5.12震后石梯村煤礦采空區穩定性分析及應急處理方法

張國起

河北省地礦局國土資源勘查中心

5.12震后石梯村煤礦采空區穩定性分析及應急處理方法

張國起

河北省地礦局國土資源勘查中心

本文應用《礦山開采沉陷學》的基本理論對5.12震后四川省彭州市新興鎮石梯村采空區及石梯村新建安置點殘余變形進行了預測計算，分析了采空區“活化”的可能性，提出了性價比較高的地基應急處理方案，通過后期5年的變形監測，證明效果良好，很好的完成了測繪應急保障任務。

煤礦采空區；殘余沉降量；測繪應急保障；變形監測

5.12地震以后，四川省開展了大規模地質災害治理工作。本論文結合四川省煤礦開采的經驗和資料，通過現場調查，在詳細的測繪應急保障預案的基礎上，對彭州市新興鎮石梯村地表移動殘余變形進行了預測計算，為震后采空區安置點選址提供了理論依據，并采用科學的地基處理方法，確保新建安置點地基穩定，隨后通過變形監測對新建安置點穩定性進行驗證。

1　石梯村煤礦采空區概況

四川省彭州市新興鎮石梯村，距離彭州市城北332°方向，直線距離約16.5km。石梯村煤礦創建于1964年，為小規模開采。2007年根據有關政策該煤礦關停。開采煤層為翻轉紅煤層。采礦方法為長壁后退式采煤法，即采煤工作面由采區邊界向絞車道方向推進。

根據現場調查和四川省地質礦產勘查開發局四0二地質隊提交的《四川省彭州市新興鎮石梯村煤礦礦產資源儲量核實報告》（2007年9月），礦區范圍內基本形成采空區，面積0.318km2，采空區高1.90m，采空區有翻轉紅煤層地表出露斜向南傾角約45°，采空區埋深在285m左右。

煤層頂板巖性為泥巖、砂質泥巖為主，厚2.0m左右，質軟，抗壓強度小，易于冒落，穩定程度為不穩定～中等穩定；底板有0.1m左右的砂質泥巖為主，老底板為3m厚的砂巖。煤層直接頂板為泥質巖類，巖性較軟，穩定性差，易于造成底板鼓脹。

老采空區在+636m標高以上，貫穿翻轉紅煤層地表出露位置，據調查老采空區曾經出現多處地面塌陷，采空區頂板出現過多處垮塌，采空區內存在積水現象。5.12地震前均出現過地面裂縫和建筑物裂縫。

為了推動彭州市石梯村重點區域災后重建步伐，需要拓展應急測繪保障領域，加強災情評估能力。因此，需要對石梯村采空區進行穩定性分析。

2　石梯村采空區穩定性分析及采空區處理

2.1石梯村采空區地表移動變形延續時間分析

石梯村采空區為老窯和小窯采空區，覆巖結構為“三帶”結構（即冒落帶、導水裂隙帶、彎曲沉降帶）。采煤技術較為落后，留下隱患較為嚴重。采煤方式為長臂后退式，其沉陷活化機制為：破碎巖體緩慢蠕變，自然壓密；破碎巖體在水和空氣作用下，風化和強度衰減；殘留煤柱衰減；外力作用，如地震、地面附加荷載等。

按地表移動盆地最大下沉點的移動速度，地表移動分為3個階段：開始期、活躍期、衰退期。三者總稱為地表移動延續時間。

石梯村老采空區的移動主要應考慮衰退期的地表點移動。這一移動主要是破碎巖體和上覆巖層結構在覆巖重力及上部荷載作用下的逐漸變形、自然壓密的結果，這一變形受覆巖地質環境條件的影響。如覆巖結構在水等條件下弱化，使結構失穩、強度降低，引起地表移動變形，這一時間過程較長。

由于石梯村6社塌陷區以前沒有地面沉降實測資料，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，地表移動從礦區停采開始延續時間計算公式為：

tm=2.5hav

式中：hav——工作面平均采深（m）。

考慮石梯村6社新安置點震后應急勘查的特殊性，在無實測資料證實時，采空區停采邊界上方地面沉降延續時間可按下式計算：

tm=2.5×hav=2.5×285=713（天）

石梯村采空區停采時間為2007年11月，到2010年3月開始應急勘查已有870天，已經超過了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》計算的地表移動時間。從時間上推測石梯村采空區地表移動變形已經趨于穩定。對采空區上新建安置點影響不大。

