煤礦采空區場地穩定性評價

司冬冬

摘 要：文章以省道323新密關口至登封張莊（K24+100～ K30+230）段煤礦采空區為主要研究對象，通過搜集采空區資料和現場勘查，根據采空區特征、地面及已有建筑物的變形和破壞情況、采空區覆巖變形規律及采空區場地地表變形規律、地面變形特征、持續時間、影響范圍、附加應力影響深度、活化因素及地表剩余移動變形預計等因素進行綜合定性、定量分析，判斷不同區段采空區處于穩定性、基本穩定還是不穩定階段。

關鍵詞：煤礦采空區;覆巖變形;地表變形;場地穩定性

1? ? 工程概況

省道323線新密關口至登封張莊段改建工程，位于新密市平陌鎮南約600 m的桑家莊至登封市大冶鎮東南約1.5 km的橋板河村，該工程的K24+100～K30+230段位于老采空區場地上，局部壓覆資源將來可能開采，分析該場地采空區穩定性，以保障改建工程的質量和安全。

2? ? 研究區地質背景

2.1? 氣象、水文

改建場地所在地區屬大陸半干旱型季風氣候區。夏、秋兩季炎熱多雨，冬、春兩季寒冷干燥。年降雨量為416.50?1102.90 mm，年平均降雨量為624.35 mm，降雨多集中在7?9月份，約占全年降雨量的65%。

2.2? 地形地貌

改建場地位于登封市大冶鎮東南部，整體地勢呈東南高、西北低，屬低山丘陵地貌。改建場地東側為通往大冶鎮的鄉村公路，場地內地形起伏較大，中部的橋板河地勢相對較低，地表標高在 280?300 m。

3? ? 采空區覆巖變形破壞規律分析

地下煤層采出后形成采空區，隨著煤層開采的不斷進行，采空區范圍不斷擴大，采空區頂板巖體則會逐漸變形、開裂和破碎，冒落堆積在采空區，形成“冒落帶”，隨著冒落不斷堆積，堆積物將被逐漸壓密。同時，在“冒落帶”的上方將形成一定厚度的“裂隙帶”。該裂隙帶向上發展直至地表會形成“整體移動帶”或“彎曲下沉帶”。其下沉會基本保持帶內巖土層的完整性，在地表形成一個比采空區范圍大的地面塌陷區。冒落帶、裂隙帶和整體移動帶三帶的產生和發展就是煤礦采空區地面塌陷的形成過程。采用煤柱法管理頂板時，若所留煤柱能夠支撐住頂板，盡管開采部分的頂板局部冒落，導水裂隙帶還能孤立存在且高度很小。如果所留煤柱太窄，煤柱會被壓垮，此時的覆巖破壞高度與全陷法無異。

3.1? 改建場地采空區覆巖三帶的空間輪廓形狀

冒落帶、裂隙帶和彎曲帶的空間輪廓、形狀與被開采的煤層傾角有關：當0°≤α≤35° 時，冒落帶邊界位于采空區上方、開采邊界內，上邊界與巖層面大致平行，冒落帶高度基本相同。當36°≤α≤54°時，采空區上端冒落裂隙帶高度大于下端。當55°≤α≤90°時，冒落裂隙帶上邊緣急劇向上發展，遠高于采空區上邊界。

改建場地下大部分區域煤層傾角在10°～33°，屬緩傾斜煤層，形成高度基本相同的冒落裂隙帶。

3.2? 采空區類型

改建場地下大平、宏達、隆錦隆煤礦的二1煤采空區為正規開采，其余地方小窯為非正規開采。頂板管理方法為自然垮落法，采空區局部已垮落，但未完全壓密，且由于煤柱及坑木的支撐作用，不排除局部存在殘留空洞可能性，因此，屬非充分采動頂板垮落不充分的采空區。

