傾斜/急傾斜煤層采空區(qū)輸氣管道工程場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

鐘儲(chǔ)漢

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營 257026

某輸氣管道工程穿越煤礦采空區(qū)，該區(qū)域場地位于廣東省，地形地貌主要為丘陵，標(biāo)高約為120～350 m，場地下覆采空區(qū)對擬建管道的建設(shè)和運(yùn)營構(gòu)成了較大的危險(xiǎn)，因此必須對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 自然條件和地質(zhì)概況

擬建管道水平長度約為7.1 km，采空區(qū)場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)范圍為擬建管道兩側(cè)各200 m，采空區(qū)場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)位置見圖1，管道中線兩側(cè)場地植被較發(fā)育，低洼地段種植水稻及經(jīng)濟(jì)作物，并分布少量魚塘。

圖1 某煤礦采空區(qū)輸氣管道工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)位置

采空區(qū)場地地層由老到新出露有二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系地層，第四系厚度約0～10 m，表層為雜填土，下部為粉質(zhì)黏土、黏土，與下伏基巖地層呈不整合接觸。區(qū)內(nèi)地層走向呈北西南東方向，自茶山南區(qū)延展至鉤嘴嶺急速呈90° 折向東。向北復(fù)又呈北西南東向延出本區(qū)，與花坪、云頂區(qū)相聯(lián)。地層呈急傾斜并進(jìn)而在深部出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，同時(shí)又在鉤嘴嶺一帶因地層走向的變化產(chǎn)生了明顯的褶曲。場地所在區(qū)含煤地層主要為二疊系龍?zhí)督M地層，自下而上可分為：無煤段（P2L1）、云煤段（P2L2）、余煤段（P2L3）、海相層（P2L4）、東煤段（P2L5）五個(gè)巖性段。采空區(qū)場地的基巖地質(zhì)見圖2。

圖2 采空區(qū)場地基巖地質(zhì)

2 采空區(qū)情況

采空區(qū)場地下方共分布有21#、16#、15#、12#、11#、10#、7#、6#、4#、A#共 10 層煤采空區(qū)，見表 1。

表1 10層煤采空區(qū)情況一覽

3 采空區(qū)場地變形規(guī)律

3.1 采空區(qū)場地覆巖變形破壞規(guī)律

煤層采出后，在采空區(qū)周圍的巖層中發(fā)生了較為復(fù)雜的移動(dòng)和變形，按其破壞程度，可將移動(dòng)穩(wěn)定后的巖層大致分為3個(gè)不同的開采影響帶，即垮落帶Ⅰ、斷裂帶Ⅱ、彎曲帶Ⅲ[1]，如圖3所示?？迓鋷Б?、斷裂帶Ⅱ和彎曲帶Ⅲ的空間輪廓主要受煤層傾角α大小的影響，見圖4。

圖3 采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動(dòng)分帶示意

圖4 垮落帶、斷裂帶和彎曲帶的空間輪廓

采空區(qū)場地位于山區(qū)，地表起伏較大，松散層厚約0～10 m。采空區(qū)場地下方各煤層傾角較大，屬傾斜/急傾斜煤層采空區(qū)，各煤層采空區(qū)在煤層露頭位置，尤其是煤層傾角大于55°的急傾斜采空區(qū)分布區(qū)發(fā)生不連續(xù)變形的可能性大，其他區(qū)段地表移動(dòng)變形為連續(xù)變形。

3.2 采空區(qū)地表剩余變形預(yù)測

根據(jù)規(guī)范[2]及類似采空區(qū)場地經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮采空區(qū)回采情況，考慮覆巖巖性，選取的現(xiàn)狀地面變形計(jì)算參數(shù)為：下沉系數(shù)0.85，影響角正切值2.2，水平移動(dòng)系數(shù)0.25。采空區(qū)場地已發(fā)生的最大地表變形估算值見表2。

