适用读者： 煤矿矿长、总工程师、安环负责人、地测科长、防灭火队长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、 地表沉陷塌陷与矿山生态治理的双重红线约束
我国西部煤炭主产区（如陕西榆林、府谷，内蒙古鄂尔多斯）多为生态脆弱的黄土高原或风沙区。在推进大采高、超长工作面智能化开采的过程中，煤层采出后留下的巨大采空区在顶板压力作用下发生失稳垮落，这层地应力释放会向上传导，最终导致地表大面积沉降开裂、塌陷坑星罗棋布。
地面塌陷灾害如果不实施及时的应急处置和系统性回填修复，将引发一系列严重的连锁后果，触碰国家法律和生态红线：
- 地表严重开裂漏风，诱发井下煤火与瓦斯异常：地表塌陷裂缝如果直接沟通了井下采空区，外部空气（氧气）会沿这些裂缝被负压吸入井下，造成极具危险性的采空区遗煤快速自燃。同时，井下有害瓦斯和CO也可能沿裂缝向地表跑跑漏漏，威胁周边居民生命安全。
- 地表塌陷破坏水文环境，导致地表水断流与漏失：高密度的地表裂隙割断了宝贵的地下潜水层或地表水流（如季节性河流、农田灌溉渠），导致局部水源瞬间流失，水土流失加剧，植被枯死，严重恶化脆弱的矿区生态红线。
- 农田及构筑物开裂损毁，带来高昂的村民纠纷赔偿：塌陷直接导致农田沉降不均无法耕作、房屋开裂倒塌、高压电塔倾斜等安全事故。煤矿每年需向地方支付上亿元的沉陷补偿和搬迁费用，且容易引发频繁的村矿矛盾，极大地牵扯了管理精力。
因此，建立一套结合了矸石绿色充填、地质精准定位及高效回填的“地面塌陷应急处置与充填修复”成套工艺技术，是智慧低碳矿山建设的当务之急。
二、 塌陷空洞勘察定界与浆液扩散动力学模型
2.1 无人机热红外勘察定界技术
常规的地表塌陷勘察仅依赖人工巡检，不仅在大面积沟壑交错的黄土区效率极低，而且对于隐伏裂隙（表面看似完整但地下已裂开的裂缝）无法察觉。
现代修复工艺要求引入无人机搭载高分辨率热红外（TIR）及多光谱相机技术。其物理原理是：地下裂缝沟通了井下采空区，井下常温（18^\\circ\\text{C} \\sim 24^\\circ\\text{C}）与地表常温存在明显的温差，有害气体从裂隙溢出时，地表裂口处的辐射温度会产生局部异常。利用热红外成像仪可快速测定异常温差区，对地表塌陷裂隙群进行高精度“三维定界与圈定”，避免漏判漏治。
2.2 浆液在塌陷松散岩体中的扩散半径公式
在进行地表注浆回填设计时，钻孔的间距设计取决于浆液在松散带或岩体裂隙中的扩散半径 R。在恒定注浆压强 P 作用下，将浆液在松散介质中的流动简化为平面径向流，其扩散半径 R 与注浆时间 t、浆液粘度 \\mu 呈非线性动态耦合关系：
式中：r_0 为注浆管口半径（m）；φ 为介质的有效孔隙率；k_{permeability} 为地表松散层渗透率；P 为实际施加的注浆超压压强值（MPa）；\mu 为矸石-水泥浆体的动力粘度。
根据该公式，若要增大扩散半径减少打孔数量，需要：
- 优化流变粘度 \mu：加入减水外加剂调浆，降低浆体粘度。
- 控制注浆压力 P：注浆压力必须高出围压，但要低于裂隙覆盖层极限强度，防止地表产生塑性变形并从他处产生跑跑跑浆。
以下为塌陷区多点动态勘察、快凝浆液阻断及复垦绿化一体化的工作流：
热红外与无人机勘察定界
使用无人机搭载热红外相机对塌陷区进行航拍，精准定界地表漏气跑浆通道与隐裂隙
空洞体积计算与压力解算
利用三维激光扫描结合地质勘察，确定空洞最大几何尺寸与封堵所需充填浆体量
移动式多路高压制浆车定位
将大扭矩制浆充填车和高压泥浆泵组开赴现场，布设泥浆供水和骨料堆放平台
骨架注浆孔与止浆圈布设
打设粗粒径骨架回填孔，并在周边布设细粒径快速凝固的改性止浆水泥砂浆屏蔽网
大排量带压序贯注浆
大排量（80-150 m³/h）先注粗骨料砂浆垫底，中后期注改性粘土快凝水泥浆密实闭气
表层复垦与气密性压力检验
回填孔进行二次带压压实（3 MPa保压），表层覆土复垦，测试地下密闭性达成合规消纳
从工艺步骤可以看出，通过骨架充填孔与补强堵漏注浆孔的交错施工，可快速构建物理骨架支撑并切断漏风漏水通道。
2.3 地表沉陷控制位移学模型
根据概率积分法（PIM），地下采空区充填后，地表的最大长期累计下沉值 W_{max} 修正公式为：
