小窯采空區(qū)變電站采動(dòng)變形特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
2019-03-22 08:06:04史衛(wèi)國(guó)崔鵬偉
山西建筑 2019年8期
史衛(wèi)國(guó) 崔鵬偉 薛 飛
(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)
老窯和小煤窯采空區(qū)，雖然在開采過程中，留下了許多殘留煤柱或臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)支撐覆巖，但殘留煤柱尺寸小、強(qiáng)度差，難以保持長(zhǎng)久的穩(wěn)定。導(dǎo)致上覆巖層破壞不規(guī)律，通常會(huì)造成地表的突然塌陷，而且塌陷的發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間難以估計(jì)和預(yù)測(cè)，因此對(duì)地面建筑物的危害極大[1]。因此研究小窯采空區(qū)勘察及評(píng)價(jià)具有重要意義。本文以某新建變電站采空區(qū)勘察成果為基礎(chǔ),探討小煤窯采空區(qū)的特點(diǎn)及評(píng)價(jià)。
1 站址區(qū)采動(dòng)變形特征
1.1 站址區(qū)煤層及上覆巖土體特征及覆巖破壞類型
站址區(qū)位于晉煤集團(tuán)古書院礦區(qū)范圍內(nèi)，可采煤層為3號(hào)煤、9號(hào)煤、15號(hào)煤，從晉城國(guó)土資源局、晉煤集團(tuán)古書院區(qū)礦收資得知，站址范圍內(nèi)的埋深較深的9號(hào)煤層、15號(hào)煤層未經(jīng)開采，埋深較淺的3號(hào)煤曾由張嶺煤礦進(jìn)行過開采。張嶺煤礦建于1949年，討論區(qū)內(nèi)3號(hào)煤采煤時(shí)間為1971年—1980年間，開采厚度為4.0 m～6.0 m，開采方式為不規(guī)則房柱式開采，開采寬度為4 m。鑒于討論區(qū)內(nèi)9號(hào)煤、15號(hào)煤均未經(jīng)開采，且無(wú)進(jìn)一步開采規(guī)劃，對(duì)場(chǎng)地變形無(wú)影響。已開采煤層主要是3號(hào)煤層，故該處僅對(duì)3號(hào)煤進(jìn)行分析討論。
討論范圍區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層埋深31.1 m～40.5 m之間，平均厚度5 m。煤層(采空區(qū))上部上覆巖土體厚27.6 m～36.7 m。其中第四系覆蓋層厚8.6 m～11.5 m，以素填土、黃土(粉土)及卵石層為主。具體如下：?層：素填土，粉土為主，黃褐色，中密，稍濕，含植物根莖及少量建筑垃圾，含大孔隙，具濕陷性。回填年限大于5年，分布于整個(gè)站址，層底埋深0.5 m～4.5 m，厚0.5 m～4.5 m，平均厚度為2.0 m，層底標(biāo)高735.68 m～738.1 m。①層：黃土(粉土)，黃褐色，中密，稍濕，含大孔隙，具濕陷性。分布于大部分站址，層底埋深3.2 m～6.5 m，厚度0.6 m～3.3 m，平均厚度1.8 m。②-1層：黃土(粉土)，紅褐色，密實(shí)，稍濕，不具濕陷性。分布于整個(gè)站址，層底埋深4.1 m～10.7 m，厚0.9 m～5.0 m，平均厚2.9 m。②-2層：卵石，灰褐色，磨圓度中等，混大量粉質(zhì)粘土及粗砂。層底埋深5.7 m～11.8 m，厚1.6 m～5.4 m，平均厚3.6 m(見圖1)。
上覆巖土體含四層基巖，具體如下：③-1層：泥巖，青灰～灰褐色，強(qiáng)風(fēng)化，破碎，巖芯呈塊狀，為軟巖。層底埋深11.6 m～5.8 m，厚0.8 m～5.9 m，平均厚3.4 m。③-2層：砂巖，灰褐色，中風(fēng)化，較完整，巖芯呈長(zhǎng)柱狀，為軟質(zhì)巖，層底埋深12.4 m～19.3 m，厚1.5 m～4.2 m，平均厚2.8 m。③-3層：泥巖，灰褐色，中風(fēng)化，采空區(qū)及其影響區(qū)較破碎，其他區(qū)段較完整，巖芯呈柱狀，為軟質(zhì)巖。層底埋深23.2 m～34.4 m，厚度10.2 m～19.0 m，平均厚15.5 m。③-4層：泥巖，灰褐色，中風(fēng)化，軟巖。該層受采空區(qū)影響較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀及碎塊狀，鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)速度時(shí)快時(shí)慢，局部存在突然掉鉆的情況。層底埋深30.5 m～36.7 m，厚1.6 m～8.4 m，平均厚4.0 m。
覆巖破壞類型為三帶型，覆巖全部為可垮落巖層，以軟巖～較硬巖為主，覆巖破壞分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。煤層頂板垮落帶主要為③-4層泥巖，該層受采空區(qū)影響較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部存在因垮落而形成的空洞。斷裂帶主要為垮落帶上部的③-3泥巖層，巖層產(chǎn)生斷裂和裂縫，但仍保持其原有層狀。彎曲帶主要為③-2層砂巖、③-1層泥巖及其上部的覆蓋層，為彎曲帶上部直至地表的巖土層，該部分巖層巖性較完整(見圖2)。
1.2 站址區(qū)采空區(qū)空間分布及特征
