傾斜/急傾斜煤層采空區輸氣管道工程場地穩定性評價

鐘儲漢

中石化石油工程設計有限公司，山東東營 257026

某輸氣管道工程穿越煤礦采空區，該區域場地位于廣東省，地形地貌主要為丘陵，標高約為120～350 m，場地下覆采空區對擬建管道的建設和運營構成了較大的危險，因此必須對采空區穩定性進行評價。

1 自然條件和地質概況

擬建管道水平長度約為7.1 km，采空區場地穩定性評價范圍為擬建管道兩側各200 m，采空區場地穩定性評價位置見圖1，管道中線兩側場地植被較發育，低洼地段種植水稻及經濟作物，并分布少量魚塘。

圖1 某煤礦采空區輸氣管道工程穩定性評價位置

采空區場地地層由老到新出露有二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系地層，第四系厚度約0～10 m，表層為雜填土，下部為粉質黏土、黏土，與下伏基巖地層呈不整合接觸。區內地層走向呈北西南東方向，自茶山南區延展至鉤嘴嶺急速呈90° 折向東。向北復又呈北西南東向延出本區，與花坪、云頂區相聯。地層呈急傾斜并進而在深部出現倒轉，同時又在鉤嘴嶺一帶因地層走向的變化產生了明顯的褶曲。場地所在區含煤地層主要為二疊系龍潭組地層，自下而上可分為：無煤段（P2L1）、云煤段（P2L2）、余煤段（P2L3）、海相層（P2L4）、東煤段（P2L5）五個巖性段。采空區場地的基巖地質見圖2。

圖2 采空區場地基巖地質

2 采空區情況

采空區場地下方共分布有21#、16#、15#、12#、11#、10#、7#、6#、4#、A#共 10 層煤采空區，見表 1。

表1 10層煤采空區情況一覽

3 采空區場地變形規律

3.1 采空區場地覆巖變形破壞規律

煤層采出后，在采空區周圍的巖層中發生了較為復雜的移動和變形，按其破壞程度，可將移動穩定后的巖層大致分為3個不同的開采影響帶，即垮落帶Ⅰ、斷裂帶Ⅱ、彎曲帶Ⅲ[1]，如圖3所示。垮落帶Ⅰ、斷裂帶Ⅱ和彎曲帶Ⅲ的空間輪廓主要受煤層傾角α大小的影響，見圖4。

圖3 采空區上覆巖層內移動分帶示意

圖4 垮落帶、斷裂帶和彎曲帶的空間輪廓

采空區場地位于山區，地表起伏較大，松散層厚約0～10 m。采空區場地下方各煤層傾角較大，屬傾斜/急傾斜煤層采空區，各煤層采空區在煤層露頭位置，尤其是煤層傾角大于55°的急傾斜采空區分布區發生不連續變形的可能性大，其他區段地表移動變形為連續變形。

3.2 采空區地表剩余變形預測

根據規范[2]及類似采空區場地經驗，綜合考慮采空區回采情況，考慮覆巖巖性，選取的現狀地面變形計算參數為：下沉系數0.85，影響角正切值2.2，水平移動系數0.25。采空區場地已發生的最大地表變形估算值見表2。

表2 截至2018年7月采空區場地已發生的最大地表變形值

采空區場地已發生的地表下沉值為0～4 800mm，場地剩余下沉值為0～90 mm，剩余傾斜為0.1～2.5 mm/m，剩余水平變形為0～1.8 mm/m，剩余曲率為0～0.18×10-3/m，采空區場地剩余最大地表變形值見表3。

表3 采空區場地剩余最大地表變形值

3.3 地表移動的持續時間

地表移動的持續時間T可按以下方法確定[2]：即一般可根據最大下沉點的下沉曲線和下沉速度曲線求得。其發生和發展規律一般可劃分為四個階段：初始期、活躍期、衰退期、殘余變形期，見圖5。

