小窯采空區變電站采動變形特征及穩定性評價

史衛國 崔鵬偉 薛 飛

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

老窯和小煤窯采空區，雖然在開采過程中，留下了許多殘留煤柱或臨時支護系統支撐覆巖，但殘留煤柱尺寸小、強度差，難以保持長久的穩定。導致上覆巖層破壞不規律，通常會造成地表的突然塌陷，而且塌陷的發生時間和持續時間難以估計和預測，因此對地面建筑物的危害極大[1]。因此研究小窯采空區勘察及評價具有重要意義。本文以某新建變電站采空區勘察成果為基礎,探討小煤窯采空區的特點及評價。

1 站址區采動變形特征

1.1 站址區煤層及上覆巖土體特征及覆巖破壞類型

站址區位于晉煤集團古書院礦區范圍內，可采煤層為3號煤、9號煤、15號煤，從晉城國土資源局、晉煤集團古書院區礦收資得知，站址范圍內的埋深較深的9號煤層、15號煤層未經開采，埋深較淺的3號煤曾由張嶺煤礦進行過開采。張嶺煤礦建于1949年，討論區內3號煤采煤時間為1971年—1980年間，開采厚度為4.0 m～6.0 m，開采方式為不規則房柱式開采，開采寬度為4 m。鑒于討論區內9號煤、15號煤均未經開采，且無進一步開采規劃，對場地變形無影響。已開采煤層主要是3號煤層，故該處僅對3號煤進行分析討論。

討論范圍區內3號煤層埋深31.1 m～40.5 m之間，平均厚度5 m。煤層(采空區)上部上覆巖土體厚27.6 m～36.7 m。其中第四系覆蓋層厚8.6 m～11.5 m，以素填土、黃土(粉土)及卵石層為主。具體如下：?層：素填土，粉土為主，黃褐色，中密，稍濕，含植物根莖及少量建筑垃圾，含大孔隙，具濕陷性。回填年限大于5年，分布于整個站址，層底埋深0.5 m～4.5 m，厚0.5 m～4.5 m，平均厚度為2.0 m，層底標高735.68 m～738.1 m。①層：黃土(粉土)，黃褐色，中密，稍濕，含大孔隙，具濕陷性。分布于大部分站址，層底埋深3.2 m～6.5 m，厚度0.6 m～3.3 m，平均厚度1.8 m。②-1層：黃土(粉土)，紅褐色，密實，稍濕，不具濕陷性。分布于整個站址，層底埋深4.1 m～10.7 m，厚0.9 m～5.0 m，平均厚2.9 m。②-2層：卵石，灰褐色，磨圓度中等，混大量粉質粘土及粗砂。層底埋深5.7 m～11.8 m，厚1.6 m～5.4 m，平均厚3.6 m(見圖1)。

上覆巖土體含四層基巖，具體如下：③-1層：泥巖，青灰～灰褐色，強風化，破碎，巖芯呈塊狀，為軟巖。層底埋深11.6 m～5.8 m，厚0.8 m～5.9 m，平均厚3.4 m。③-2層：砂巖，灰褐色，中風化，較完整，巖芯呈長柱狀，為軟質巖，層底埋深12.4 m～19.3 m，厚1.5 m～4.2 m，平均厚2.8 m。③-3層：泥巖，灰褐色，中風化，采空區及其影響區較破碎，其他區段較完整，巖芯呈柱狀，為軟質巖。層底埋深23.2 m～34.4 m，厚度10.2 m～19.0 m，平均厚15.5 m。③-4層：泥巖，灰褐色，中風化，軟巖。該層受采空區影響較破碎，節理裂隙發育，巖芯呈短柱狀及碎塊狀，鉆進過程中鉆機速度時快時慢，局部存在突然掉鉆的情況。層底埋深30.5 m～36.7 m，厚1.6 m～8.4 m，平均厚4.0 m。