4? ? 采空區場地地表變形基本規律分析

4.1? 地表移動和變形規律

4.1.1? 地表移動盆地

在開采影響波及地表以后，受采動影響的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區上方地表形成一個比采空區面積大得多的沉陷區域，稱為地表移動盆地或下沉盆地。描述地表移動盆地內移動和變形的指標一般用：下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形。

4.1.2? 裂縫及臺階

在地表移動盆地的外邊緣區，地表可能產生裂縫。裂縫深度和寬度，與有無第四系松散層及其厚度、性質和變形值大小有關。若第四系松散層為塑性大的粘性土，一般在地表拉伸變形值大于6～10 mm/m時，地表才發生裂縫。塑性小的砂質粘土、粘土質砂等，地表拉伸變形值在2～3 mm/m時，地表即可發生裂縫。

4.1.3? 塌陷坑

塌陷坑多出現在下列開采條件及地質條件下：（1）采深很小、采厚很大、房柱式開采或長壁式開采，采厚不均勻，地表可能出現漏斗狀塌陷坑;（2）含水松散層下開采時，開采上限過高，會在地表引起漏斗狀塌陷坑;（3）急傾斜煤層開采時，煤層露頭附近地表也會出現漏斗狀塌陷坑。

建設工程場地下部煤層采深小、采厚很大，局部采深采厚比遠小于30，且多為分層重復開采，因此，其地表移動和變形是不連續的，沒有嚴格的規律性，地表可能出現較大的裂縫或塌陷坑。根據現場調查，場地內有明顯臺階和裂縫，臺階最大高度約為1.5 m。由于改建場地近期人類工程活動較多，地形地貌變化較大，工程建設時發現多條裂縫，均已處理。

4.2? 地表移動的持續時間

（1）初始期：地表下沉10 mm時為移動期的開始時間，其后地表下沉速度小于50 mm/月（煤層傾角﹤45?）或地表下沉速度小于30 mm/月（煤層傾角﹥45?）。（2）活躍期：地表移動延續時間內，下沉速度大于50 mm/月（煤層傾角﹤45?）或下沉速度大于30 mm/月（煤層傾角﹥45?）。（3）衰退期：活躍期結束后即進入衰退期。

地表沉降趨于穩定的標準是連續觀測6個月，地表各點的累計下沉值均小于30 mm（即地表移動持續時間衰退期），這一穩定稱為初始穩定，已完成的地表變形稱為初始變形（初始沉降），以后發生的地表變形稱為剩余變形（剩余沉降）。一般將尚未進入衰退期的采空區稱為不穩定采空區，將進入衰退期的采空區稱為穩定采空區或相對穩定采空區。根據采空區終采時間及采深按表1計算，并結合甲方提供的沉降觀測記錄可知，K24+960～K25+260、K26+355～K27+890、K27+865～K28+610段下部采空區還未進入穩定狀態，其他路段的采空區引起的地表常規變形已結束。

5? ? 采空區穩定性分析與評價

根據收集的采礦資料、采空區勘查、工程地質調查及地表變形估算等工作成果，參照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB 51044—2014），按照表2綜合判斷，可將評價范圍按采空區場地的穩定性劃分為穩定、基本穩定和不穩定3個等級，如表2所示。

（1）根據分析，K24+960～K25+260（采空區Ⅰ影響范圍）處于基本穩定區，地面已有的開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑基本穩定，有發生不連續變形的隱患，主要根據以下幾個方面進行分析：①評判因素：判斷數據;②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地質構造：斷層、褶皺發育，節理、裂隙極發育;④地表松散層：質地松軟，含水豐富，厚度<10 m;⑤覆巖特征：厚度小，完整性差，強度低;煤層傾角：25°～45°;⑥采區回采率>60%;⑦采空區埋深：28～90 m;⑧開采厚度：9.00 m;⑨開采深厚比：3～10;⑩開采層數：單層;頂板管理方法：垮落式;停采時間：2014年;采動效應：地面已有的開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑基本穩定，有發生不連續變形的隱患。綜上所述，結論是基本穩定。