圖5 地表移動延續時間的確定方法

（1）當根據最大下沉點的下沉量、下沉速度與時間關系曲線確定地表移動延續時間T時，可按下列方法確定：第一，下沉10 mm時為移動期開始的時間。第二，連續6個月累計下沉值不超過30 mm時，可認為地表移動期結束。第三，從地表移動期開始到結束的整個時間為地表移動的延續時間。第四，在地表移動過程的延續時間內，當煤層傾角＜55°時，地表下沉速度＞50 mm/月（1.7 mm/d），或當煤層傾角≥55°時，地表下沉速度＞30 mm/月（1.0 mm/d） 的時間可劃為活躍期，從地表移動期開始到活躍期開始的階段可劃為初始期，從活躍期結束到移動期結束的階段可劃為衰退期。

（2）無實測資料時，地表移動的延續時間T（計量單位為d）可根據下式計算：

當H≤400 m時：T=2.5H

當H＞400 m時：T=1 000 exp（1-400/H）式中：H為工作面平均采深，m。

采空區場地附近采空區的最大采深為510 m，最晚開采時間為2005年。因此：T=1 000 exp（1-400/H） =1 000 exp（1-400/510） =1 244 （d）（約3年零5個月）。地表移動延續時間約為3年零5個月，而采空區場地的最遲開采時間為2005年，距今已超過13年，因此從時間上評價，采空區場地的穩定性等級為穩定。

3.4 采空區影響范圍

地表移動盆地一般有三個邊界，即移動盆地的最外邊界、危險移動邊界及裂縫邊界，相對應的角值參數為邊界角、移動角及裂縫角。移動盆地最外邊界是以地表移動和變形都為零的盆地邊界點所圈定的邊界，由儀器觀測確定，考慮到觀測誤差，一般以10 mm的下沉等高線為移動盆地的邊界線[1]。危險移動邊界是以盆地內的地表移動與變形對建筑物有無危害而劃分的邊界[3]，一般取一組臨界變形值來確定，如傾斜變形i=3 mm/m，曲率變形K=0.2×10-3/m，水平變形ε=2 mm/m。裂縫邊界是根據移動盆地內最外側的裂縫圈定的邊界來確定。

采空區穩定性評價主要考慮采空區對建筑物的危害，因此對老采空區一般采用移動角圈定采空區影響范圍，對新采空區以邊界角圈定采空區影響范圍。本次評價采用的移動角和邊界角參數的選取主要參考規范[4]及類似采空區場地的經驗。移動角：走向移動角δ=65°，上山移動角γ=75°，下山移動角β=70°，松散層移動角ψ=45°；邊界角：走向邊界角δ0=60°，上山邊界角γ0=65°，下山邊界角β0=60°。按照上述確定的角量參數，利用地質剖面圖作圖的方法，繪制出煤礦開采對采空區場地的影響界線（見圖6）。

4 采空區場地穩定性評價

本次評價采用開采條件判別法和地表剩余移動判別法評價采空區場地的穩定性。

4.1 開采條件判別法

本次評價以采空區終采時間和采空區埋深與垮落斷裂帶的對應關系作為主要因素，結合地表變形移動特征，評價采空區場地的穩定性。

（1）按終采時間評價。根據規范[2]，按終采時間評價的采空區穩定性見表4。采空區場地下方21#、11#、7#煤層頂板為泥巖，屬于軟弱覆巖；16#、15#、12#、10#、6#、4#煤層頂板為砂巖或粉砂巖，屬于較硬覆巖。采空區場地下煤礦開采活動于2005年全部關停。至今，終采時間已超過13年，按終采時間判別，采空區場地下各煤層采空區屬于穩定的采空區。

圖6 采空區場地采空區影響范圍

表4 按終采時間確定的頂板垮落充分的采空區場地穩定性等級

（2）按采深及垮落斷裂帶高度判別。煤層開采后，上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶[1]。垮落斷裂帶巖體破碎，裂隙發育，當垮落斷裂帶的發育高度大于采深，影響至地表，對擬建輸氣管道的影響大，場地不穩定；垮落斷裂帶高度小于采深，距地表有一定距離，綜合考慮采空區的特征，采空區埋深＜50 m時，場地屬于淺埋采空區，采空區對擬建輸氣管道的影響中等，場地為基本穩定；當垮落斷裂帶高度小于采深，采空區埋深＞50m時，采空區對擬建輸氣管道的影響小，場地為穩定場地，評價標準見表5。垮落斷裂帶高度的確定可根據表6和表7給出的公式計算[2]。

