徐沛快速通道下伏煤層采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

仝剛太,徐程,齊從軍

(1.徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221006;2.連徐高速公路有限公司,江蘇 徐州 221008)

徐沛快速通道下伏煤層采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

仝剛太1,徐程1,齊從軍2

(1.徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,江蘇 徐州 221006;2.連徐高速公路有限公司,江蘇 徐州 221008)

徐沛快速通道路線先后穿越王莊、垞城、馬坡等煤礦采煤塌陷區(qū).為了保證道路和橋梁的運(yùn)營(yíng)安全,項(xiàng)目組對(duì)沿線煤層采空區(qū)展開(kāi)了詳細(xì)的勘測(cè)調(diào)查.以垞城煤礦采空區(qū)為例,對(duì)采空區(qū)的空間特性,巖層的移動(dòng)、變形與破壞規(guī)律,進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià).研究結(jié)果表明：垞城煤礦采空區(qū)是穩(wěn)定區(qū),即采空區(qū)殘余變形量小于公路規(guī)范的規(guī)定,其變形量不會(huì)導(dǎo)致公路損壞.

公路;下伏采空區(qū);殘余變形量;穩(wěn)定性;分析與評(píng)價(jià)

我國(guó)是人口大國(guó),對(duì)礦產(chǎn)資源的消耗巨大.在礦產(chǎn)被開(kāi)采后,留下大量的采空塌陷區(qū),給工程建設(shè)帶來(lái)隱患.如徐州、淮南、淮北、太原、焦作、平頂山、撫順、鞍山等地都為能源供應(yīng)老工業(yè)基地,由于地下采空區(qū)塌陷引起一系列環(huán)境巖土工程問(wèn)題,造成道路開(kāi)裂、橋梁變形的案例時(shí)有發(fā)生.

近年來(lái),我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)發(fā)展迅速,不可避免地要遇到穿越采空區(qū)的技術(shù)難題.工程實(shí)踐表明,只要掌握了采空區(qū)的空間特性,巖層的移動(dòng)、變形與破壞規(guī)律,按照嚴(yán)格的采空區(qū)勘察程序,在正確勘察和危害性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,對(duì)不同類型的采空區(qū)地基進(jìn)行有針對(duì)性地處理,或采取適當(dāng)?shù)拇胧?在采空區(qū)上方修建高等級(jí)公路、大跨度隧道和橋涵是完全有可能的.

1 工程概況

徐沛快速通道經(jīng)過(guò)位于王莊、垞城、馬坡等煤礦采煤塌陷區(qū)上方,線路長(zhǎng)度約55 km,王樓和馬坡煤礦目前正處于普查階段,本文重點(diǎn)分析垞城煤礦采空區(qū)[1].

垞城煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是獨(dú)立的,與鄰近礦無(wú)井下通道.自1976年12月投產(chǎn)以來(lái),先后采動(dòng)過(guò)1、2、7、9、20、21煤.采煤方法為單一走向長(zhǎng)壁式(7煤局部分層開(kāi)采),頂板管理方法采用自然冒落法.在徐沛快速通道附近主要開(kāi)采有1、2、9、20、21煤.在其正下方主要有3101、3103、3105、1342、1344等5個(gè)1煤工作面,2208、2210、2212等3個(gè)2煤工作面,9305、3907、3909、9312、3914、9342等6個(gè)9煤工作面,21116的1個(gè)21煤工作面,共計(jì)15個(gè)工作面.除正下方工作面之外,還涉及到鄰近的工作面.對(duì)徐沛快速通道有影響的共計(jì)約50個(gè)工作面.采煤方法為走向長(zhǎng)壁式,頂板管理方法采用自然冒落法[2].

2 采空區(qū)“活化”機(jī)理

2.1 采空區(qū)三帶劃分

地下煤層開(kāi)采后,覆巖產(chǎn)生移動(dòng)破壞.根據(jù)覆巖破壞特征,可將其分為3帶：垮落帶,斷裂帶,彎曲帶,如圖1所示.

圖1 采動(dòng)巖體破裂示意Fig.1 Rupture diagram of mining rock mass

各帶移動(dòng)破壞特征如下：

1)垮落帶.采出空間頂板巖層在自重力作用下斷裂和破碎成塊垮落,垮落巖塊大小不一,無(wú)規(guī)則地堆積在采空區(qū).垮落巖塊具有顯著碎脹性,其總體積大于原巖體積,巖塊間空隙較大,連通性好.由于大量空隙的存在,垮落巖石具有可壓縮性.根據(jù)垮落巖塊的破壞和堆積情況,垮落帶分為不規(guī)則垮落帶和規(guī)則垮落帶.不規(guī)則垮落帶巖塊破碎、扭轉(zhuǎn)、堆積紊亂.規(guī)則垮落帶內(nèi)巖塊扭轉(zhuǎn)后仍基本保持原有層位.垮落帶的高度通常為采出厚度的3～5倍.其中,不規(guī)則垮落帶高度約為采出厚度的0.915～0.975倍.

