棗莊市某高速公路服務區(qū)下伏煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價

冀立強，郝明盛

（山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014）

棗莊市是山東省內主要產煤地區(qū)，也是全國重要的產煤基地，當地已探明煤礦區(qū)有68處[1]，經過多年的地下開采，形成了大面積的多層煤采空區(qū)。隨著省內經濟的飛速發(fā)展，山東省不斷擴大高速路網體系，高速公路線路和服務區(qū)的選址位置有時不可避免地位于煤礦采空區(qū)影響范圍內。

經過幾十年的實踐探索，我國在煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價方面的理論經驗已達到國際領先水平[2]。汪吉林[3-4]等利用概率積分法評價了多煤層采空區(qū)的穩(wěn)定性；童立元等[5-6]利用數值模擬方法，考慮不同地面建筑的特點，分析了多層煤采空區(qū)的危害；郭廣禮等[7]利用力學解析方法研究了多層煤層采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性；張宏貞等[8]采用神經網絡模型模擬了煤礦采空區(qū)殘余沉降系數。其中，采用概率積分法預測煤礦采空區(qū)地表殘余變形值，參照行業(yè)相關規(guī)范對采空區(qū)進行定量評價的方法，已發(fā)展成為公認的最廣泛、最成熟的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法[9]。

本文以棗莊市某高速公路服務區(qū)為例，對研究區(qū)內下伏煤礦采空區(qū)分布、埋藏情況及頂底板巖性、采空區(qū)“三帶”特征進行了系統(tǒng)研究，根據國標《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（規(guī)范[9]）中的要求，采用開采條件判別法和地表移動變形判別法對研究區(qū)下伏煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進行了綜合評價。

1 研究區(qū)地質概況

1.1 地層分布

研究區(qū)地理位置屬于棗莊市臺兒莊區(qū)，位于京杭大運河南岸。研究區(qū)內總體地貌為黃河下游沖洪積平原，區(qū)內地勢總體較為平坦，地形稍有起伏，平均海拔約34m。研究區(qū)為一埋藏式石炭—二疊系煤田，在地層區(qū)域上屬華北地層大區(qū)，區(qū)內地表表層均被第四系（Q）覆蓋，厚度一般4.50～21.50m，由棕黃色粉質粘土和含砂姜粉質粘土層組成；第四系下隱伏二疊系石盒子組（P1-2s）、山西組（P1s）及二疊—石炭系太原組（C2P1t）等含煤地層，該套地層由泥巖、粉砂巖、砂巖、石灰?guī)r及多層薄層煤組成一套泥炭沼澤相沉積旋回，煤層僅部分可采，部分煤層被燕山期侵入巖侵蝕吞沒。

1.2 構造特征

研究區(qū)所在大地構造上為一向北北東傾斜的大型單斜構造，地層總體走向近東西向，傾向近于正北向，地層傾角8°～15°，淺部分布次一級小型褶皺，褶皺發(fā)育不明顯，煤層底板等高線略有起伏。該區(qū)域內主要發(fā)育三組斷層：北東向、近東西向、北西向斷層，落差超過15m的斷層有8條，均為正斷層（圖1）。

1.3 煤層特征

研究區(qū)可采煤層分布在二疊系山西組（P1s）及石盒子組（P1-2s）含煤地層內，含煤地層總厚度約為390m，純煤平均總厚度為6.50m，含煤系數為1.7%。區(qū)內地層包含5 層可采煤層，主要可采煤層共3 層，分別為柴煤2、2煤和3-1煤。

柴煤2煤層分布較穩(wěn)定，但結構復雜，僅局部可采，平均厚度小于1.0m；2煤煤層結構復雜，被巖漿巖侵蝕成天然焦或吞沒，平均厚度約2.5m，為不穩(wěn)定但可采的中厚煤層；3-1煤大部分被巖漿巖侵蝕，僅少量鉆孔揭露，殘存?zhèn)魏?～3.55m，煤層結構簡單，成分均為天然焦。

2 采空區(qū)分布情況

區(qū)內煤礦于2007 年停止開采，終采時間距今已超過13年。2009年，研究區(qū)外圍農田內發(fā)生過小面積的地面塌陷，于當年將塌陷坑回填并平整，以后區(qū)內及附近其他地段未發(fā)生地面裂縫及地面塌陷現象。分析研究區(qū)內煤田詳查地質報告及煤礦儲量核查報告，掌握了區(qū)內下伏柴煤2、2 煤和3-1 煤煤層采空區(qū)的基本特征(表1)。

