某新建工程采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

（太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 山西·太原 030024）

隨著綜合國力的進(jìn)步，逐漸開始了煤礦工業(yè)化開采，伴隨著煤礦產(chǎn)量的不斷提高，大量資源的開采引起了許多問題，尤為嚴(yán)重的是環(huán)境地質(zhì)問題，特別是采空區(qū)塌陷引起的地面變形。地表變形不僅影響煤礦的安全生產(chǎn)，而且破壞地面建筑物和農(nóng)田的生產(chǎn)，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全，給國家?guī)碓S多經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)問題。在采礦過程中，有必要從理論上預(yù)測(cè)采礦中可能遇到的相關(guān)問題，例如采礦區(qū)地面變形的沉降量和沉降面積，是否會(huì)出現(xiàn)裂縫甚至崩塌，滑坡等。泥石流以及沉陷和裂縫對(duì)附近工程的影響程度。某新建工程地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要工作內(nèi)容包括煤炭開采對(duì)新建變電站、輸電線路的影響分析，合理化建議，為業(yè)主提供準(zhǔn)確、可靠的分析數(shù)據(jù)，保證建設(shè)工程在技術(shù)上可行。

1 工程地質(zhì)條件

新建施工場(chǎng)地地基土為第四系新沖溝成因的粉土、卵石、頁巖。

（1）層粉土（Q4al+pl）：棕黃色，稍密，土質(zhì)比較均勻，土壤中有植物根、磚屑和白色菌絲等。稍濕。壓縮系數(shù)a1-2=0.33～0.43Mpa-1，為高壓縮性土，該層分布勘察場(chǎng)地表層，厚度0.5-2.9M。

（2）層卵石（Q4al+pl）：雜色，密度中等，卵石主要成分為砂巖和石灰?guī)r，磨圓度中等，充填細(xì)砂和粉砂，平均粒徑70～200mm，粘土含量約20%，含粉砂透鏡體。該層厚度大于5M。

（3）層頁巖（C）：強(qiáng)風(fēng)化，厚度約為1.5～2.5m，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fak＝180kPa，工程性能良好。可作為110kV變電站主要建（構(gòu)）筑物的地基持力層。

項(xiàng)目場(chǎng)地下有壓礦，建于80年代，2010年整合，年產(chǎn)60萬噸。主采碳系統(tǒng)15#煤層，平均厚度6.2m，煤層的開采深度約為50-60m，開采厚度比小于10。采礦方法為綜采，頂板管理為自然垮落。

2 沉陷影響分析理論

2.1 地表最大沉陷量和沉陷面積

煤層礦體的開采造成原始巖層的損失，破壞了煤礦巖層的原始應(yīng)力平衡，迫使上部巖體進(jìn)行機(jī)械重組以達(dá)到新的穩(wěn)定平衡。上覆巖體的機(jī)械復(fù)合過程影響地表，嚴(yán)重破壞地表變形。

在開采的早期階段，采空區(qū)邊界上方的表面出現(xiàn)了裂縫。隨著工作面的發(fā)展，采空區(qū)上方的地面由于水平拉應(yīng)力而傾斜，平移和水平位移。農(nóng)田，交通道路等由于水平拉應(yīng)力的集中而開裂和下沉，逐漸形成寬裂縫和不同規(guī)模的長(zhǎng)裂縫。地表運(yùn)動(dòng)變形是對(duì)采空區(qū)上覆巖體變形的直接響應(yīng)，導(dǎo)致沉降盆地的面積大于采空區(qū)。

如1所示，在穩(wěn)定采空區(qū)塌陷區(qū)的地表運(yùn)動(dòng)之后，可以根據(jù)巖石運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力分布的特征將其劃分為整個(gè)采煤區(qū)，可分為Ⅰ充分開采區(qū)。該區(qū)域上覆地層的變形呈條狀分布，從下到上，有崩落帶，破碎帶和向下彎曲帶，使用了最常見的長(zhǎng)壁工作面，和巖石塊跨越下降帶充填在采空區(qū)中，對(duì)地表沉陷影響最大，彎曲帶整體下沉，巖體不大。Ⅱ彎曲變形帶，巖層主要受垂直壓縮變形，采礦空間邊界滿足表層底部邊緣的傾角，巖層覆蓋層的運(yùn)動(dòng)角度穿透，土層覆蓋層的運(yùn)動(dòng)角度較小，對(duì)應(yīng)于盆地邊緣的地表運(yùn)動(dòng)。

圖1：上覆巖體變形與地表沉陷示意圖

當(dāng)采空區(qū)的中心點(diǎn)沿采礦方向前進(jìn)時(shí)，最大的地面沉降逐漸增加，并且表面從最初的小裂縫變?yōu)樵黾拥牧芽p長(zhǎng)度和寬度，導(dǎo)致沉降和破壞。當(dāng)采空區(qū)的面積足夠大（前進(jìn)距離足夠大）時(shí)，最大沉降的發(fā)展在垂直方向上急劇下降，但在水平方向上繼續(xù)擴(kuò)展。盆地中每個(gè)點(diǎn)的移動(dòng)和變形并不完全相同，但最終會(huì)在表面上形成一個(gè)以采空區(qū)中心為原點(diǎn)的橢圓形區(qū)域。橢圓的長(zhǎng)軸朝向較大的開采方向，而短軸朝向較小的開采方向。