表5 按采深及垮落斷裂帶高度確定采空區場地穩定性等級

表6 傾角α＜55°的厚層煤分層開采的垮落斷裂帶最大高度計算公式

表7 急傾斜礦層開采垮落帶和垮落斷裂帶最大高度計算公式

采空區場地下方21#、11#、7#煤層頂板為泥巖，屬軟巖（10 MPa≤fr＜20 MPa）；采空區場地南側，地層倒轉，21#煤層頂板為粉砂巖（20 MPa≤fr＜40 MPa），16#、15#、12#、10#、7#、6#、4#煤層頂板為砂巖或粉砂巖，屬中硬巖（20 MPa≤fr＜40 MPa），根據表5和表6計算的采空區場地內各煤層采空區的垮落斷裂帶高度見表8。

（3）按地表移動變形特征評價。根據規范[2]，可按地表移動變形特征定性評價采空區場地的穩定性，評價標準見表9。采空區場地下各煤層屬傾斜/急傾斜煤層，現場調查沿管道中線未發現地面有明顯的塌陷坑、臺階、地裂縫等變形，分析認為各煤層采空區露頭位置（尤其是煤層傾角＞55°的急傾斜采空區分布區）發生不連續變形的可能性大，該區段采空區場地穩定性等級為不穩定，其他區段地表移動變形為連續變形，采空區埋深＜50 m時，場地穩定性為基本穩定，采空區埋深＞50 m時，場地穩定性為穩定。

表8 采空區場地采空區垮落斷裂帶高度計算結果

表9 按地表移動變形特征確定采空區場地穩定性等級

4.2 按地表剩余移動變形值評價

當采空區地表變形為非連續變形時，不適合按地表剩余移動變形值進行場地穩定性評價。而當采空區地表變形為連續變形時，可采用地表剩余移動變形值進行場地穩定性評價。本次評價計算了采空區場地發生連續變形區段的地表剩余移動變形值[5]：采空區場地（連續變形區域） 剩余下沉0～90mm，剩余傾斜0.1～2.5mm/m，剩余水平變形0～1.8mm/m，剩余曲率0～0.18×10-3/m。煤層采空區各連續變形采空區場地的穩定性等級為穩定。

4.3 場地穩定性綜合評價

本次評價采用開采條件判別法和地表移動變形判別法評價了采空區場地的穩定性，根據評價結果，采空區場地可劃分為穩定區（W1～W18）、基本穩定區（J1～J7）和不穩定區（B1～B21）三個大區，共46個小區，其分布見圖7（圖中各區塊的具體編號略）。

圖7 采空區場地穩定性分區

5 結束語

本文應用開采條件法和地表剩余移動變形值法對采空區穩定性進行了綜合評價。規范[2]認為傾角＞55°的厚煤層淺埋及露頭地段宜劃分為不穩定地段。本文在開采條件法中采用了按采深及垮落斷裂帶高度判別法對淺埋區（采空區埋深＜50m）的穩定性進行進一步判別，當垮落斷裂帶的發育高度大于采深，影響至地表時，則對擬建輸氣管道的影響大，場地不穩定；當垮落斷裂帶高度小于采深，距地表有一定距離時，則綜合考慮了采空區的特征，當采空區埋深＜50m時，場地屬于淺埋采空區，采空區對擬建輸氣管道的影響中等，場地為基本穩定。利用該評價方法判斷了目前的21個采空區，認為處于不穩定狀態。本文的評價工作使得采空區穩定性判別結果更加精細，本文的評價方法可以為其他地區傾斜/急傾斜煤層采空區的穩定性評價提供借鑒。