采空區(qū)的深度及平面分布范圍根據(jù)物探及鉆探的方式確定。在地質(zhì)雷達(dá)初步探定的疑似采空區(qū)內(nèi)及周邊采用鉆探驗(yàn)證。站址區(qū)內(nèi)針對(duì)3號(hào)煤共布設(shè)20個(gè)鉆孔(初設(shè)布孔7個(gè)，施工圖13個(gè))，16個(gè)孔存在采空區(qū)(C2，C5，C15，C17，C20，S01，S02，S03，S05，S06，S07，S09，S10，S11，S12，S13鉆進(jìn)過程中均存在掉鉆、鉆機(jī)速度不穩(wěn)定等現(xiàn)象，且鉆進(jìn)過程中均存在漏漿失漿情況)，見圖3。
2 采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
2.1 開采條件判別
GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范規(guī)定[2]，對(duì)不規(guī)則、非充分采動(dòng)等頂板垮落不充分、難以進(jìn)行定量計(jì)算的采空區(qū)場(chǎng)地，可采用開采條件判別法進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。
上覆基巖以泥巖為主，夾有薄層砂巖。砂巖厚度1.5 m～4.2 m，小于5 m，屬GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范表12.1.3-3中“無(wú)堅(jiān)硬巖層分布或?yàn)楸踊蜍浻矌r層互層狀分布”，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定等級(jí)為“不穩(wěn)定”。
采空區(qū)上部第四系覆蓋層厚度8.6 m～11.5 m，5≤松散層厚度≤30 m，按GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范表12.1.3-3中松散層厚度判別，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定等級(jí)為“基本穩(wěn)定”。
綜合判斷，場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定。
2.2 力平衡分析法
GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范條文說(shuō)明12.3.10：當(dāng)建筑物位于采空區(qū)影響范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行頂板穩(wěn)定性分析，因其計(jì)算方法尚不成熟，故規(guī)范中未推薦計(jì)算公式。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中亦有采用力平衡分析法計(jì)算吉縣頂板穩(wěn)定性的成功案例。
1)頂板穩(wěn)定性計(jì)算:
(1)
其中，H為礦石頂板埋深，m；H01為臨界深度，m；φ為上覆地層平均內(nèi)摩擦角，取φ=23.5°；a為巷道寬度的1/2，取2 m；當(dāng)H
2)地基穩(wěn)定性計(jì)算：
(2)
其中，H02為臨界深度，m；B為巷道寬度,m；φ為上覆地層平均內(nèi)摩擦角，取φ=23.5°；γ為上覆地層平均容重，取γ=20.5 kN/m3；P0為建筑物基底單位壓力，取P0=200 kPa。
當(dāng)H
表1 頂板及地基穩(wěn)定情況評(píng)價(jià)表
2.3 工程建設(shè)適宜性
GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范中12.3.1規(guī)定，采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性、采空區(qū)與擬建工程的相互影響、擬采取的抗采動(dòng)影響技術(shù)措施的難易程度、工程造價(jià)等進(jìn)行劃分。
站址區(qū)采空區(qū)垮落不充分，存在地面發(fā)生非連續(xù)變形的可能，采空區(qū)剩余變形對(duì)擬建工程的影響大，處理難度大且造價(jià)高。依據(jù)GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范中表12.3.1判斷，采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性差。
3 結(jié)語(yǔ)
1)該變電站站址范圍下部3號(hào)煤層開采方式為不規(guī)則房柱式開采，采空區(qū)覆巖全部為可垮落巖層，覆巖破壞類型為三帶型，依次可分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。
2)站址范圍采空區(qū)垮落不充分，地表存在非連續(xù)變形的可能性。按力平衡分析法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，判別結(jié)果為“頂板穩(wěn)定性差，地基穩(wěn)定性差”；按開采條件判別法進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定等級(jí)為“不穩(wěn)定”；按松散層厚度判別，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定等級(jí)為“基本穩(wěn)定”。綜合判斷，場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定。采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性差。