表2 截至2018年7月采空區(qū)場地已發(fā)生的最大地表變形值

采空區(qū)場地已發(fā)生的地表下沉值為0～4 800mm，場地剩余下沉值為0～90 mm，剩余傾斜為0.1～2.5 mm/m，剩余水平變形為0～1.8 mm/m，剩余曲率為0～0.18×10-3/m，采空區(qū)場地剩余最大地表變形值見表3。

表3 采空區(qū)場地剩余最大地表變形值

3.3 地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間

地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間T可按以下方法確定[2]：即一般可根據(jù)最大下沉點(diǎn)的下沉曲線和下沉速度曲線求得。其發(fā)生和發(fā)展規(guī)律一般可劃分為四個(gè)階段：初始期、活躍期、衰退期、殘余變形期，見圖5。

圖5 地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間的確定方法

（1）當(dāng)根據(jù)最大下沉點(diǎn)的下沉量、下沉速度與時(shí)間關(guān)系曲線確定地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間T時(shí)，可按下列方法確定：第一，下沉10 mm時(shí)為移動(dòng)期開始的時(shí)間。第二，連續(xù)6個(gè)月累計(jì)下沉值不超過30 mm時(shí)，可認(rèn)為地表移動(dòng)期結(jié)束。第三，從地表移動(dòng)期開始到結(jié)束的整個(gè)時(shí)間為地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間。第四，在地表移動(dòng)過程的延續(xù)時(shí)間內(nèi)，當(dāng)煤層傾角＜55°時(shí)，地表下沉速度＞50 mm/月（1.7 mm/d），或當(dāng)煤層傾角≥55°時(shí)，地表下沉速度＞30 mm/月（1.0 mm/d） 的時(shí)間可劃為活躍期，從地表移動(dòng)期開始到活躍期開始的階段可劃為初始期，從活躍期結(jié)束到移動(dòng)期結(jié)束的階段可劃為衰退期。

（2）無實(shí)測資料時(shí)，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間T（計(jì)量單位為d）可根據(jù)下式計(jì)算：

當(dāng)H≤400 m時(shí)：T=2.5H

當(dāng)H＞400 m時(shí)：T=1 000 exp（1-400/H）式中：H為工作面平均采深，m。

采空區(qū)場地附近采空區(qū)的最大采深為510 m，最晚開采時(shí)間為2005年。因此：T=1 000 exp（1-400/H） =1 000 exp（1-400/510） =1 244 （d）（約3年零5個(gè)月）。地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間約為3年零5個(gè)月，而采空區(qū)場地的最遲開采時(shí)間為2005年，距今已超過13年，因此從時(shí)間上評(píng)價(jià)，采空區(qū)場地的穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

3.4 采空區(qū)影響范圍

地表移動(dòng)盆地一般有三個(gè)邊界，即移動(dòng)盆地的最外邊界、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界及裂縫邊界，相對應(yīng)的角值參數(shù)為邊界角、移動(dòng)角及裂縫角。移動(dòng)盆地最外邊界是以地表移動(dòng)和變形都為零的盆地邊界點(diǎn)所圈定的邊界，由儀器觀測確定，考慮到觀測誤差，一般以10 mm的下沉等高線為移動(dòng)盆地的邊界線[1]。危險(xiǎn)移動(dòng)邊界是以盆地內(nèi)的地表移動(dòng)與變形對建筑物有無危害而劃分的邊界[3]，一般取一組臨界變形值來確定，如傾斜變形i=3 mm/m，曲率變形K=0.2×10-3/m，水平變形ε=2 mm/m。裂縫邊界是根據(jù)移動(dòng)盆地內(nèi)最外側(cè)的裂縫圈定的邊界來確定。

