基于陽泉-盂縣高速公路工程煤礦采空區工程地質穩定性分析研究

馬亞坤

(河北銳馳交通工程咨詢有限公司 石家莊市 050021)

1 工程概況

陽泉-盂縣高速公路位于山西省中東部陽泉市境內，途徑平定縣、盂縣等。項目起于平定縣維社鄉南，終于前元吉村南設盂縣互通，如圖1所示。

圖1 陽泉-盂縣地理交通位置示意圖

通過現場地質勘探初步確定本項目采空區長度約6.055km，其中鋁土礦采空區長度3.095km，硫鐵礦采空區長度0.09km，煤礦采空區長度2.870km。

2 現場鉆探取芯

本項目通過地質勘探確定采空區范圍，并現場在采空區范圍內取芯。通過現場取芯確定采空區范圍內相關物理力學參數；通過點載荷試驗確定采空區內層狀分布特點。

3 煤礦采空區地表移動時間效應分析

3.1 煤礦采空區地表移動延續時間計算

對于煤礦區內，對煤層進行開采后，導致煤礦覆蓋巖層在自重的影響下，產生彎曲、變形、裂縫，同時向四周移動，隨著對煤層不斷的開采，在達到一定范圍后，煤礦覆蓋巖層產生較大位移，最終導致地表發生裂縫、變形等變化。當煤層地質情況存在傾斜或者緩傾斜狀況，通過現場地質勘察，煤層區地表在6個月內，沉降量小于3cm，則可以確定該煤礦覆蓋巖層的位移已停止[1-2]。

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，對于礦區內無地質勘探、采空區內探測解析及相關試驗分析等相關地質資料，可依據公式(1)對地表移動延續時間進行初步計算：

T=2.5H0

(1)

式中：T為地表移動延續時間(d)；

H0為工作面平均采深(m)。

對于本項目煤礦采空區段初步計算地表移動延續時間：

(1)H0為40m時，T=2.5×40=100d。

(2)H0為50m時，T=2.5×50=125d。

(3)H0為60m時，T=2.5×60=150d。

3.2 地表移動延續時間與實際回采時間對比分析

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(國家煤炭工業局制定，2000年5月)初步計算該項目地表移動延續時間均在1年內，而本項目煤礦區于2003年停止采礦，該煤礦區距該項目實施7年有余，大大地超出地表移動延續時間，由此可判定該項目煤礦采空區地表移動已停止。

但是依據波蘭采空區文獻資料[3-4]，煤礦采空區需要在10年之后，地表移動才停止。該項目為保證施工安全性，需要進一步分析煤礦采空區地表穩定性。

4 煤礦采空區覆巖“三帶”范圍計算分析

4.1 煤礦采空區覆巖“三帶”及其劃分

對于煤礦區內，對煤層進行開采后，導致煤礦覆蓋巖層在自重的影響下，產生彎曲、變形、裂縫，同時向四周移動，隨著對煤層不斷的開采，在達到一定范圍后，煤礦覆蓋巖層產生較大位移，最終導致地表發生裂縫、變形等變化，對于煤礦覆蓋巖層由下到上依次為：垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶[5-7]，如圖2所示。

圖2 采空區覆巖破壞“三帶”示意圖

(1)垮落帶

該地帶緊鄰采空區上區，屬于采空區頂板巖層，受自重及上覆巖層重力的壓力遠超自身抗拉強度時，導致采空區上區的覆巖層重發生裂縫、分裂破碎，最終形成垮落帶。

垮落帶的表面發生分裂破碎向上延伸，在采礦過程中，當采出的煤礦體積與覆巖層因碎脹而產生的體積一致時，采空區上區就會形成相對平衡的巖體，巖層碎落過程終止。

(2)裂隙帶

該地帶緊鄰垮落帶，在受自重及應力的作用大于自身抗拉強度時，同樣產生裂縫。分層及分裂，在此空間仍然存在巖層分層關系。

該地帶所承受的自重及應力，導致巖層發生裂縫，使巖層喪失了本身的完整性。

(3)彎曲帶

該地帶緊鄰裂隙帶，在受自重及應力作用下，僅僅使巖體產生微弱的變形，巖層整體未發生分裂，但巖層出現較緩的彎曲變形。

該地帶的巖層整體性較好，不存在破裂現象，但是在自重及應力作用下，仍然存在導致巖層構造斷裂的危險因素，進而導致對本項目的施工安全存在危險。

4.2 煤礦采空區覆巖“三帶”范圍計算

對煤礦進行回采后，煤礦采空區的上空形成覆巖“三帶”，依次為：垮落帶、裂隙帶和彎曲帶。

其中垮落帶和裂隙帶由于受自重及上覆巖層重力的壓力大于自身所能承受的抗拉強度，兩地帶均屬于危險區，其自身所能承受的強度嚴重降低。但是兩地帶巖層的移動分裂過程是連續的且有規律，同時在能保證該巖層的完整性及分層結構的情況下，很難產生離層分裂，因此在垂直界面內，各個巖層的位移移動值就相對較小[8-9]。

