煤礦采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價

司冬冬

摘 要：文章以省道323新密關(guān)口至登封張莊（K24+100～ K30+230）段煤礦采空區(qū)為主要研究對象，通過搜集采空區(qū)資料和現(xiàn)場勘查，根據(jù)采空區(qū)特征、地面及已有建筑物的變形和破壞情況、采空區(qū)覆巖變形規(guī)律及采空區(qū)場地地表變形規(guī)律、地面變形特征、持續(xù)時間、影響范圍、附加應(yīng)力影響深度、活化因素及地表剩余移動變形預(yù)計等因素進行綜合定性、定量分析，判斷不同區(qū)段采空區(qū)處于穩(wěn)定性、基本穩(wěn)定還是不穩(wěn)定階段。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū);覆巖變形;地表變形;場地穩(wěn)定性

1? ? 工程概況

省道323線新密關(guān)口至登封張莊段改建工程，位于新密市平陌鎮(zhèn)南約600 m的桑家莊至登封市大冶鎮(zhèn)東南約1.5 km的橋板河村，該工程的K24+100～K30+230段位于老采空區(qū)場地上，局部壓覆資源將來可能開采，分析該場地采空區(qū)穩(wěn)定性，以保障改建工程的質(zhì)量和安全。

2? ? 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1? 氣象、水文

改建場地所在地區(qū)屬大陸半干旱型季風(fēng)氣候區(qū)。夏、秋兩季炎熱多雨，冬、春兩季寒冷干燥。年降雨量為416.50?1102.90 mm，年平均降雨量為624.35 mm，降雨多集中在7?9月份，約占全年降雨量的65%。

2.2? 地形地貌

改建場地位于登封市大冶鎮(zhèn)東南部，整體地勢呈東南高、西北低，屬低山丘陵地貌。改建場地東側(cè)為通往大冶鎮(zhèn)的鄉(xiāng)村公路，場地內(nèi)地形起伏較大，中部的橋板河地勢相對較低，地表標高在 280?300 m。

3? ? 采空區(qū)覆巖變形破壞規(guī)律分析

地下煤層采出后形成采空區(qū)，隨著煤層開采的不斷進行，采空區(qū)范圍不斷擴大，采空區(qū)頂板巖體則會逐漸變形、開裂和破碎，冒落堆積在采空區(qū)，形成“冒落帶”，隨著冒落不斷堆積，堆積物將被逐漸壓密。同時，在“冒落帶”的上方將形成一定厚度的“裂隙帶”。該裂隙帶向上發(fā)展直至地表會形成“整體移動帶”或“彎曲下沉帶”。其下沉?xí)颈３謳?nèi)巖土層的完整性，在地表形成一個比采空區(qū)范圍大的地面塌陷區(qū)。冒落帶、裂隙帶和整體移動帶三帶的產(chǎn)生和發(fā)展就是煤礦采空區(qū)地面塌陷的形成過程。采用煤柱法管理頂板時，若所留煤柱能夠支撐住頂板，盡管開采部分的頂板局部冒落，導(dǎo)水裂隙帶還能孤立存在且高度很小。如果所留煤柱太窄，煤柱會被壓垮，此時的覆巖破壞高度與全陷法無異。

3.1? 改建場地采空區(qū)覆巖三帶的空間輪廓形狀

冒落帶、裂隙帶和彎曲帶的空間輪廓、形狀與被開采的煤層傾角有關(guān)：當0°≤α≤35° 時，冒落帶邊界位于采空區(qū)上方、開采邊界內(nèi)，上邊界與巖層面大致平行，冒落帶高度基本相同。當36°≤α≤54°時，采空區(qū)上端冒落裂隙帶高度大于下端。當55°≤α≤90°時，冒落裂隙帶上邊緣急劇向上發(fā)展，遠高于采空區(qū)上邊界。

改建場地下大部分區(qū)域煤層傾角在10°～33°，屬緩傾斜煤層，形成高度基本相同的冒落裂隙帶。

3.2? 采空區(qū)類型

改建場地下大平、宏達、隆錦隆煤礦的二1煤采空區(qū)為正規(guī)開采，其余地方小窯為非正規(guī)開采。頂板管理方法為自然垮落法，采空區(qū)局部已垮落，但未完全壓密，且由于煤柱及坑木的支撐作用，不排除局部存在殘留空洞可能性，因此，屬非充分采動頂板垮落不充分的采空區(qū)。

4? ? 采空區(qū)場地地表變形基本規(guī)律分析

4.1? 地表移動和變形規(guī)律

4.1.1? 地表移動盆地

在開采影響波及地表以后，受采動影響的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區(qū)上方地表形成一個比采空區(qū)面積大得多的沉陷區(qū)域，稱為地表移動盆地或下沉盆地。描述地表移動盆地內(nèi)移動和變形的指標一般用：下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形。