表1 采空區(qū)分布特征一覽表

3 采空區(qū)“三帶”特征

煤礦采空區(qū)覆巖的破壞類型可分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，統(tǒng)稱為采空區(qū)“三帶”，為了摸清各煤層采空區(qū)“三帶”發(fā)育特征，在前期研究的基礎上先后進行了物探和鉆探工作。

實驗組經新輔助放化療后，CR 9例，PR 29例，PD 3例，SD 12例；新輔助放化療前后患者臨床分期變化情況。化療前：Ⅱ期 34例，Ⅲ 19例；化療后：Ⅰ期 24例，Ⅱ期 25例，Ⅲ 4例。見表1。

3.1 CSAMT法解譯特征

根據煤層采空區(qū)與周邊巖石地層的電性差異特征，采用了可控源大地音頻電磁法（CSAMT 法）對研究區(qū)下伏的煤層采空區(qū)進行了物探勘查。研究區(qū)內地下水位埋深常年在3.5m 左右，表明深部各煤層采空區(qū)均充水，根據CSAMT 法的解譯結果，研究區(qū)地下-200～-300m之間電阻率小于250Ω·m，存在明顯的低電阻異常，具明顯的充水電性反映，據此可推測該異常為深部2 煤及3-1 煤采空區(qū)及“三帶”充水引起的電性異常（圖2）。

圖2 CSAMT法電阻率異常解譯圖

3.2 鉆孔揭露采空區(qū)特征

根據物探解譯情況，結合擬建建筑的特點，在區(qū)內擬建高層建筑位置布置了3 個勘察鉆孔（ZK1、ZK2、ZK3）。3 個鉆孔均揭露了柴煤2 采空區(qū)，ZK3 揭露了2 煤及3-1煤采空區(qū)。鉆孔鉆進至各煤層采空區(qū)時均可見巖芯破碎、見煤渣、鉆孔漏水、進尺加快等現象；揭露各煤層采空區(qū)可見不同程度的充填情況，充填物主要為細砂巖、粉砂巖碎塊，夾少量煤渣及煤矸石碎塊，揭露各采空區(qū)頂板巖性為碎塊狀—短柱狀的粉砂巖及細砂巖，鉆孔揭露采空區(qū)已基本塌落密實，“三帶”分帶特征不明顯（表2、圖3）。

表2 鉆孔揭露采空區(qū)詳情一覽表

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

目前，國內煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價均按規(guī)范[9]進行。煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價工作，一般采用開采條件判別法等定性方法進行初步評價，然后利用數據計算采空區(qū)地表移動變形值進行定量評價，并按穩(wěn)定等級、基本穩(wěn)定等級和不穩(wěn)定等級進行劃分。

4.1 開采條件判別法

開采條件判別法的判別依據一般在調查研究的基礎上，利用工程比較和鄰區(qū)以往的經驗，綜合多個評價因素進行判別，以采空區(qū)最終開采時間為主要因素，并采用地表移動變形特征、采空區(qū)覆巖類型及地表松散土層厚度等評價因素進行綜合判別。

4.1.1 按終采時間判別

根據規(guī)范[9]的相關要求，當煤層平均開采深度小于400m時，地表移動的持續(xù)時間可通過以下公式進行計算：

式中：T——地表移動延續(xù)時間，d；

H0——煤礦平均開采深度，m。

研究區(qū)內采空區(qū)埋深為30～430m，平均埋深267m，代入上述公式計算后，得知區(qū)內地表變形移動延續(xù)時間為668d（1.83 年）。該地區(qū)內的煤層2007 年停止開采，距今已有13年。可以確定地表移動變形已進入了殘余變形期，地表基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據規(guī)范[9]要求，按采空區(qū)最終開采時間可判定區(qū)內采空區(qū)的穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定。

4.1.2 按變形特征判別

現場勘察結果表明，該地區(qū)部分區(qū)域于2009 年發(fā)生過小面積的地面塌陷，此后區(qū)內未發(fā)生地面裂縫及地面塌陷現象。區(qū)內地表變形情況處于穩(wěn)定階段，表現為連續(xù)變形，根據規(guī)范[9]的要求，按地表移動變形特征可判定區(qū)內采空區(qū)的穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定。