本項目按照地質勘探結果，將采空區覆巖層定為中硬巖，則垮落帶的最大垂直高度：

(2)

式中，∑M為累計采厚，m。

陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區上覆巖層“三帶”計算：

(1)垮落帶最大高度

(2)裂隙帶最大垂直高度

(3)

式中，∑M為累計采厚，m。

(3)裂隙帶高度

陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區裂隙帶最大厚度為41.6m，根據地勘資料及取芯情況分析，煤礦采空區上覆巖層厚度在5～40m，說明該地帶的煤礦采空區上覆巖層全部受到擾動破壞。

由此可見，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區的穩定性較差。

5 煤礦采空區頂板及路基穩定性評價

5.1 煤礦采空區穩定性評價

根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)的要求，采深/采厚>30的建筑物，當地表已穩定時，可不需要進行穩定性分析評價；深/采厚<30的建筑物，需要結合建筑物的基底壓應力、煤礦采空區的埋深范圍和采空區的上覆巖層的地質情況等，對采空區進行穩定性分析評價。

本項目依據地質情況報告，煤礦采空區埋深約5～40m，開采厚度約2.5m，其采深/采厚約2～16小于30，由此可判斷陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區場地的地基穩定性差。

5.2 煤礦采空區頂板穩定性分析

(4)

式中，H—礦石頂板埋深(m)；

H0—臨界深度(m)；

φ—上覆地層平均內摩擦角取φ=55°；

a—巷道寬度的一半(m)，取a=2m。

當H1.5H0時，頂板穩定。經計算得，H0=28.2m，1.5H0=42.3m。

根據地勘資料及取芯情況分析，煤礦采空區上覆巖層厚度在5～40m，由此可見，該煤礦采空區頂板的穩定性較差。

5.3 高速公路地基穩定性分析

依據《工程地質手冊》采空區場地穩定性評價中：“當建筑物已建在影響范圍以內時，可按下式驗算地基的穩定性”：

(5)

式中，H0—臨界深度(m)；

B—巷道寬度(m)，取B=4m；

φ—上覆地層平均內摩擦角，取φ=55°；

γ—上覆地層平均容重，取γ=2.5t/m3；

P0—建筑物基底單位壓力，取P0=15t/m3。

當H1.5H0時，地基穩定。

經計算得H0=33.2m，1.5H0=49.9m。

根據地勘資料及取芯情況分析，煤礦采空區上覆巖層厚度在5～40m，由此可見，該煤礦采空區的地基的穩定性較差。

結合工程施工經驗，由于建筑物的自重一定，對地基的擾動也是有限的。煤礦采空區的覆巖層本身存在一定的分裂狀態，在沒有建筑物的荷載下，其采空區存在較好的穩定性，但是當增加建筑物，對煤礦采空區的覆巖層增加額外的荷載，有很大的可能對其采空區破壞其應力平衡，進而產生坍塌事故。

通過實地考察、地質勘探、采空區內探測解析及相關試驗分析，并結合煤礦采空區地表移動延續時間、煤礦采空區覆巖“三帶”范圍計算分析、煤礦采空區頂板及路基穩定性評價，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區上覆巖層存在不穩定性狀態，需要對其進行補強加固，以保障陽盂高速公路的安全施工和通車后的安全運營。

6 結論

通過實地考察、地質勘探、采空區內探測解析及相關試驗分析，并結合煤礦采空區地表移動延續時間、煤礦采空區覆巖“三帶”范圍計算分析、煤礦采空區頂板及路基穩定性評價，得出：

(1)依據現行規范，對煤礦采空區地表移動延續時間進行了分析評價，同時對該采空區的覆巖“三帶”進行了分析與計算，由此得出，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區上覆巖層穩定性較差。

(2)依據地基荷載傳遞原理，對本項目的煤礦采空區頂板及路基穩定性分析評價，由此得出，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區上覆巖層穩定性較差。

綜上所述，陽盂高速公路煤礦采空區覆巖在受到建筑物荷載的擾動下，需要對其進行補強加固措施，以保障陽盂高速公路的安全施工和通車后的安全運營。