小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式的改進(jìn)

柏 淼

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式的改進(jìn)

柏 淼

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

現(xiàn)行的小窯采空區(qū)頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式并沒(méi)有考慮巖層頂板上部第四系覆土對(duì)小窯采空區(qū)假定楔體土壓力的影響，因此計(jì)算與實(shí)際情況存在一定差別，以工程實(shí)例為背景，對(duì)公式進(jìn)行改進(jìn)探討。

采空區(qū)；小窯；公式改進(jìn)

0 引 言

我國(guó)地方小煤礦存在私挖亂采的現(xiàn)象，煤層埋藏較淺的礦區(qū)往往存在一部分小窯采空區(qū)，這些小窯多在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)，人們以往對(duì)此方面的潛在危害不夠重視，但隨著經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的逐層升級(jí)，小窯的上覆巖層的不穩(wěn)定會(huì)引發(fā)其他地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)地面建筑和煤礦的安全生產(chǎn)形成極大威脅。因此小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性成為人們關(guān)心的問(wèn)題。目前評(píng)價(jià)穩(wěn)定性的方法主要有力學(xué)簡(jiǎn)化驗(yàn)算法，變形監(jiān)測(cè)法、有限元及積分法。主要研究基于力學(xué)簡(jiǎn)化的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

1 現(xiàn)行的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式

小窯一般是手工作業(yè)，開(kāi)采范圍小，開(kāi)采深度多在50 m以內(nèi)，少數(shù)可達(dá)200～300 m，平面延伸100～200 m，以巷道采掘?yàn)橹鳎騼蛇呴_(kāi)挖支巷道。一般分布無(wú)規(guī)律，有單層或多層重疊交錯(cuò)。巷道的高寬一般為2～3 m，由于踩空范圍狹小，地表不產(chǎn)生移動(dòng)盆地，但因?yàn)殚_(kāi)采深度淺、頂板又任其垮落，故地表變形劇烈，大多呈現(xiàn)較大的裂縫、臺(tái)階和陷坑，地表裂縫帶有常與開(kāi)采工作面的前行方向平行，隨工作面的推薦，裂縫一般上寬下窄，兩邊無(wú)明顯高差。因此有必要對(duì)小窯采空區(qū)的場(chǎng)地穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前，國(guó)內(nèi)計(jì)算常采用工程地質(zhì)手冊(cè)中的平衡分析法計(jì)算極限頂板穩(wěn)定性。當(dāng)建（構(gòu)）筑物建在采空區(qū)上時(shí)，按下式計(jì)算頂板保持自然平衡狀態(tài)時(shí)采空區(qū)巷道頂板臨界深度HD：

式中：B為巷道寬度，m；r為小窯側(cè)壁巖土容重，kN/m3，r0為頂板以上巖層的重度，kN/m3；P0為建筑物基底單位壓力，kPa；φ為頂板以上巖層的內(nèi)摩擦角，（°），由巖樣剪切試驗(yàn)求得。

計(jì)算后通過(guò)比較巷道頂部埋深H與臨界深度，即可粗略地評(píng)價(jià)頂板的穩(wěn)定性。當(dāng)H1.5 HD時(shí)，地基穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定性計(jì)算公式的改進(jìn)

采空區(qū)巷道頂板臨界深度HD是小窯采空區(qū)頂板上覆層按礦層巖體的破裂角45°-擴(kuò)散后的楔體進(jìn)行靜力平衡分析得到的，其中P是巖石綜合內(nèi)摩擦角按朗肯土壓力理論公式推算的，r為小窯側(cè)壁巖土容重，kN/m3，其中沒(méi)有考慮非巖石類（第四系覆土）對(duì)側(cè)向土壓力的影響，使得計(jì)算偏于保守，實(shí)際工程中通過(guò)鉆探地質(zhì)資料分別可以得到覆土深度及頂板巖層厚度，假定上覆層第四系土體作為附加壓力作用在巖石楔體上，對(duì)公式進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)如下：

根據(jù)朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算公式

考慮覆土對(duì)巖石楔體側(cè)向土壓力將有所增加

根據(jù)Q總=G+BP-2f的計(jì)算原理得到 Q總

tanφ]（5） 將 以 上 式 帶 入 ， 令 Q=0， 解 HD=

式中：E為上覆土體自重，其他參數(shù)見(jiàn)上文。

3 工程實(shí)例計(jì)算

海北～牙克石500 kV輸變電線路工程屬于500 kV海北～牙克石～嶺東輸變電工程的一部分。本工程西起500 kV已建海北變電站，東至新建500 kV牙克石變電站，全線長(zhǎng)度約75 km。海北～牙克石500 kV輸變電線路工程自扎羅木得村跨過(guò)綏滿高速后，沿綏滿高速南側(cè)進(jìn)入大雁礦區(qū)，先后經(jīng)過(guò)大雁第二煤礦和位于第一煤礦井田內(nèi)的十余個(gè)小煤礦的井田，這些煤礦采空區(qū)對(duì)輸變電工程的電線路的存在安全，必須根據(jù)采空區(qū)的頂板距離地面的深度進(jìn)行場(chǎng)地穩(wěn)定性判別，以確定輸變電沿線的架設(shè)塔位位置。