4.1.2? 裂縫及臺階

在地表移動盆地的外邊緣區(qū)，地表可能產(chǎn)生裂縫。裂縫深度和寬度，與有無第四系松散層及其厚度、性質(zhì)和變形值大小有關(guān)。若第四系松散層為塑性大的粘性土，一般在地表拉伸變形值大于6～10 mm/m時，地表才發(fā)生裂縫。塑性小的砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂等，地表拉伸變形值在2～3 mm/m時，地表即可發(fā)生裂縫。

4.1.3? 塌陷坑

塌陷坑多出現(xiàn)在下列開采條件及地質(zhì)條件下：（1）采深很小、采厚很大、房柱式開采或長壁式開采，采厚不均勻，地表可能出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑;（2）含水松散層下開采時，開采上限過高，會在地表引起漏斗狀塌陷坑;（3）急傾斜煤層開采時，煤層露頭附近地表也會出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。

建設(shè)工程場地下部煤層采深小、采厚很大，局部采深采厚比遠小于30，且多為分層重復(fù)開采，因此，其地表移動和變形是不連續(xù)的，沒有嚴格的規(guī)律性，地表可能出現(xiàn)較大的裂縫或塌陷坑。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，場地內(nèi)有明顯臺階和裂縫，臺階最大高度約為1.5 m。由于改建場地近期人類工程活動較多，地形地貌變化較大，工程建設(shè)時發(fā)現(xiàn)多條裂縫，均已處理。

4.2? 地表移動的持續(xù)時間

（1）初始期：地表下沉10 mm時為移動期的開始時間，其后地表下沉速度小于50 mm/月（煤層傾角﹤45?）或地表下沉速度小于30 mm/月（煤層傾角﹥45?）。（2）活躍期：地表移動延續(xù)時間內(nèi)，下沉速度大于50 mm/月（煤層傾角﹤45?）或下沉速度大于30 mm/月（煤層傾角﹥45?）。（3）衰退期：活躍期結(jié)束后即進入衰退期。

地表沉降趨于穩(wěn)定的標準是連續(xù)觀測6個月，地表各點的累計下沉值均小于30 mm（即地表移動持續(xù)時間衰退期），這一穩(wěn)定稱為初始穩(wěn)定，已完成的地表變形稱為初始變形（初始沉降），以后發(fā)生的地表變形稱為剩余變形（剩余沉降）。一般將尚未進入衰退期的采空區(qū)稱為不穩(wěn)定采空區(qū)，將進入衰退期的采空區(qū)稱為穩(wěn)定采空區(qū)或相對穩(wěn)定采空區(qū)。根據(jù)采空區(qū)終采時間及采深按表1計算，并結(jié)合甲方提供的沉降觀測記錄可知，K24+960～K25+260、K26+355～K27+890、K27+865～K28+610段下部采空區(qū)還未進入穩(wěn)定狀態(tài)，其他路段的采空區(qū)引起的地表常規(guī)變形已結(jié)束。

5? ? 采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價

根據(jù)收集的采礦資料、采空區(qū)勘查、工程地質(zhì)調(diào)查及地表變形估算等工作成果，參照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014），按照表2綜合判斷，可將評價范圍按采空區(qū)場地的穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定3個等級，如表2所示。

（1）根據(jù)分析，K24+960～K25+260（采空區(qū)Ⅰ影響范圍）處于基本穩(wěn)定區(qū)，地面已有的開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑基本穩(wěn)定，有發(fā)生不連續(xù)變形的隱患，主要根據(jù)以下幾個方面進行分析：①評判因素：判斷數(shù)據(jù);②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地質(zhì)構(gòu)造：斷層、褶皺發(fā)育，節(jié)理、裂隙極發(fā)育;④地表松散層：質(zhì)地松軟，含水豐富，厚度<10 m;⑤覆巖特征：厚度小，完整性差，強度低;煤層傾角：25°～45°;⑥采區(qū)回采率>60%;⑦采空區(qū)埋深：28～90 m;⑧開采厚度：9.00 m;⑨開采深厚比：3～10;⑩開采層數(shù)：單層;頂板管理方法：垮落式;停采時間：2014年;采動效應(yīng)：地面已有的開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑基本穩(wěn)定，有發(fā)生不連續(xù)變形的隱患。綜上所述，結(jié)論是基本穩(wěn)定。