2.2石梯村采空區最大沉降量及殘余沉降量預測分析

根據采礦沉陷學理論，考慮石梯村采空區工程地質條件，采用如下公式計算采空區地表沉：

式中m煤層厚度，煤層平均厚度為2m，

K1圍巖自由碎脹系數，取1.35

α為煤層傾角，平均35°

式中：m煤層厚度，k2冒落帶巖石剩余碎脹系數，取值1.25，k3碎脹系數取值1.025

⑶彎曲沉降帶高度

h3=∑H-h1-h2=285-6.98-14.55=263.47m

式中：∑H煤層埋深為285米，

⑷地表最大下沉量

礦區開采范圍走向長1000m，傾向長350m，預測首次非充分采動情況下地表最大下沉量。

計算公式：

式中Wmax首次采動非充分采動情況下最大下沉量。

η充分采動情況下最大下沉系數取0.2

ht煤層厚度（含煤矸石）取平均值2.0米。

n2煤層傾角，取平均值35°

n2煤層傾斜方向采動程度，n2沿礦層走向方向采動程度。

其中n1=0.3D1÷H0=0.388

n2=0.3D2÷H0=1.11

D1，D2采空區沿傾斜方向及走向的距離。

經過計算，該礦區最大沉降量預計為0.2米。根據2.1所敘內容，石梯村采空區從時間上推算已經進入剩余移動期，根據國內外老采空區剩余變形的經驗，石梯村采空區剩余沉降預測參數選擇如下：（石梯村工作面停采2～5年）剩余沉降系數η=0.05，則剩余沉降量計算如下：

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，采空區殘余沉降量為0.05米，對石梯村新建安置點影響不大。

2.3石梯村采空區“活化”分析

采空區的“活化”是指廢棄采空區垮落堆積物及其覆巖體在外界因素影響下，物理力學性質發生變化，導致地表殘余變形發生異震后石梯村采空區具有如下特點：

常變化。

隱蔽性：老采空區一般深埋于地下，人員難以進入，其特征一般難以弄清，采空區“活化”過程難以直接觀察。

復雜性：其“活化”過程受多種自然和人為因素的影響，其“活化”機理、過程及對地表的影響規律相當復雜。石梯村安置點建筑荷載及5.12地震可能是重要的“活化”因素。

突發性：經過調查，該采空區是存在較大殘留礦洞的老采空區，其失穩破壞常常是突發性的，其塌陷時間難以準確預計。

長期性：老采空區的“活化”是一個長期的過程，可能采后幾年或十年甚至上百年后發生，也可能是長期的緩慢變形過程，在發生過明顯活化的老采空區仍有再次活化的可能。如，蘇格蘭某報廢礦于118年后的突然塌陷等。

通過以上分析，采空區有“活化”的可能，使得地面殘余沉降加速，石梯村采空區上新建安置點，關系到建筑物的安全性，應當慎重對待。

2.4石梯村采空區應急處理方法

在現狀條件下，盡管2.1中從時間上推算采空區地表移動變形已趨于穩定，地表變形活躍期早已結束；2.2中推算的殘余沉降量已經非常小，從理論上可以推測出采空區對新建安置點影響不大。為了防止石梯村采空區存在地震作用下和荷載作用下復活的可能性，采用注漿加固技術對新建安置點區域上覆巖層結構進行結構補強，增強覆巖結構的長期穩定性。其具體做法是從地面打鉆孔，然后壓密灌漿，使漿液滲入巖層裂隙，并膠結而使破碎巖體形成一強度高、剛度大，類似于“大板結構”的完整巖體，達到類似于跨越的目的和避免地表塌陷的發生。這種方法具有工程量小、工程費用低、巖體結構穩定、效果好等顯著特點。通過后期沉降監測，證明效果良好。

3　煤礦采空區安置點應急監測

為了確保震后石梯村45戶204人的生命財產安全，根據《國家應急測繪保障預案》對石梯村新建安置點布設了二等沉降監測網，連續5年進行了多次沉降監測，安置點最大沉降量為11mm，下沉速度遠小于0.04mm/d，滿足建筑物容許變形值，對新建安置點沒有損壞作用。

4　結束語

4.1四川省彭州市新興鎮石梯村采空區采空區地表移動變形已經趨于穩定，在沒有大的外界因素（如地下水位大幅升降、地震作用、外加荷載及臨區地下開采）影響下，存在的沉降是微弱的、緩慢的殘余沉降；

4.2采空區地面沉降有“活化”的可能，使得地面殘余沉降加速，在采空區上新建建筑物，關系到建筑物的安全性，應當慎重對待；

4.3即使采空區殘余沉降已經十分微弱，建議采用地基加固等措施，并對采空區建筑物進行沉降變形監測，加強測繪保障工作。

［1］何國清等著.《礦山開采沉陷學》［M］.中國礦業大學出版社.1991.

［2］《四川省彭州市新興鎮石梯村煤礦礦產資源儲量核實報告》［R］（2007年9月）.

［3］《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》［S］.

［4］（國測成字［2009］4號）《國家應急測繪保障預案》.

［5］GB 50007-2002中華人民共和國國家標準《建筑地基基礎設計規范》［S］.

［6］JGJ 8-2007.中華人民共和國國家標準《建筑變形測量規程》［S］.

張國起（1969-），男，本科，河北人，工程師，從事工作：測繪工程，河北省地礦局國土資源勘查中心國土測繪隊技術負責，曾參加第二、三、四、五批5.12震后援川工作。