采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要考慮采空區(qū)對建筑物的危害，因此對老采空區(qū)一般采用移動(dòng)角圈定采空區(qū)影響范圍，對新采空區(qū)以邊界角圈定采空區(qū)影響范圍。本次評(píng)價(jià)采用的移動(dòng)角和邊界角參數(shù)的選取主要參考規(guī)范[4]及類似采空區(qū)場地的經(jīng)驗(yàn)。移動(dòng)角：走向移動(dòng)角δ=65°，上山移動(dòng)角γ=75°，下山移動(dòng)角β=70°，松散層移動(dòng)角ψ=45°；邊界角：走向邊界角δ0=60°，上山邊界角γ0=65°，下山邊界角β0=60°。按照上述確定的角量參數(shù)，利用地質(zhì)剖面圖作圖的方法，繪制出煤礦開采對采空區(qū)場地的影響界線（見圖6）。

4 采空區(qū)場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)采用開采條件判別法和地表剩余移動(dòng)判別法評(píng)價(jià)采空區(qū)場地的穩(wěn)定性。

4.1 開采條件判別法

本次評(píng)價(jià)以采空區(qū)終采時(shí)間和采空區(qū)埋深與垮落斷裂帶的對應(yīng)關(guān)系作為主要因素，結(jié)合地表變形移動(dòng)特征，評(píng)價(jià)采空區(qū)場地的穩(wěn)定性。

（1）按終采時(shí)間評(píng)價(jià)。根據(jù)規(guī)范[2]，按終采時(shí)間評(píng)價(jià)的采空區(qū)穩(wěn)定性見表4。采空區(qū)場地下方21#、11#、7#煤層頂板為泥巖，屬于軟弱覆巖；16#、15#、12#、10#、6#、4#煤層頂板為砂巖或粉砂巖，屬于較硬覆巖。采空區(qū)場地下煤礦開采活動(dòng)于2005年全部關(guān)停。至今，終采時(shí)間已超過13年，按終采時(shí)間判別，采空區(qū)場地下各煤層采空區(qū)屬于穩(wěn)定的采空區(qū)。

圖6 采空區(qū)場地采空區(qū)影響范圍

表4 按終采時(shí)間確定的頂板垮落充分的采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級(jí)

（2）按采深及垮落斷裂帶高度判別。煤層開采后，上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶[1]?？迓鋽嗔褞r體破碎，裂隙發(fā)育，當(dāng)垮落斷裂帶的發(fā)育高度大于采深，影響至地表，對擬建輸氣管道的影響大，場地不穩(wěn)定；垮落斷裂帶高度小于采深，距地表有一定距離，綜合考慮采空區(qū)的特征，采空區(qū)埋深＜50 m時(shí)，場地屬于淺埋采空區(qū)，采空區(qū)對擬建輸氣管道的影響中等，場地為基本穩(wěn)定；當(dāng)垮落斷裂帶高度小于采深，采空區(qū)埋深＞50m時(shí)，采空區(qū)對擬建輸氣管道的影響小，場地為穩(wěn)定場地，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5?？迓鋽嗔褞Ц叨鹊拇_定可根據(jù)表6和表7給出的公式計(jì)算[2]。

表5 按采深及垮落斷裂帶高度確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級(jí)

表6 傾角α＜55°的厚層煤分層開采的垮落斷裂帶最大高度計(jì)算公式

表7 急傾斜礦層開采垮落帶和垮落斷裂帶最大高度計(jì)算公式

采空區(qū)場地下方21#、11#、7#煤層頂板為泥巖，屬軟巖（10 MPa≤fr＜20 MPa）；采空區(qū)場地南側(cè)，地層倒轉(zhuǎn)，21#煤層頂板為粉砂巖（20 MPa≤fr＜40 MPa），16#、15#、12#、10#、7#、6#、4#煤層頂板為砂巖或粉砂巖，屬中硬巖（20 MPa≤fr＜40 MPa），根據(jù)表5和表6計(jì)算的采空區(qū)場地內(nèi)各煤層采空區(qū)的垮落斷裂帶高度見表8。