2)斷裂帶.斷裂帶位于垮落帶之上,其巖層產(chǎn)生較大的彎曲、變形和斷裂破壞,但仍保持層狀結(jié)構(gòu).該區(qū)域巖層不僅產(chǎn)生垂直于層理面的裂縫或斷裂,而且產(chǎn)生大量順層理面的離層裂縫,巖層斷裂的程度自下而上逐漸減輕.斷裂巖塊垮落帶和斷裂帶合稱為垮落斷裂帶,是采動(dòng)覆巖裂縫發(fā)育區(qū),也是覆巖二次移動(dòng)的主要發(fā)源區(qū).

3)彎曲帶.彎曲帶位于斷裂帶之上直至地表.彎曲帶各巖層在下沉過(guò)程中由于其剛度和強(qiáng)度的差異,在一些上硬下軟的巖層界面處會(huì)產(chǎn)生離層裂縫.在采區(qū)邊緣上方或其外側(cè)地表可能產(chǎn)生一些裂縫,這些裂縫表現(xiàn)為上寬下窄,到一定深度自行閉合而消失,但在采深較淺和表土層不厚時(shí),這些裂縫可能和斷裂帶溝通[3].

2.2 采空區(qū)“活化”原因分析

采空區(qū)“活化”主要體現(xiàn)在垮落帶巖層空隙的壓密和彎曲帶離層裂縫的閉合.采空區(qū)破裂巖體“活化”的主要原因如下：

1)在上覆巖體荷載作用下,采動(dòng)破碎巖體存在長(zhǎng)期的緩慢蠕變變形.這一變形過(guò)程一般在開(kāi)采結(jié)束后五到十年內(nèi)完成,后期產(chǎn)生的移動(dòng)變形很小;

2)采空區(qū)破碎巖體在地下水和空氣作用下發(fā)生風(fēng)化和強(qiáng)度衰減,在上覆巖體荷載作用下產(chǎn)生再壓實(shí).在柱式開(kāi)采條件下,這種弱化作用使煤柱和頂板強(qiáng)度降低而損害,引起較大的移動(dòng)變形.對(duì)于長(zhǎng)壁開(kāi)采主要是垮落帶破碎巖體接觸點(diǎn)的弱化,其產(chǎn)生的變形較柱式開(kāi)采小.當(dāng)達(dá)到一定采深后,對(duì)地表的影響主要是產(chǎn)生緩慢的殘余沉降;

3)由于外力作用,造成采場(chǎng)上覆巖體結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)變形.外力主要包括：地震力、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力、附近采動(dòng)或爆炸造成的擾動(dòng)作用力、地面附加荷載作用等[4].

3 地面荷載對(duì)采空區(qū)“活化”影響分析

3.1 道路荷載影響

根據(jù)徐沛快速通道下方采空區(qū)情況,垞城煤礦最小采深為93 m,開(kāi)采了9煤下分層,采厚1.8 m,上覆巖層為中硬巖.9煤開(kāi)采后,導(dǎo)水裂隙帶高度Hli采用公式(1)計(jì)算,結(jié)果為36.8 m,裂隙帶頂距地表的深度是最小采深減去導(dǎo)水裂隙帶高度即56.2 m.

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度,m;M為煤層采厚,m.

路基荷載使采空區(qū)“活化”的原因是路基荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力使裂隙帶內(nèi)巖體應(yīng)力增加,產(chǎn)生附加壓縮沉降.為此,必須計(jì)算路基荷載對(duì)裂隙帶的影響.

對(duì)于軟土地基和采動(dòng)破碎軟弱地基,一般當(dāng)?shù)鼗械母郊討?yīng)力小于地基土自重應(yīng)力的10%時(shí),可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基壓縮影響甚微.考慮到采動(dòng)破損巖土地基“活化”沉降問(wèn)題的復(fù)雜性,為安全起見(jiàn),采用地基中附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的5%作為附加應(yīng)力,對(duì)采動(dòng)破裂巖體“活化”變形影響可忽略不計(jì).

本區(qū)公路路基底面寬度為46.5 m.土體容重按19.5 k N/m3,按條形均布荷載,采用公式(2)、(3)計(jì)算[5],路基中心下方不同深度條件下的應(yīng)力見(jiàn)表1.