途徑礦區(qū)位于大興安嶺山脈西北麓，屬于海拉爾盆地的一部分，煤田的南北兩側(cè)由火成巖組成，由于是后期剝蝕（侵蝕）構(gòu)造的影響構(gòu)成了現(xiàn)代低山--丘陵地形。地勢(shì)為四周高中部低，呈盆地狀，地表植被以草本植物為主，有部分森林，礦區(qū)北部及南部有水系和沼澤。井田內(nèi)地形比較簡(jiǎn)單，其地勢(shì)為東南高而西北低。區(qū)域構(gòu)造為大雁煤田位于新華夏系第三隆起帶（大興安嶺隆起帶）的西坡，第三沉降帶的東緣，在海拉爾盆地的五九-南屯凹陷中段，大雁煤田為一向斜構(gòu)造，即大雁-扎尼河向斜。區(qū)內(nèi)地層總體呈向NW方向傾斜的單斜構(gòu)造，淺部?jī)A角較大，深部?jī)A角較緩，一般在8°～25°，平均15°區(qū)域地表水系以河流為主，礦區(qū)北部有海拉爾河由東向西流過(guò)，礦區(qū)西南部有勝利溝小溪及布洛莫也溝小溪由東向西流過(guò)，大雁煤田內(nèi)地表沒(méi)有主要河流通過(guò)，本區(qū)第四系地層全區(qū)發(fā)育，以不整合接觸的方式直接覆蓋于煤系地層之上，井田內(nèi)大面積的沉積層是透水而非含水的沉積層，因其面積小、厚度薄，其含水量和供水意義不大，是含水中等偏小的含水層。地下水含水層以煤系風(fēng)化裂隙帶含水層為主，風(fēng)化帶以下煤系孔隙含水層為輔。第四系覆蓋下的煤系風(fēng)化帶內(nèi)，由于風(fēng)化作用導(dǎo)致煤層裂隙發(fā)育，砂巖疏松孔隙增大，煤層裂隙和砂巖孔隙成了地下水賦存空間和導(dǎo)通渠道，在此深度內(nèi)的泥巖，由于賦存淺、壓力小，受風(fēng)化作用影響，也失去了隔水作用。

為確定小窯采空區(qū)建筑場(chǎng)地的穩(wěn)定性，避免非連續(xù)變形對(duì)桿塔造成安全隱患，項(xiàng)目運(yùn)用高密度電法與瞬變電磁2種地球物理勘察方法對(duì)目的區(qū)進(jìn)行探測(cè)，以核實(shí)小窯資料的可靠性，確定小窯的采空區(qū)邊界及埋深并推斷小窯附近的塔位是否存在越界開(kāi)采現(xiàn)象，并通過(guò)工程地質(zhì)鉆探的方法驗(yàn)證，查明了礦區(qū)區(qū)域地層主要為黑色腐植土和黃色風(fēng)成砂，下部為黏土，亞粘和砂礫，其下為伊敏組泥巖和粉砂巖、煤層及碳質(zhì)泥巖，與下部地層整合接觸。場(chǎng)區(qū)巖層強(qiáng)度較低，強(qiáng)-中風(fēng)化，浸水后巖石的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，開(kāi)采煤層的采空區(qū)都分布在這個(gè)巖組，各煤層頂?shù)装寰赡鄮r、砂質(zhì)泥巖和砂巖組成。這幾種巖性均由泥質(zhì)或凝灰質(zhì)膠結(jié)、松軟易碎，抗壓強(qiáng)度低，極不利于巷道及采面的支護(hù)，容易使巷道變形，支護(hù)困難進(jìn)而易在巷道上方形成不穩(wěn)定區(qū)域，加之各煤礦在采煤的過(guò)程中修建了許多巷道，存在留下空巷的情況，更可能加劇不穩(wěn)定情況，因此需判定頂板穩(wěn)定性保障輸電線路的塔位場(chǎng)地安全性。

按大雁第一煤礦巖石的試驗(yàn)成果，巖石的容重17.01～19.29 kN/m3，可取18 kN/m3，內(nèi)摩擦角在27°～33°可取30°，各礦的斜井、石門等主要巷道的寬度為3.8 m，桿塔基底最大壓力為190 kPa，根據(jù)以上數(shù)據(jù)按現(xiàn)有計(jì)算公式（1）計(jì)算可得臨界深度為27.4 m。因此，要保證巷道上方地基穩(wěn)定，巷道頂部埋深要大于1.5倍的臨界深度即41.1 m才行。但是，因?yàn)楦鞯V第四系松散覆蓋層的平均厚度為25 m，所以巷道埋深大于66.1 m才能保證鐵塔地基的穩(wěn)定性。由于小窯的個(gè)別巷道埋深約為60 m，不滿足地基穩(wěn)定的要求，因此有必要采用改進(jìn)后的公式進(jìn)行驗(yàn)算，通過(guò)考慮上覆土對(duì)側(cè)向土壓力的有利影響，第四系的覆蓋層主要地層為黏性土，經(jīng)室內(nèi)土工試驗(yàn)，覆蓋層土平均容重可取為19 kN/m3，按覆蓋層厚度按25 m計(jì)算，有利摩擦阻力可達(dá)到1 645 kN/m，按改進(jìn)后的計(jì)算公式（5）計(jì)算，可得臨界深度為22.1 m，計(jì)算滿足地基穩(wěn)定性的頂板埋深為58.1 m，剛好能滿足個(gè)別巷道埋深為60 m的要求。改進(jìn)后的公式計(jì)算結(jié)果能滿足部分架設(shè)塔位基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求，可做為優(yōu)化方案實(shí)施。