4.1.3 按頂板巖性及松散層厚度判別

區(qū)內表層第四系松散土層平均厚度為10.20m。本次施工鉆孔揭露柴煤2的頂板巖性為灰黑色細砂巖、粉砂巖，巖石較完整—較破碎，局部可見裂隙發(fā)育，平均厚度8.80m，抗壓強度21.3～37.9MPa，為較軟巖—較堅硬巖；揭露2煤的頂板巖性為灰白色細砂巖、粉砂巖，巖石較完整，平均厚度9.70m，抗壓強度36.8～38.9MPa，為較堅硬巖；揭露3-1煤頂板巖性為灰黑色粉砂巖、細砂巖，巖石較完整，平均厚度9.18m，抗壓強度20.4～38.9MPa，為較軟巖—較堅硬巖。根據規(guī)范[9]的要求，按采空區(qū)頂板巖性及表層松散土層厚度可確定采空區(qū)穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。

4.2 地表移動變形判別法

采用地表移動變形判別法定量評價煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性，主要方法是通過參數計算煤礦采空區(qū)上部地表的殘余變形值，參照規(guī)范要求，利用殘余變形值確定采空區(qū)的穩(wěn)定性。當區(qū)內沒有進行過地表移動變形監(jiān)測時，可以采用概率積分法預測采空區(qū)上部地表的殘余變形值。

4.2.1 概率積分法的預測方法

概率積分法預測地表殘余變形值一般通過軟件計算實現。MSPS礦區(qū)沉陷預測系統(tǒng)是基于概率積分法原理的開采沉陷預測軟件，多用于華北地區(qū)煤礦采空區(qū)沉陷預測，在實踐應用上取得了良好的成果[10-11]。將礦區(qū)的地表沉陷預測參數輸入軟件后，可自動計算地表殘余變形值，并能生成地表殘余變形等值線圖。

利用概率積分法預測采空區(qū)地表殘余變形需要一定的數據參數，當個別參數難以獲得時，可采用典型礦區(qū)在相同開采條件下的經驗數據，在綜合分析的基礎上取值。常用的方法是引用規(guī)范[9]中典型礦區(qū)的地表移動實測參數，本次地表沉陷預測參數引用規(guī)范[9]中棗莊地區(qū)煤礦地表移動實測參數值（表3）。

表3 棗莊礦區(qū)煤礦地表沉陷預測參數

將表1 中的各煤層參數及表3 中的預測參數輸入MSPS 礦區(qū)沉陷預測系統(tǒng)軟件，得出了研究區(qū)的地表最大殘余變形值（表4），并生成了區(qū)內殘余變形等值線圖（圖4）。

表4 地表最大殘余變形值一覽表

4.2.2 地表移動變形判別采空區(qū)穩(wěn)定性

對圖4 的殘余變形等值線圖進行分析，可以看出，研究區(qū)內大部分地區(qū)殘余變形值較小，服務區(qū)下部因分布埋深較淺的柴煤2采空區(qū)，該處地表殘余變形值比研究區(qū)內其他區(qū)域的地表殘余變形值更大。

根據表4的計算數值和圖4的殘余變形等值線圖，參考規(guī)范[9]中的要求，可以看出，研究區(qū)內地表最大殘余變形值滿足采空區(qū)穩(wěn)定等級的判別要求，據此判定區(qū)內采空區(qū)穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定。

圖4 殘余變形等值線圖

5 結論

（1）利用資料分析、地質調查、物探、鉆探等綜合勘察手段，發(fā)現研究區(qū)內分布有3層煤層采空區(qū)，各煤層采空區(qū)形成時間超過13年，采空區(qū)“三帶”分帶特征不明顯，已基本塌落密實。

（2）采用開采條件判別法，根據最終開采時間、變形特征、頂板巖性和松散層厚度確定采空區(qū)穩(wěn)定性為穩(wěn)定—基本穩(wěn)定；利用概率積分法預測了采空區(qū)地表殘余變形值，并利用地表移動變形判別法判定區(qū)內采空區(qū)穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定。

（3）服務區(qū)下部分布較淺的柴煤2 采空區(qū)，區(qū)內地表殘余變形值較大，地面建筑有引發(fā)采空區(qū)活化的可能，建議對地面建筑采取合理的抗變形措施，并做好變形監(jiān)測工作。