煤礦采空區對隧道的安全性影響分析

楊曉達,聞 磊

(石家莊鐵道大學, 河北 石家莊 050043)

0 引 言

當開采空間到達一定范圍后,地表下沉值達到最大值,它不再隨開采長度(寬度)的增大而增大時,叫做充分采動。開采沿走向和傾斜長度達到0.9～2.2倍平均采深(礦體傾斜方向的中部距地表高)時為充分采動,這一數值隨覆巖穩固程度的增加而增大,少數最穩固的覆巖達到充分采動所要求的開采長度可達3倍平均采深。

按照煤礦采空區與隧道的位置關系,可分為老采空區位于隧道上方和下方2種情況,都屬充分采動。當空區位于隧道上方時,采動后引起的巖層移動主要在空區的上方,不會對空區下面的隧道產生影響。當空區位于隧道正下方時,如采空區不能自穩發生冒落,會引起上覆巖層塌落或者地表沉降,從而對隧道產生不利影響。根據對老煤礦采空區的穩定性分析,充分采動后的空區無法自穩,頂板會發生垮冒,直至冒落巖塊填滿空區。本文按最不利情況即隧道正下方的空區完全垮冒充填空區后是否對隧道造成影響進行了預測。

1 隧道與煤礦空間位置關系

隧道備選方案K線和D線自北向南從煤礦礦區中間穿過,將礦區劃分為東西兩塊。隧道進口至ZK66＋600段,礦山開采煤層位于隧道上方,ZK66＋600至隧道出口段,開采煤層位于隧道下方。其中,D線相對于K線,隧道進口至ZK67＋230位置不變,出口位置北移約100 m。由于礦山進行多年的開采,隧道周邊分布有一定規模老采空區,其空區的分布與該隧道的關系：

(1)進口至ZK66＋600段。該段屬礦區規劃開采的二盤區,煤層位于該段的上方,二盤區在隧道施工前屬技改礦區,由于隧道施工,二盤區目前未進行技改和開采,原開采形成的老采空區位于隧道上方,經現場調查,二盤區＋700 m以上煤層已基本采完,原運輸巷道距隧頂部12～15 m,采空區距隧道頂部厚約25.60～76.40 m。

(2)ZK66＋600至出口段。該段少部分屬礦區規劃開采的二盤區,大部分位于一盤區內,與F1斷層近垂直相交,煤層賦存于隧道下方,經設計變更,一盤區為技改礦區,目前,未形成完整的開拓系統,原開采形成的老采空區位于隧道下方,距隧道底板約70～85 m,經調查和現場問詢,一盤區＋650 m以上煤層已基本采完。

2 應用三帶理論預計裂隙帶高度

礦體采出后,在采空區周邊巖體中產生復雜的位移和形變,不再移動后的頂板巖體按其破壞程度大小,可將開采影響帶分成3部分,即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶,見圖1,求出三帶高度之和,便可計算出安全開采深度。

圖1 采場頂板巖層變形分帶

2.1 冒落帶高度的預計與計算

當礦體傾角小于巖石的 自然休止角時,計算公式為：

式中,M為開采法線厚度;α為礦體傾角;K為碎脹系數。

采用公式(1)時,K值的確定很重要,因為采用不同的K值,冒落帶高度差別非常大。覆巖強度越低,系數選取越小。

上面所討論的前提是冒落帶高度與采厚成正比,實際上二者不成正比,采厚大的煤礦冒高與采厚的比值趨于減小,因此,用上述方法預計的冒落帶高度有較大的安全系數。根據煤礦采用崩落法充分采動的資料統計,得出計算冒落帶的方式：在極不充分采動條件下,覆巖冒落量更小或不發生冒落,冒落帶的高度通常小于等于采厚的2.5倍。當礦體傾角大于55°時,堅硬的覆巖可采用公式(2)計算：