式中：σcz為土體在不同深度下產(chǎn)生的自重應(yīng)力,k Pa;γ為土體容重,k N/m3;z為地表以下深度,m;σz為路基荷載在一定深度下產(chǎn)生的附加應(yīng)力,k Pa;p0為路基附加荷載,k N;m=z/b(b為路基條形荷載寬度,m).

表1 不同深度條件下附加應(yīng)力與5%自重應(yīng)力的關(guān)系Tab.1 Relationship between additional stress and 5%geostatic stress in different depth condition

由表1可以看出：當(dāng)5 m路基高度時(shí),附加應(yīng)力與5%自重應(yīng)力相等,地基擾動(dòng)深度達(dá)不到裂隙帶位置,不會(huì)直接引起徐沛快速通道采空區(qū)的“活化”,但當(dāng)路基高度為10 m時(shí),淺部地帶會(huì)引起采空區(qū)的“活化”.因此,建議路基高度不要超過(guò)5 m.

3.2 地震荷載影響

地震產(chǎn)生的震動(dòng)波對(duì)煤礦采空區(qū)“活化”的影響取決于地震震源的空間位置、烈度、傳播方式.一般來(lái)說(shuō),地震對(duì)采空區(qū)的“活化”會(huì)產(chǎn)生一定的影響.在地震力作用下,采空區(qū)垮落裂隙帶內(nèi)破裂巖體的空隙壓密過(guò)程加劇或造成破裂巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn),引起地表產(chǎn)生殘余沉降.在本項(xiàng)目進(jìn)行的殘余沉降預(yù)計(jì)中已考慮了破裂巖體孔隙被全部壓密(即充分“活化”),即包括了地震力對(duì)采空區(qū)“活化”影響.

3.3 機(jī)械振動(dòng)荷載影響

地面機(jī)械在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生振動(dòng)波,振動(dòng)波在無(wú)限均質(zhì)各向同性的彈性介質(zhì)中傳播.振動(dòng)波有兩種：縱波(也稱P波)和橫波(也稱S波),合稱體波.縱波又名壓縮波,介質(zhì)產(chǎn)生收縮和膨脹.橫波又名剪切波,介質(zhì)產(chǎn)生剪切變形.機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí),與上述無(wú)限彈性介質(zhì)不同之處在于具有邊界面.由于邊界面效應(yīng),除產(chǎn)生體波外,還在半空間介質(zhì)表面附近產(chǎn)生兩種表面波,即瑞利波(也稱R波)和樂(lè)夫波.本區(qū)不存在大的機(jī)械振動(dòng),加之采空區(qū)深度大,機(jī)械振動(dòng)對(duì)采空區(qū)的影響可以忽略.

4 采空區(qū)殘余變形量

根據(jù)計(jì)算分析與預(yù)測(cè),徐沛快速通道下伏煤層采空區(qū)沉陷現(xiàn)狀和殘余沉降分別如下：

1)徐沛快速通道已完成的地表最大移動(dòng)量.最大下沉量為2 290 mm,最大水平移動(dòng)量為690 mm,最大傾斜為22.1 mm/m,最大拉伸變形為11.0 mm/m,最大壓縮變形為8.0 mm/m,最大曲率為0.48 mm/m2;

2)徐沛快速通道地表殘余移動(dòng)變形最大值.最大殘余沉降量為95 mm,最大殘余水平移動(dòng)為35 mm,最大殘余傾斜為0.5 mm/m,最大殘余拉伸變形為0.31 mm/m,最大殘余壓縮變形為0.20 mm/m,最大曲率為0.006 mm/m2.

3)徐沛快速通道跨疏港公路大橋殘余移動(dòng)變形最大值.最大殘余沉降量為20 mm,最大殘余水平移動(dòng)為15 mm,最大殘余傾斜為0.1 mm/m,最大殘余拉伸變形為0.05 mm/m,最大殘余壓縮變形為0.03 mm/m,最大曲率為0.000 3mm/m2.

5 殘余變形對(duì)公路的影響及穩(wěn)定性分析

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31—03—2011)中規(guī)定的長(zhǎng)壁式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2),將徐沛快速通道垞城礦區(qū)劃分為4個(gè)區(qū),即穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)[6].

根據(jù)徐沛快速通道殘余變形,判定垞城煤礦采空區(qū)是穩(wěn)定區(qū),即采空區(qū)殘余變形量小于公路規(guī)范規(guī)定的變形值,對(duì)公路無(wú)大的影響,即變形量不會(huì)導(dǎo)致公路損壞,不必采取工程措施,可以直接興建.需要說(shuō)明的是上述分析僅僅考慮采空區(qū)上方地表殘余移動(dòng)變形的影響,沒(méi)有考慮淺層地基土變形因素.