（2）K26+390～K27+855段（采空區Ⅱ影響范圍）剛剛結束回采，正在發生不連續變形，地面出現開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑，且處于活躍階段，處于不穩定區。該區域將于2018年1月進入初始穩定狀態，主要根據以下幾個方面進行分析：①評判因素：判斷數據;②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地質構造：斷層、褶皺發育，節理、裂隙極發育;④地表松散層：質地松軟，含水豐富，厚度10～30 m;⑤覆巖特征：厚度中等，完整性較好，強度較高;煤層傾角：25°～45°;⑥采區回采率>60%;⑦采空區埋深：280～300 m;⑧開采厚度：4.5 m;⑨開采深厚比：60～67;⑩開采層數：單層;頂板管理方法：垮落式;停采時間：2015年7月;采動效應：路面發生不連續變形，出現塌陷坑、臺階狀裂縫，邊坡失穩、坡腳隆起和涵洞伸縮縫變形。綜上所述，結論是不穩定。

（3）K27+865～K28+610段（采空區Ⅲ影響范圍）處于不穩定區，正在發生不連續變形，地面出現開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑，且處于發展、活躍階段，根據該區域將在煤層開采結束后3.37年進入初始穩定狀態。其他路段采空區處于穩定狀態，主要根據以下幾個方面進行分析：①評判因素：判斷數據;②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地質構造：斷層、褶皺發育，節理、裂隙極發育;④地表松散層：質地松軟，含水豐富，厚度10～30 m;⑤覆巖特征：厚度中等，完整性較好，強度較高;煤層傾角：25°～45°;⑥采區回采率>75%;⑦采空區埋深：360～450 m;⑧開采厚度：6.0 m;⑨開采深厚比：60～90;⑩開采層數：單層;頂板管理方法：垮落式;停采時間：正在開采;采動效應：路面發生不連續變形，出現塌陷坑、臺階狀裂縫，邊坡失穩、坡腳隆起和涵洞伸縮縫變形。綜上所述，結論是不穩定。

6? ? 結語

（1）查明改建場地位于新密煤田西部，大冶向斜南翼西段，井田內共發育大于10 m的斷層16條，礦井生產中揭露小于10 m的斷層100條。改建場地及外圍附近無全新活動斷裂，地震活動性不強，地震災害皆來自鄰區影響，改建場地區域地殼穩定。（2）查明改建K24+960～K25+260段下伏有隆錦隆煤礦采空區，采空區編號為Ⅰ，其形成時間為2013—2014年，于2016年1月進入基本穩定狀態;改建K26+355～K27+890段下伏有大平煤礦采空區，采空區編號為Ⅱ，其形成時間為2014年7月—2015年7月，將于2018年1月進入基本穩定狀態;改建K27+865～K28+610段下伏有大平煤礦采空區，采空區編號為Ⅲ，其開采時間為2015年5月至今，且目前仍在進行開采活動，預計將于停采后3.37年進入基本穩定狀態。其余采空區形成時間較早，處于穩定狀態。（3）根據采空區特征、地面及已有建筑物的變形和破壞情況、地面變形特征、持續時間、影響范圍、附加應力影響深度、活化因素及地表剩余移動變形預計等因素綜合定性、定量分析，查明K24+100～K24+965段、K25+257～ K26+460段、K27+750～K27+990段和K28+535～K30+230段已有的開裂、臺階狀裂縫和塌陷坑基本穩定，有發生不連續變形的隱患，采空區處于基本穩定狀態，工程建設基本適宜;K24+965～K25+257段、K26+460～K27+750段和K27+990～K28+535段會發生不連續變形，出現塌陷坑、臺階狀裂縫、邊坡失穩、坡腳隆起和涵洞伸縮縫變形，處于不穩定狀態，工程建設適宜性差。

[參考文獻]

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