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的進(jìn)一步工作

小窯采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素還取決于開(kāi)采區(qū)域的地質(zhì)、采礦諸多條件，如采煤方法及頂板管理方法、覆巖巖性、開(kāi)采深度、煤層傾角、采出煤層厚度、采動(dòng)性質(zhì)等。工作中還需在地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，綜合考慮采空區(qū)與桿塔的相互影響程度、擬采取的抗采動(dòng)影響技術(shù)措施的難易程度和工程造價(jià)對(duì)建設(shè)場(chǎng)地的適宜性進(jìn)行了分區(qū)，其標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）非適宜區(qū)：存在地面發(fā)生非連續(xù)變形的可能，不穩(wěn)定區(qū)；桿塔建設(shè)對(duì)采空區(qū)影響大或采空區(qū)殘余變形對(duì)桿塔工程的影響大；需規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)、采空區(qū)治理等的綜合設(shè)計(jì)，處理難度大且造價(jià)高。

2）基本適宜區(qū)：基本穩(wěn)定區(qū)；采空區(qū)對(duì)桿塔工程影響中等；桿塔建設(shè)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響較小。采取規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)、地基處理等措施可以控制殘余變形對(duì)桿塔的影響。

3）適宜區(qū)：穩(wěn)定區(qū)；采空區(qū)對(duì)桿塔影響??；桿塔建設(shè)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定影響??；采取規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)措施可以建設(shè)。

根據(jù)途徑采空區(qū)建設(shè)適宜性分區(qū)結(jié)論，優(yōu)化的塔位位置首先必須處于適宜性分區(qū)中基本適宜區(qū)或適宜區(qū)，然后同時(shí)滿足最小臨界穩(wěn)定深度的情況，綜合的判定采空區(qū)對(duì)擬建鐵塔的適宜性。

5 結(jié) 論

針對(duì)小窯采空區(qū)的頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式的改進(jìn)，可以更加精確的判別頂板的穩(wěn)定性，由于原公式忽略了上覆土對(duì)側(cè)向土壓力的有利影響，使得計(jì)算偏于保守。采用改進(jìn)后公式適用于絕大多數(shù)礦層上存在上覆土的情況，公式增加了有利側(cè)摩阻力，減小了小窯采空區(qū)頂板上所受的壓力，從而縮短了臨界穩(wěn)定評(píng)價(jià)深度，但小窯采空區(qū)地基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系及采空區(qū)上建筑物選址還受到很多因素的影響，因此有必要對(duì)類似的工程進(jìn)一步的研究。

［1］ 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ 張永波．老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論與方法［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］ 趙忠海．京西某村小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性分析［J］.資源調(diào)查與環(huán)境，2010，31（4）：298-301.

［4］ 吳夏生．煤礦采空區(qū)建筑場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的研究［J］.道路工程，2009，53（5）：110-115.

［5］ 張志沛，王江．某高速公路下伏煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（1）：46-48.

［6］ 陳福恩，陳慶豐．對(duì)鐵路客運(yùn)專線穿越采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性檢算分析［J］.化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2010，32（1）：61-65.

［7］ 朱帥虎，王文靜．上部小窯采礦區(qū)災(zāi)害對(duì)大型煤礦工作面安全生產(chǎn)的影響［J］.安全與環(huán)境工程，2011，18（6）：96-100.

［8］ 宋恩武，曾純品，韓建江．淺析小窯采礦區(qū)綜合勘察研究與應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境工程，2011，18（6）：96-100.

【責(zé)任編輯：解連江】

Improvement of evaluation formula of stability in small kiln goaf

BAI Miao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

The present evaluation formula for roof stability of mined-out area does not consider the effect of Quaternary overburden on the assumed wedge earth pressure in mined-out area.Therefore,there are some differences between the calculation and the actual situation.Taking the engineering examples as background,the article discusses the formula improvement.

goaf;small kiln;formula improvement

TD824

B

1671－9816（2017）07－0081－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.023

柏淼.小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式的改進(jìn)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：81-83

2017-04-04

柏 淼（1985—），男，遼寧阜新人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于東北大學(xué)資源與土木學(xué)院巖土工程專業(yè)，主要從事巖土勘察與設(shè)計(jì)工作。