煤礦采空區穩定性評價多種方法應用

李 滿 喜

(中國建筑材料工業地質勘察中心山西總隊，山西 太原 030031)

山西省為煤炭資源儲存及開采大省，伴隨煤炭資源開采，遺留大量煤礦采空區。采空區對煤礦周邊居民居住環境及建筑形成巨大的影響，對經過采空區的公路、鐵路及其他工程建設項目形成較大的安全威脅，故對煤礦采空區進行穩定性評價是對采空區綜合治理、消除安全隱患的一項前期重要工作。

本文以南則隧道工程中煤炭采空區穩定性評價為例，淺談多種采空區穩定性評價方法在實際工程中的應用。

1 工程概況

南則隧道位于中陽縣張子山鄉南則村，位于山西省中陽縣境內，行政區劃隸屬呂梁市中陽縣。地勢略呈兩側溝谷低、中部山梁高。隧道橫穿南則村，進口里程K0+345，設計高程1 117.45 m，出口里程K0+895，設計高程1 126.99 m，隧道底板最大埋深103.05 m，位于K0+679處，隧道全長550 m，屬中隧道。自然地理屬晉西黃土高原，屬呂梁山西側的中低山區，地貌類型為侵蝕的黃土梁、塬。

2 勘察目的及方法

2.1 勘察目的

通過各種工程方法，收集及查明礦區氣象、水文、地形地貌、地震、地層巖性、地質構造等特征，采空區的分布及開采時間、范圍、深度、采厚、開采方法、采取率、頂板巖性和厚度、頂板管理方法等采空要素，對采空區進行穩定性分析和評價，進一步研究和評價采空區的穩定條件，變形值大小，變形發展階段和穩定發展趨勢。

2.2 勘察方法

工程地質調繪：調查區內地層產狀、巖性、厚度及其與含礦地層的關系；區內地形、地貌、水文、氣象等；區內與采空區有關的其他不良地質類型、分布情況；調查勘察區地表裂縫、塌陷、移動盆地特征；調查勘察區覆巖巖土類型及其工程性能；地下水的類型、水位埋深、水位動態變化。物探：物探采用瞬變電磁法和測氡法對測區進行面積性的掃面工作，主要目的是測量工作區內的物探異常特征，從而推斷出區內采空區地下構造具體位置。勘探：根據采空區物探揭示的異常區，對推測采空區進行驗證，并查明采空區的頂板、底板及地層、水文等相關要素，鉆探時采集巖樣、土樣，對進行天然極限抗壓強度測試和土常規分析。

3 地層巖性

4 成果綜述

4.1 物探成果綜述

通過對瞬變電磁法資料和測氡法資料的處理解釋，結合收集的地質資料綜合分析：工作區主要為對4號煤層存在大面積開采破壞情況，共解釋了采空破壞區5處，統計情況如表1所示。

表1 4號煤層采空破壞區統計表 m2

4.2 鉆探

為進一步查明采空區塌落狀態，采空區的埋深等特征，在分析中采空區布設3個鉆孔，如表2所示。

表2 采空區鉆探成果一覽表

5 采空區特征

1)采空區地貌單元屬于黃土丘陵區，微地貌為沖溝、黃土梁。地表為第四系全新統沖洪積粉土、粉質粘土及粉土，下覆巖層主要為石炭紀太原組厚～巨厚層狀泥巖、炭質泥巖及泥質砂巖。2)根據地質調查及物探解譯結果知，采空區分布在K0+320～K0+770段，采空區長度450 m。3)布設ZK2，ZK3，ZK4對采空區進行驗證，主要揭露4號煤層。ZK2：位于路線里程樁號K0+500，線路左37 m，開孔層位為第四系上更新統粉土及粉質粘土，厚度28.0 m，下部為下更新統的粉質粘土層，厚度74.0 m，下至孔底為石炭紀太原組泥巖、炭質泥巖及泥質砂巖，厚度164.6 m。在243.6～244.50為4號煤層，厚度0.90 m，未開采或煤柱，263.9～265.45為8號煤層，厚度1.55 m，未開采或煤柱。在173 m左右發生鉆探液大量損耗，終孔深度272.45 m。ZK3：位于路線里程樁號K0+356，線路右21 m，開孔層位為第四系全新統的填土層，填土主要為粉土及粉質粘土，厚度7.6 m，其次為上更新統粉土及粉質粘土，厚度14.7 m，下部為下更新統的粉質粘土層，厚度67.1 m，下至孔底為石炭紀太原組泥巖、炭質泥巖及泥質砂巖，厚度141.0 m。在225.75 m～227.25 m發生掉鉆，為4號煤層采空段，厚度1.5 m。在151 m～161 m及174 m～180 m左右兩段發生鉆探液損耗現象，200 m～225 m段，巖芯破碎，終孔深度230.45 m。ZK4：位于路線里程樁號K0+652，線路左74 m，開孔層位為第四系上更新統粉土及粉質粘土，厚度26.0 m，下部為下更新統的粉質粘土層，厚度132.45 m，下至孔底為石炭紀太原組泥巖、炭質泥巖及泥質砂巖，厚度171.8 m。在324.75～325.85為4號煤層，厚度1.10 m，未開采或煤柱。在227 m左右鉆探液發生損耗，終孔深度330.25 m。綜上，采空區的鉆探成果與物探推斷解釋相吻合。

