行系统梳理与总结，以期为类似条件矿区的采空区治理提供参考。
二、项目背景与地质概况
2.1 矿区基本条件
神木市四门沟煤矿位于陕西省神木市西北约29.5公里处，地处陕北侏罗纪煤田张家峁井田北部，地理坐标为东经110°16′29″~110°18′23″，北纬39°00′53″~39°02′34″。矿区交通便利，周边已有包神铁路、神朔铁路等运煤专线，公路网络发达，具备良好的外部协作条件。
矿区批准开采煤层包括2²、3¹、4²、4³、4⁴、5²号煤层，开采方式为露天与地下结合，生产规模为300万吨/年。本次治理对象为3¹煤层房柱式开采形成的采空区，其面积广泛、顶板稳定性差，存在明显的富水性与塌陷风险。
2.2 地质与水文地质特征
矿区地层主要由三叠系延长组、侏罗系延安组、直罗组、新近系保德组及第四系各类沉积层组成。3¹煤层位于延安组第三段顶部，平均厚度2.90m，属中厚煤层，埋深变化大（0~144m），底板标高介于1120~1142m之间。
水文地质方面，矿区北界为考考乌素沟，属常年流水沟谷，流量受降雨影响显著。含水层主要包括第四系松散层孔隙水、烧变岩裂隙水、直罗组与延安组裂隙承压水等，富水性普遍较弱，但局部可能因构造或采动影响形成富水区，对井下安全构成潜在威胁。
2.3 地球物理特征
电性特征：采空区在未被充填时呈高阻响应，充水后则表现为低阻异常。覆盖区与基岩区的电性差异显著，易于通过电法勘探进行识别。
波速特征：采空区及冒落带因岩体破碎、孔隙度增加，S波速度显著低于围岩，微动探测可捕捉到低速异常及频散曲线拐点，从而判断空区边界与破碎程度。
现场环境与覆盖条件
覆盖层与基岩区差异明显，利于联合物探识别采空区电性与波速异常；地形起伏小，便于测网布设与设备组织。
结合既有生产布局，统筹交通、供电与施工场地，保障物探—钻探—注浆工序高效衔接。
三、综合勘查方法与技术路线
3.1 物探方法选择与原理
3.1.1 瞬变电磁法（TEM）
TEM法通过发射回线向地下发送脉冲电磁场，测量感应二次场的衰减过程，反演地下电性结构。对低阻体反应灵敏、分辨率高、勘探深度大，且不受高阻覆盖层影响。
本项目采用WTEM-1D型瞬变电磁系统，试验4Hz、8Hz、16Hz，最终以8Hz为主频采集。基于“烟圈”效应对不同深度电性层成像，精准识别充水采空区引起的低阻异常。
3.1.2 微动勘探法
微动勘探利用天然微动中的瑞雷波频散特性，反演地下横波速度结构。无需人工震源、抗干扰强、分辨率高，适用于采空区探测。
采用Mole-3D微动仪，布设圆形与十字形台阵，通过SPAC法提取频散曲线，反演S波速度剖面，识别低速异常与裂隙发育范围。
3.2 测网布置与工作量
在2.98km²范围内设计测线51条，测点总数超1万：
- TEM测点3974个，检测点140个；
- 微动测点7933个，检测点278个；
- 测网密度：TEM为40×20m，微动为40×10m。
3.3 钻孔设计与注浆方案
根据物探成果，设计两组从式充填井（每组含多口定向钻孔），总进尺约2000m。孔结构三级分级：
- 一开：Φ350mm钻至15m，下Φ245mm套管；
- 二开：Φ200mm钻至120m，下Φ178.8mm止水套管；
- 三开：Φ150mm定向钻进至采空区，终孔约300m。
注浆材料以煤矸石为主骨料，配合水泥、粉煤灰等胶凝材料，高压注浆注入采空区，形成强度适中、扩散性良好的充填体。
四、施工组织与质量控制
4.1 施工组织架构
项目实行项目经理与技术主编双轨负责制，下设测量组、电法组、微动组、钻探组、注浆组与后勤保障组。技术人员10人，涵盖物探、测量、地质等专业，保障全过程技术支撑与质量管理。
4.2 仪器设备配置
- TEM系统：WTEM-2Q型，2套；
- 微动仪：Mole-3D型，50台；
- 钻机：水源-1000型，2台；
- 注浆泵：高压注浆系统，2套；
- 测量设备：RTK、全站仪、测斜仪等。
4.3 质量控制措施
严格执行《地面磁性源瞬变电磁法技术规程》《煤炭资源勘查工程测量规程》等规范，实行“三级验收”制度，确保原始数据真实可靠。注浆材料配合比经试验确定，施工中实时监测压力、流量与扩散，确保充填质量。
从式注浆与定向钻进
一个地面井位多方向注入，提高覆盖效率；注浆参数在线监测，结合后评物探复测，形成闭环调控。
以煤矸石为骨料的绿色充填材料，兼顾力学性能与扩散性，降本且环保。
五、技术创新与应用成效
5.1 技术亮点
- 综合物探+钻探验证：TEM与微动联合解释，提升采空区边界与富水性判断精度，减少钻探盲目性。
- 定向钻孔+从式注浆：多方向注入扩大覆盖，提高治理效率与均匀性。
- 绿色注浆材料：煤矸石为主骨料，降低成本，减少固废堆存，符合绿色矿山理念。
- 智能监测与反馈：注浆压力与流量实时监控，结合后期物探复测，形成“施工—监测—反馈”闭环。
5.2 应用成效
形成适用于房柱式采空区地面综合治理的技术体系。物探成果清晰揭示采空区分布与富水范围；钻探与注浆工程有效充填空区，增强顶板稳定性，为后续安全回采提供保障。
六、结论与展望
神木市四门沟煤矿大面积悬顶治理项目，融合地球物理勘探、定向钻探、高压注浆等多项技术，体现了“精准探测、科学设计、绿色治理、智能管控”的现代矿山治理理念。
未来，遥感、InSAR、无人机等新技术将与现有技术深度融合，提升采空区探测与治理的效率与精度。中矿天智将继续依托中国矿业大学等科研力量，推动矿山灾害治理技术向更高水平发展，为矿业安全与可持续发展提供坚实技术支撑。