覆巖破壞類型為三帶型，覆巖全部為可垮落巖層，以軟巖～較硬巖為主，覆巖破壞分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。煤層頂板垮落帶主要為③-4層泥巖，該層受采空區影響較破碎，節理裂隙發育，局部存在因垮落而形成的空洞。斷裂帶主要為垮落帶上部的③-3泥巖層，巖層產生斷裂和裂縫，但仍保持其原有層狀。彎曲帶主要為③-2層砂巖、③-1層泥巖及其上部的覆蓋層，為彎曲帶上部直至地表的巖土層，該部分巖層巖性較完整(見圖2)。

1.2 站址區采空區空間分布及特征

采空區的深度及平面分布范圍根據物探及鉆探的方式確定。在地質雷達初步探定的疑似采空區內及周邊采用鉆探驗證。站址區內針對3號煤共布設20個鉆孔(初設布孔7個，施工圖13個)，16個孔存在采空區(C2，C5，C15，C17，C20，S01，S02，S03，S05，S06，S07，S09，S10，S11，S12，S13鉆進過程中均存在掉鉆、鉆機速度不穩定等現象，且鉆進過程中均存在漏漿失漿情況)，見圖3。

2 采空區場地穩定性評價

2.1 開采條件判別

GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范規定[2]，對不規則、非充分采動等頂板垮落不充分、難以進行定量計算的采空區場地，可采用開采條件判別法進行定性評價。

上覆基巖以泥巖為主，夾有薄層砂巖。砂巖厚度1.5 m～4.2 m，小于5 m，屬GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范表12.1.3-3中“無堅硬巖層分布或為薄層或軟硬巖層互層狀分布”，對應穩定等級為“不穩定”。

采空區上部第四系覆蓋層厚度8.6 m～11.5 m，5≤松散層厚度≤30 m，按GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范表12.1.3-3中松散層厚度判別，對應穩定等級為“基本穩定”。

綜合判斷，場地穩定性等級為不穩定。

2.2 力平衡分析法

GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范條文說明12.3.10：當建筑物位于采空區影響范圍內時，應進行頂板穩定性分析，因其計算方法尚不成熟，故規范中未推薦計算公式。目前，國內外相關文獻中亦有采用力平衡分析法計算吉縣頂板穩定性的成功案例。

1)頂板穩定性計算:

(1)

其中，H為礦石頂板埋深，m；H01為臨界深度，m；φ為上覆地層平均內摩擦角，取φ=23.5°；a為巷道寬度的1/2，取2 m；當H1.5H01時，頂板穩定。

2)地基穩定性計算：

(2)

其中，H02為臨界深度，m；B為巷道寬度,m；φ為上覆地層平均內摩擦角，取φ=23.5°；γ為上覆地層平均容重，取γ=20.5 kN/m3；P0為建筑物基底單位壓力，取P0=200 kPa。

當H1.5H02時,地基穩定。房柱式開采煤層采空區巷道寬度依據張嶺煤礦所提供數據取4.0 m，經計算，房柱式開采煤層采空區H01=21.4 m；1.5H01=32.1 m；H02=28.6 m；1.5H02=42.9 m。站址區內各建筑物頂板埋深及地基穩定情況見表1。站址區穩定性情況綜合評價：采空區頂板穩定性差，地基穩定性差。

表1 頂板及地基穩定情況評價表

2.3 工程建設適宜性

GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范中12.3.1規定，采空區場地工程建設適宜性，應根據采空區場地穩定性、采空區與擬建工程的相互影響、擬采取的抗采動影響技術措施的難易程度、工程造價等進行劃分。

站址區采空區垮落不充分，存在地面發生非連續變形的可能，采空區剩余變形對擬建工程的影響大，處理難度大且造價高。依據GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范中表12.3.1判斷，采空區場地工程建設適宜性差。

3 結語

1)該變電站站址范圍下部3號煤層開采方式為不規則房柱式開采，采空區覆巖全部為可垮落巖層，覆巖破壞類型為三帶型，依次可分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。

2)站址范圍采空區垮落不充分，地表存在非連續變形的可能性。按力平衡分析法進行穩定性評價，判別結果為“頂板穩定性差，地基穩定性差”；按開采條件判別法進行定性評價，對應穩定等級為“不穩定”；按松散層厚度判別，對應穩定等級為“基本穩定”。綜合判斷，場地穩定性等級為不穩定。采空區場地工程建設適宜性差。