式中：q 为下沉系数；m 为开采煤层厚度；θ 为煤层倾角；η_{backfill} 为采空区充填接顶率（设计需达 ≥ 95\%）。
通过地面注浆修复采空区及覆岩裂隙，实际上是提高了采空区整体充填率 η_{backfill}，使地表变形速度收敛于零。
三、 塌陷注浆修复关键设计参数与对账表
为了确保回填料浆不流失且达到长期稳定的力学承载，对料浆参数、施工进度及沉降指标做出了如下规定：
3.1 地表塌陷回填注浆工艺参数控制对账表
| 控制参数类别 | 设计合格控制线 | 现场测定仪器设备 | 防灾与结构安全逻辑 |
|---|---|---|---|
| 注浆浆体坍落度 | 180 \sim 220\text{ mm} | 坍落度筒，每 2 小时测定一次 | 保持料浆流动性，确保扩散半径达到设计要求 |
| 水泥砂浆初凝时间 | 30 \sim 90\text{ 分钟} | 针入度凝结时间测定仪 | 浅层封孔要求快凝，防止浆液向深部采空区无限跑浆 |
| 高压泵送流速 | 1.2 \sim 1.6\text{ m/s} | 电磁流量计高频数据采集 | 保证浆体在输送管道中不沉降，消除突发堵管风险 |
| 单孔最终憋压压强 | 2.5 \sim 3.5\text{ MPa} | 井口高精度抗震防冲压力表 | 确保浆体充实到微裂隙，并完成最终压实固结 |
| 地表残余沉降速度 | ≤ 1.0\text{ mm/月} | 精密电子水准仪及GPS长期监测点 | 地表结构稳定、复垦无次生开裂的刚性检验红线 |
| 回填浆体28d强度 | ≥ 2.5\text{ MPa} | 实验室油压伺服压力试验机 | 提供充实的静承载力，阻止覆岩关键层发生二次下沉 |
| 材料配合比固量比 | 矸石:粘土:水泥 = 7:2:1 | 调料中控电子配料称 | 火山灰活性粘土配料，锁住析出物，防止土壤污染 |
四、 地面注浆塌陷修复施工异常应急处置 SOP
在地表裂缝注浆回填施工过程中，存在浆液沿裂隙窜入井下（窜浆）、管道承压过载爆管以及地表产生突发鼓胀等安全风险。必须制定两级联动应急SOP：
SOP 1：注浆浆液窜入井下综采工作面或巷道
- 触发条件：井下巡检安检员报告顶板锚杆孔或老塘侧出现灰色矸石泥浆，同时地面注浆压力表指示压强瞬间从 3 MPa 降至接近零。
- 处置流程：
- 紧急拉闸急停：制浆站中控员一键停止地表大排量泵送，并切断主电闸。
- 降压通报：通报井下安全调度室，确定发生窜浆的具体钻孔坐标和井下波及段。
- 井下木挡排浆：井下防冲队使用木板、麻袋构筑拦截坝阻断泥浆漫流，用矿车或泥浆泵抽排。
- 地表添加水玻璃注浆：地面将注浆配方调为“双液快凝浆”（水泥浆 + 3% 硅酸钠水玻璃），在孔口直接汇合，使其在 15秒 内凝固，在离缝深部形成化学止浆圈，隔绝井下通道。
SOP 2：输浆高压钢管法兰处突发爆裂跑浆
- 触发条件：地表输送管道法兰处由于高压（$≥ 5\text{ MPa}$）和泥浆磨损，法兰密封圈突发破裂，浆液向外喷射。
- 处置流程：
- 停机泄压：地面司泵工拉闸停机，开启地面主管路放空旁通阀，释放管内憋压压力。
- 安全隔离：施工队沿喷浆管线 15米 范围内拉设警戒线，严禁人员靠近防止高压伤人。
- 高压清水吹洗：切换清水阀，以中压（1.5 MPa）对整条钢管管路进行清管吹洗，洗净残浆。
- 更换紧固高压法兰：拆卸毁坏垫片，更换高耐磨聚氨酯密封环，并用力矩扳手交叉对称紧固螺栓。
五、 陕北府谷黄土丘陵塌陷区修复实践
5.1 工程与塌陷地质背景
陕北府谷某中型煤矿年产 300 万吨，主采 5号煤层，平均厚度 5.4 米，埋深偏浅（仅 120-160 米），上覆黄土高原特有的黄土状粘土和风积沙。
由于采空区上方属于易垮落浅埋顶板，工作面回采后，地表出现了一条宽达 0.8 米、深达 4.2 米的特大贯通性塌陷大裂缝带，地表累计沉降差达 2.4 米，造成周边村民 80 余亩农田彻底干涸开裂，且地表空气沿裂缝吸入采空区引发了 CO 的急剧超限（最高达 120ppm），面临严重的火灾和环保环保督察红线压力。
5.2 应急定界与回填工程设计
矿方总工程师迅速协调，上马了地面塌陷综合注浆修复项目：
- 定界手段：采用四旋翼无人机搭载 TIR 热红外热成像仪，在清晨温差最大时段进行航测，精确定界了地下漏风隐伏裂缝群 12 条。