（3）按地表移動(dòng)變形特征評(píng)價(jià)。根據(jù)規(guī)范[2]，可按地表移動(dòng)變形特征定性評(píng)價(jià)采空區(qū)場地的穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表9。采空區(qū)場地下各煤層屬傾斜/急傾斜煤層，現(xiàn)場調(diào)查沿管道中線未發(fā)現(xiàn)地面有明顯的塌陷坑、臺(tái)階、地裂縫等變形，分析認(rèn)為各煤層采空區(qū)露頭位置（尤其是煤層傾角＞55°的急傾斜采空區(qū)分布區(qū)）發(fā)生不連續(xù)變形的可能性大，該區(qū)段采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定，其他區(qū)段地表移動(dòng)變形為連續(xù)變形，采空區(qū)埋深＜50 m時(shí)，場地穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定，采空區(qū)埋深＞50 m時(shí)，場地穩(wěn)定性為穩(wěn)定。

表8 采空區(qū)場地采空區(qū)垮落斷裂帶高度計(jì)算結(jié)果

表9 按地表移動(dòng)變形特征確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級(jí)

4.2 按地表剩余移動(dòng)變形值評(píng)價(jià)

當(dāng)采空區(qū)地表變形為非連續(xù)變形時(shí)，不適合按地表剩余移動(dòng)變形值進(jìn)行場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。而當(dāng)采空區(qū)地表變形為連續(xù)變形時(shí)，可采用地表剩余移動(dòng)變形值進(jìn)行場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。本次評(píng)價(jià)計(jì)算了采空區(qū)場地發(fā)生連續(xù)變形區(qū)段的地表剩余移動(dòng)變形值[5]：采空區(qū)場地（連續(xù)變形區(qū)域） 剩余下沉0～90mm，剩余傾斜0.1～2.5mm/m，剩余水平變形0～1.8mm/m，剩余曲率0～0.18×10-3/m。煤層采空區(qū)各連續(xù)變形采空區(qū)場地的穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

4.3 場地穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)采用開采條件判別法和地表移動(dòng)變形判別法評(píng)價(jià)了采空區(qū)場地的穩(wěn)定性，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，采空區(qū)場地可劃分為穩(wěn)定區(qū)（W1～W18）、基本穩(wěn)定區(qū)（J1～J7）和不穩(wěn)定區(qū)（B1～B21）三個(gè)大區(qū)，共46個(gè)小區(qū)，其分布見圖7（圖中各區(qū)塊的具體編號(hào)略）。

圖7 采空區(qū)場地穩(wěn)定性分區(qū)

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用開采條件法和地表剩余移動(dòng)變形值法對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。規(guī)范[2]認(rèn)為傾角＞55°的厚煤層淺埋及露頭地段宜劃分為不穩(wěn)定地段。本文在開采條件法中采用了按采深及垮落斷裂帶高度判別法對淺埋區(qū)（采空區(qū)埋深＜50m）的穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步判別，當(dāng)垮落斷裂帶的發(fā)育高度大于采深，影響至地表時(shí)，則對擬建輸氣管道的影響大，場地不穩(wěn)定；當(dāng)垮落斷裂帶高度小于采深，距地表有一定距離時(shí)，則綜合考慮了采空區(qū)的特征，當(dāng)采空區(qū)埋深＜50m時(shí)，場地屬于淺埋采空區(qū)，采空區(qū)對擬建輸氣管道的影響中等，場地為基本穩(wěn)定。利用該評(píng)價(jià)方法判斷了目前的21個(gè)采空區(qū)，認(rèn)為處于不穩(wěn)定狀態(tài)。本文的評(píng)價(jià)工作使得采空區(qū)穩(wěn)定性判別結(jié)果更加精細(xì)，本文的評(píng)價(jià)方法可以為其他地區(qū)傾斜/急傾斜煤層采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供借鑒。