以上分析表明,垞城煤礦從整體上來(lái)說(shuō)處于穩(wěn)定階段,地表移動(dòng)變形值較小,在允許變形范圍內(nèi).計(jì)算的是最大殘余沉降量,這一沉降量將是今后幾十年內(nèi)甚至更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的逐漸發(fā)生,不會(huì)突然出現(xiàn)。因此,在本區(qū)進(jìn)行公路建設(shè)是安全和可行的.

表2 按地表移動(dòng)變形值確定長(zhǎng)壁式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Grade evaluation standard of site stability of long wall goaf on the basis of deformation value of surface displacement

6 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)資料的分析、地表移動(dòng)計(jì)算和采空區(qū)地基穩(wěn)定性分析等工作,基本弄清楚徐沛快速通道地層組成、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存條件和水文地質(zhì)資料,查明了垞城煤礦下方的煤炭開(kāi)采歷史和各煤層開(kāi)采的工作面分布、開(kāi)采方法和深度、煤層傾角、開(kāi)采厚度、頂板管理方法和開(kāi)采時(shí)間,并得到如下結(jié)論：

1)根據(jù)長(zhǎng)壁采空區(qū)破裂覆巖“活化”機(jī)理和各種因素對(duì)采空區(qū)“活化”影響論證分析,在本區(qū)地質(zhì)采礦條件下,在地面建設(shè)徐沛快速通道是可行和安全的.

2)本區(qū)域煤系地層地質(zhì)情況清楚,地下采空區(qū)均為解放后開(kāi)采的正規(guī)工作面;開(kāi)采后絕大部分的巖層移動(dòng)和變形已經(jīng)在開(kāi)采結(jié)束后一定時(shí)間內(nèi)完成,徐沛快速通道殘余沉降與變形相對(duì)較小.

3)只要今后不再在徐沛快速通道下方及其影響區(qū)內(nèi)進(jìn)行采礦活動(dòng),殘余地表移動(dòng)不會(huì)對(duì)徐沛快速通道造成損害.

4)地震力會(huì)加劇采空區(qū)的“活化”過(guò)程,引起的地表移動(dòng)量已包括在預(yù)計(jì)的地表殘余沉降中.

5)在本區(qū)地質(zhì)采礦條件下,路面荷載、機(jī)械振動(dòng)對(duì)采空區(qū)“活化”影響較小,不會(huì)直接導(dǎo)致采空區(qū)的“活化”.

6)根據(jù)本區(qū)地質(zhì)采礦條件和對(duì)采空區(qū)“活化”機(jī)理分析,除非地下仍存在較大的非充填、欠壓密殘留空洞,一般不必對(duì)老采空區(qū)進(jìn)行加固處理.

7)建議路基設(shè)計(jì)高度不超過(guò)5.0 m.

[1] 徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.272省道徐州至沛縣公路建設(shè)工程初步設(shè)計(jì)[R].徐州：2013.

[2] 徐州市公路管理處.徐州至沛縣公路(規(guī)劃272省道)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)[EB/OL].(2012-12-17)[2013-9-5].http：//www.docin.com/p-689119963.html.

[3] 童立元,劉松玉,邱鈺.高速公路下伏采空區(qū)危害性評(píng)價(jià)與處治技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社,2006.

[4] 郝剛,吳侃,李亮,等.老采空區(qū)“活化”的相似材料模型系統(tǒng)[J].煤炭工程,2011(6)：74-76.

[5] 趙明華,俞曉,王貽蓀.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2003.

[6] 山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院.JTG/T D31—03—2011采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社,2011.

Stability analysis and evaluation of underlie goaf in Xupei fast track

TONG Gang-tai1,XU Cheng1,QI Cong-jun2
(1.Xuzhou Traffic Programming and Design Institute,Xuzhou,Jiangsu 221006,China;2.Jiangsu Lianxu Highway Co.,Ltd,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Xupei fast track successively cosses subsidence areas of Wangzhuang,Chacheng and Mapo coal mine.In order to ensure the operation safety of roads and bridges,project team carries out detailed survey on goafs along the line.Taking the goaf in Chacheng coal mine as an example,this paper carries out analysis and evaluation on spatial characteristic,stratum movement,and regularity of transformation and destruction.Results show that goaf in Chacheng mine coal is a stable region,which means the residual deflection is less than the regulation of road specification,and will not bring about road damage.

road;underlie goaf;residual deflection;stability;analysis and evaluation

U 416.1+6

A

2095-3550(2014)01-0033-04

2013-09-10

仝剛太,男,江蘇徐州人,高級(jí)工程師,道橋設(shè)計(jì)二部副主任,主要從事公路設(shè)計(jì)及科研工作.

E-mail：397666774@qq.com

(責(zé)任編輯：陶紅林)