- 布孔参数：沿塌陷裂缝两侧 2-3 米呈梅花状打设注浆修复孔，孔深 15-35 米直达黄土基层，设计孔距 6 米。
- 充填料浆：使用本地排土场剥离黄土、洗煤厂碎矸石、少许粉煤灰和 5% 的低标号水泥。
5.3 治理前后指标对比与对账
经过 45天 的连续抢修封堵，各项地表变形及井下安全指标均达到了设计要求，详细数据如下：
| 对账验证指标 | 应急处置修复前 | 应急处置修复后 | 生态与安全控制效果 |
|---|---|---|---|
| 地表贯通裂缝宽度 | 0.8 m ~ 1.2 m (大空腔) | 0 mm (完全注满压实) | 消除了地表空洞地质隐患 |
| 井下回风流CO浓度 | 120 ppm (高度易发煤火) | 0 ~ 2 ppm (恢复背景值) | 杜绝了漏风导致的遗煤氧化 |
| 地表最大沉降变形速度 | 12.5 mm/d (剧烈活动) | 0.2 mm/月 (处于稳态) | 地表沉陷完全稳定 |
| 新增复垦绿化农田面积 | 0 亩 | 82 亩 (表层覆土 40cm) | 实现了水土保持，退耕还绿 |
| 年沉陷民农作物补偿费 | 1200 万元/年 | 80 万元/年 (下降 93%) | 村矿关系得到极大改善 |
| 矸石消纳与生态充填量 | 0 立方 | 12.4 万立方 (合规消纳) | 无害化利用剥离土与矸石 |
实测数据表明，高压压注的矸石-粘土浆体在地下脱水干燥后，与原有的黄土颗粒形成了一种高凝聚力的硬化粘土阻水层。该阻水层不仅承载了地表覆盖层的重量，而且其气密性测试（保压 3.5 MPa 无漏气）证明已完全阻断了大气向采空区的漏风风路，保护了脆弱的黄土高原水土环境。
六、 塌陷充填修复可研及审批技术资料清单
项目在申报地面塌陷地质灾害修复治理方案及生态专项基金时，地测环保科需提前准备以下申报材料：
- [ ] 无人机热红外勘察定界三维图谱及测区红线图：用于确定工程边界及预算编制依据。
- [ ] 塌陷区下方工作面采空区回采测绘图纸：了解地下空洞层位，用以算料浆需求量。
- [ ] 浆体流动流变性及固化早期强度测试报告：论证料浆在地下不会无限制流失。
- [ ] 表土复垦复绿设计方案：规划注浆后表层土壤改良、绿化植被种类以及排灌沟走向。
- [ ] 第三方环评报告：出具矸石、粘土浆体在地下浸泡不会释放有害重金属的环境评价意见。
七、 常见问题 FAQ
Q：地面塌陷注浆回填，会不会把泥浆注得过多，从而把井下正常的安全顺槽巷道压垮或淤满？
A：这在设计中是通过“两步走，分序筑堤”来绝对避免的。第一步是在边缘距离井下巷道较近处打入快凝的粗矸石水泥挡墙孔，注入大流动度的快硬料浆，在地下建立一道“止浆墙”。第二步，在止浆墙固结后再向中心部位大排量注浆，如此，浆液就会被完全限制在塌陷区内，不会窜向井下巷道。
Q：无人机热红外相机在什么时段进行地表裂缝勘察定界效果最好？
A：最佳时段是清晨 5:00 - 7:00（日出前）。因为这个时段地表由于夜间辐射散热温度达到全天最低，而井下排出的空气温度相对恒定且偏高。此时裂口处的温差对比最显著，热红外镜头能够清晰地抓拍到地下裂隙的“热羽流”红线轮廓。
Q：注浆修复后的地面是否可以承受大型农业收割机或载重卡车的正常碾压？
A：可以。注浆浆体固化后的单轴抗压强度要求 $≥ 2.5\text{ MPa}$，这大约相当于 25 个大气压的承载力。并且在浆体之上还要回填 40-50 cm 的自然耕作层土壤，因此，拖拉机、联合收割机以及运粮卡车均可以常态化安全行驶，不会发生陷车陷井。
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
长期致力于黄土高原、戈壁塌陷区地质灾害勘察、裂隙精准注浆封堵、生态复垦复绿一体化项目策划与合规化出路解决。
依托中国矿业大学地质与环保专家团队，为企业量身定制采空区塌陷应急治理与矸石综合利用可研。
*本文首发于 [zhangjiezhen.cn](https://zhangjiezhen.cn/blog/surface-collapse-repair.html)，转载请注明出处。*
*声明：文中所涉及工程技术参数及图表案例已进行完全脱敏。地面塌陷属地质灾害，其注浆受力计算和钻孔布设必须取得地质灾害治理牌照单位的安全设计论证。*