6 煤礦采空區對公路工程的影響程度及其穩定性評價

6.1 根據擬建構造物與采空區相對位置定性評價

中陽張子山煤業有限公司煤礦采空區位于路線南則隧道底板下135 m～221 m，4號煤層采厚為1.5 m～2.0 m，結構物為南則隧道。

采空區位于隧道之下，煤礦采空區未放頂，采空區對南則隧道具有一定影響。路線經過地段，地表無變形，地表未見變形形成的張裂隙，煤礦采空區對隧道影響較小。

根據現場調查及《采空區公路設計與施工技術細則》第4.2.1條，采空區上覆圍巖主要為砂巖及砂質泥巖，屬中硬覆巖，煤礦停采時間為2007年，t>3.0年，按停采時間評價采空區場地穩定等級為穩定；采深與采厚比H/M=140～220，按照采深與采厚比評價場地穩定性等級為穩定。

依據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》第12.2.3條，地表無裂縫、臺階、塌陷坑，按變形特征評價采空區場地穩定等級為穩定；松散層厚度大于30 m，按頂板巖性及松散層厚度評價采空區場地穩定等級為穩定。

6.2 根據經驗公式及勘察區覆巖結構特點定量評價

巖層的地表移動和變形受地質條件、采煤方法等多種因素綜合影響，包括覆巖力學性質、巖層組成和土石比例關系、采煤方法及頂板管理方法、開采深度、采煤厚度、采深采厚比、工作面開采時間、地表變形特征等。

按小窯考慮，采深與采厚比：

H/M=(min225/2,max324/2)=(min112,max162)。

冒落帶的高度采用下式進行計算：

其中，h為冒落帶高度；m為采出煤層厚度，按2.0 m計；k為巖石碎脹系數，取值1.25；α為煤層傾角，按5°計。

經計算，4號煤層采空區冒落帶高度為8.0 m。

4號煤層頂板為厚層狀砂質泥巖，本項目采用冒落裂隙帶高度為采厚的15倍進行評價。

6.3 預測地表變形

根據《礦山開采學》公式，預算最大移動和變形值：

1)最大下沉量：

W=mqcosα=2×0.80×cos5°=1.58 mm。

2)最大傾斜值：

i=w/r=w/(H/tgβ)；

β=δ-(0.6-0.7)δ=23°。

3)最大曲率值：K=±1.52W/r2。

4)最大水平移動：U=bw。

5)最大水平變形值：ε=±1.52bW/r。

根據上述公式計算各煤礦采空區主要變形參數見表3。

表3 采空區最大變形參數表

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》12.4.2，確定采空區經分析和剩余變形量計算，總體評價，采空區場地穩定性好。

6.4 根據《工程地質手冊》頂板臨界深度評價

根據《工程地質手冊》進行穩定性評價，結合鉆孔資料，第四紀粉質粘土重度取值20 kN/m3,石炭紀太原組泥巖及泥砂巖重度取26.5 kN/m3，巷道位于路線下135 m～221 m，

第四紀粉質粘土厚度按60 m計算，巖石厚度按135 m～160 m計。

巷道寬度取5 m，φ取值50°，路面設計單位荷載P0=300 kN/m2。

巷道位于路線下200 m時，γ=24.5 kN/m3，計算得H0分別為32.3 m～32.5 m，H=200 m>1.5H0=48.8 m。

綜上，根據計算結果表明，在公路荷載作用下，地基穩定，不會產生坍塌、沉陷等現象。

7 結語

通過不同的方法對南則隧道下覆采空區穩定性的評價，其穩定性評價結論是一致的、相對穩定的。采空區穩定性多種穩定性評價的方法，提高單一評價方法的局限，對其他類似工程提供一定的參考依據，同時提升巖土勘察的質量。