（2）K26+390～K27+855段（采空區(qū)Ⅱ影響范圍）剛剛結(jié)束回采，正在發(fā)生不連續(xù)變形，地面出現(xiàn)開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑，且處于活躍階段，處于不穩(wěn)定區(qū)。該區(qū)域?qū)⒂?018年1月進入初始穩(wěn)定狀態(tài)，主要根據(jù)以下幾個方面進行分析：①評判因素：判斷數(shù)據(jù);②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地質(zhì)構(gòu)造：斷層、褶皺發(fā)育，節(jié)理、裂隙極發(fā)育;④地表松散層：質(zhì)地松軟，含水豐富，厚度10～30 m;⑤覆巖特征：厚度中等，完整性較好，強度較高;煤層傾角：25°～45°;⑥采區(qū)回采率>60%;⑦采空區(qū)埋深：280～300 m;⑧開采厚度：4.5 m;⑨開采深厚比：60～67;⑩開采層數(shù)：單層;頂板管理方法：垮落式;停采時間：2015年7月;采動效應(yīng)：路面發(fā)生不連續(xù)變形，出現(xiàn)塌陷坑、臺階狀裂縫，邊坡失穩(wěn)、坡腳隆起和涵洞伸縮縫變形。綜上所述，結(jié)論是不穩(wěn)定。

（3）K27+865～K28+610段（采空區(qū)Ⅲ影響范圍）處于不穩(wěn)定區(qū)，正在發(fā)生不連續(xù)變形，地面出現(xiàn)開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑，且處于發(fā)展、活躍階段，根據(jù)該區(qū)域?qū)⒃诿簩娱_采結(jié)束后3.37年進入初始穩(wěn)定狀態(tài)。其他路段采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，主要根據(jù)以下幾個方面進行分析：①評判因素：判斷數(shù)據(jù);②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地質(zhì)構(gòu)造：斷層、褶皺發(fā)育，節(jié)理、裂隙極發(fā)育;④地表松散層：質(zhì)地松軟，含水豐富，厚度10～30 m;⑤覆巖特征：厚度中等，完整性較好，強度較高;煤層傾角：25°～45°;⑥采區(qū)回采率>75%;⑦采空區(qū)埋深：360～450 m;⑧開采厚度：6.0 m;⑨開采深厚比：60～90;⑩開采層數(shù)：單層;頂板管理方法：垮落式;停采時間：正在開采;采動效應(yīng)：路面發(fā)生不連續(xù)變形，出現(xiàn)塌陷坑、臺階狀裂縫，邊坡失穩(wěn)、坡腳隆起和涵洞伸縮縫變形。綜上所述，結(jié)論是不穩(wěn)定。

6? ? 結(jié)語

（1）查明改建場地位于新密煤田西部，大冶向斜南翼西段，井田內(nèi)共發(fā)育大于10 m的斷層16條，礦井生產(chǎn)中揭露小于10 m的斷層100條。改建場地及外圍附近無全新活動斷裂，地震活動性不強，地震災(zāi)害皆來自鄰區(qū)影響，改建場地區(qū)域地殼穩(wěn)定。（2）查明改建K24+960～K25+260段下伏有隆錦隆煤礦采空區(qū)，采空區(qū)編號為Ⅰ，其形成時間為2013—2014年，于2016年1月進入基本穩(wěn)定狀態(tài);改建K26+355～K27+890段下伏有大平煤礦采空區(qū)，采空區(qū)編號為Ⅱ，其形成時間為2014年7月—2015年7月，將于2018年1月進入基本穩(wěn)定狀態(tài);改建K27+865～K28+610段下伏有大平煤礦采空區(qū)，采空區(qū)編號為Ⅲ，其開采時間為2015年5月至今，且目前仍在進行開采活動，預(yù)計將于停采后3.37年進入基本穩(wěn)定狀態(tài)。其余采空區(qū)形成時間較早，處于穩(wěn)定狀態(tài)。（3）根據(jù)采空區(qū)特征、地面及已有建筑物的變形和破壞情況、地面變形特征、持續(xù)時間、影響范圍、附加應(yīng)力影響深度、活化因素及地表剩余移動變形預(yù)計等因素綜合定性、定量分析，查明K24+100～K24+965段、K25+257～ K26+460段、K27+750～K27+990段和K28+535～K30+230段已有的開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑基本穩(wěn)定，有發(fā)生不連續(xù)變形的隱患，采空區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，工程建設(shè)基本適宜;K24+965～K25+257段、K26+460～K27+750段和K27+990～K28+535段會發(fā)生不連續(xù)變形，出現(xiàn)塌陷坑、臺階狀裂縫、邊坡失穩(wěn)、坡腳隆起和涵洞伸縮縫變形，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，工程建設(shè)適宜性差。

[參考文獻]

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