2.2 裂隙帶高度的預計與計算

依據相關規范,得出急傾斜礦體在正常地質條件下經過充分采動,不同巖體裂隙帶最大高度H裂的計算：

堅硬覆巖：

中硬和軟弱覆巖：

式中,M為開采法線厚度,m;H為開采垂高,m;H裂為冒落帶與裂隙帶的高度之和,m。

2.3 彎曲帶高度預計

通常將覆巖彎曲沉降對建筑物產生影響所涉及的高度計為彎曲帶的高度,塑性強的巖體在充分采動時,彎曲帶高度往往大于H裂的幾十倍,甚至上百倍,中穩以上的巖體則要小得多,現階段對彎曲帶的高度研究還很不充分,非煤礦山一般只注意地表是否塌陷,冒落能否到達地表,或地表是否出現過多裂縫,一般的緩慢下沉,由于它對構筑物的危害程度較小,且可通過觀測來指導搬遷工作,故對其不予重視。

2.4 計算結果與分析

按充分采動的情況分析采空區覆巖的冒落帶和裂隙帶高度,煤層傾角9°。計算結果見表1。

巖石碎脹系數K取1.2,覆巖的冒落高度2.5～5.1 m,產生的裂隙帶高度17.0～24.8 m。根據煤層與隧道之間的巖層厚度分析得出,K線ZK66＋993至ZK67＋555段,D線ZK66＋993至ZK67＋466段煤層與隧道垂直距離大于40 m,空區引起的覆巖破壞不會波及隧道,K線ZK67＋555至隧道出口段,D線ZK67＋466至隧道出口段煤層與隧道垂直距離小于40 m,空區引起的巖層移動可能會波及隧道。

表1 覆巖冒落帶、裂隙帶高度計算結果

3 洞穴頂板坍塌堵塞估算法

該方法適用于頂板風化嚴重,裂隙發育的情況,頂板塌落時,巖體體積松漲,當坍塌至特定高度,空區被完全填滿,頂板就不再塌落,塌落高度加上合適的安全系數,即為頂板的安全厚度。

坍塌高度h1可用下式估算：

若空區為棱柱體,則：

若空區為柱體,則得：

式中,h0為空區原高度;h1為坍塌的巖體高度。

分析以上2個公式以及頂板受力情況可以認為,坍塌所需高度只需按柱體坍塌考慮即可滿足安全要求,即非完整巖層頂板的厚度大于空區高度的5倍時是安全的。若h1以上還有荷載,則應加上承受荷載所需要的頂板厚度,才是空區頂板的安全厚度。

根據洞穴頂板坍塌堵塞估算法分析煤礦采空區失穩后的塌落高度,按碎脹系數K＝1.2計算,見表2。

目前礦山井下空區高度一般為0.5～1.0 m,采空區失穩后產生塌落的最大高度為2.5～5.0 m,根據煤層與隧道之間的巖層厚度分析,一盤區煤層與隧道垂直距離大于20 m,空區引起的覆巖坍塌不會波及隧道。二盤區隧道下方煤層未進行開采,無采空區。

表2 空區坍塌高度計算結果

4 小 結

通過對老采空區的現場調查及資料分析,隧道進口至ZK66＋600段,煤層位于隧道上方,開采后引起的巖層移動不會對隧道造成不利影響;ZK66＋600至ZK66＋993段,煤層位于隧道下方,與隧道的垂直距離較近,但礦山尚未進行開采,不會對隧道造成影響;ZK66＋993至隧道出口段,煤層位于隧道的下方,存在一定規模的采空區,與隧道底板的垂直距離在20 m以上,老采空區對隧道的影響主要集中在該段。通過三帶理論和洞穴頂板坍塌堵塞估算法對老采空區穩定性及空區對隧道的影響分析,得出：

(1)三帶理論計算分析表明,巖石碎脹系數K＝1.2時,覆巖的冒落高度2.5～5.1 m,產生的裂隙帶高度17.0～24.8 m。根據煤層與隧道之間的巖層厚度分析得出,K線ZK66＋993至ZK67＋555段,D線ZK66＋993至ZK67＋466段煤層與隧道垂直距離大于40 m,空區引起的覆巖破壞不會波及隧道,K線ZK67＋555至隧道出口段,D線ZK67＋466至隧道出口段煤層與隧道垂直距離小于40 m,空區引起的巖層移動可能會波及隧道。

(2)根據洞穴頂板坍塌堵塞估算法得到的結果,目前礦山井下空區高度一般為0.5～1.0 m,礦柱和頂板失穩后產生塌落的最大高度為2.5～5.0 m,根據煤層與隧道之間的巖層厚度分析,ZK66＋993至隧道出口段煤層與隧道垂直距離大于20 m,空區引起的覆巖坍塌不會波及隧道。