圖2：地表下沉盆地和邊緣區(qū)示意圖

2.2 地表動(dòng)態(tài)沉陷變形具有滯后性和階段性

在下沉影響范圍內(nèi)，采礦過程中地表沉陷和變形的整個(gè)過程可以分為三個(gè)階段：初始沉陷階段—活動(dòng)沉陷階段—衰減沉陷階段。即使采煤工作面沒有斷層，老采空區(qū)被活化，當(dāng)采深比小于30時(shí)，沉降速度的變化往往在時(shí)間和空間上是不連續(xù)和不平緩的，活動(dòng)沉降階段發(fā)生較早，活動(dòng)沉降速率大。

下沉盆地的雛形是在下沉發(fā)育階段形成的。當(dāng)工作面開始從切割處前進(jìn)到一定距離時(shí)，上覆巖層的彎曲沉降會(huì)擴(kuò)展到地面，并且地面開始下沉。該階段是彎曲階段，最大下沉率小。此時(shí)，工作面的前進(jìn)距離約為采礦深度的0.4倍。隨著工作面前進(jìn)距離的不斷增加，地表沉陷盆地由小到大逐漸增大，不僅平面范圍逐漸擴(kuò)大，而且沉陷量也逐漸增大。當(dāng)估計(jì)工作面一定距離時(shí)，動(dòng)態(tài)最大沉降值不再顯著增加。

圖3：動(dòng)態(tài)沉降發(fā)展階段的沉降變形曲線

圖4：動(dòng)態(tài)沉降充分階段的沉陷變形曲線

進(jìn)入衰減階段。采礦結(jié)束時(shí)，前進(jìn)距離保持不變，下沉曲線略微向前移動(dòng)，最大下沉速度迅速衰減，地面沉降進(jìn)入衰減階段。停止開采后，地面沉降將在幾年甚至幾十年內(nèi)完全消失。

2.3 地面裂縫

到目前為止，采礦塌陷區(qū)尚未發(fā)生滑坡，塌陷或泥石流。從理論上講，井區(qū)的松散蓋層薄，基巖剝蝕平緩，起伏不大，深厚比大。通常，不會(huì)有自然滑坡，塌陷，泥石流和其他不利的地質(zhì)現(xiàn)象。

2.4 水文因素對(duì)地表下沉的影響

覆蓋層變形在采煤塌陷過程中起決定性作用。水文因素也影響地面沉降，另外也會(huì)影響地下水位的變化。因此，地下開采間接引起的地表沉陷，同樣也會(huì)發(fā)生在采煤沉陷移動(dòng)邊界以外的一定范圍內(nèi)。

3 圍護(hù)帶寬度與保護(hù)煤柱留設(shè)分析

3.1 保護(hù)要求

根據(jù)開采建筑物(構(gòu)筑物)的重要性、用途和造成的后果，礦區(qū)內(nèi)建筑物(構(gòu)筑物)的保護(hù)等級(jí)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級(jí)。

地面保護(hù)區(qū)包括被保護(hù)對(duì)象及其周圍的圍護(hù)帶。圍護(hù)帶是設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱范圍時(shí)，為安全起見，沿被保護(hù)物周圍增加的帶狀面積。圍欄帶的寬度取決于要保護(hù)的對(duì)象的保護(hù)級(jí)別。

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與原煤開采規(guī)程》（煤炭工業(yè)出版社2004.6）表1、表2，工程受護(hù)對(duì)象保護(hù)等級(jí)及其圍護(hù)帶寬度如下所示：

表1：工程保護(hù)等級(jí)及圍護(hù)帶寬度統(tǒng)計(jì)

3.2 保護(hù)煤柱計(jì)算分析

當(dāng)采用長(zhǎng)壁放頂煤采煤法時(shí)，確定被保護(hù)變電所內(nèi)保護(hù)煤柱的水平寬度，計(jì)算參數(shù)覆巖層移動(dòng)角、覆土層移動(dòng)角（）選取《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與原煤開采規(guī)程》“附表5-1典型工作面觀測(cè)站地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)”，陽泉礦區(qū)208個(gè)工作面相對(duì)完整的地表移動(dòng)參數(shù)在全國各大煤礦測(cè)得（地層年代為石炭二疊紀(jì)），為 45°、（）為 71°。、（）即相似開采條件的參考數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)的工作面地表移動(dòng)。

通過垂直截面法計(jì)算得出的變電站保護(hù)煤柱的水平寬度S為：

4 結(jié)論

（1）地下采煤破壞了周圍巖石的原始應(yīng)力平衡。在此基礎(chǔ)上，它沉入巖石和地表，引起諸如裂縫的地質(zhì)問題，從而對(duì)礦區(qū)的生態(tài)以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了惡劣影響。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與原煤開采規(guī)程》(煤炭工業(yè)出版社2004.6)規(guī)定進(jìn)行分析，變電站保護(hù)煤柱水平寬度應(yīng)不小于45.5m，而目前工作面已推進(jìn)至變電站圍護(hù)帶下部，且距離變電站圍墻僅7m，顯然7m遠(yuǎn)小于要求的45.5m。該場(chǎng)地不再適合作為變電站施工場(chǎng)地。

（2）開采引起的覆蓋層和地表變形主要取決于煤頂?shù)膸r性，開采厚度，開采深度和開采技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沉降變形在魯東站一側(cè)的鄉(xiāng)村道路和鄰近道路的山脊上產(chǎn)生了裂縫。道路西側(cè)的裂縫寬度比較大，最大裂縫寬度大于300mm，相鄰道路的地下供水管道破裂。根據(jù)地表變形程度，認(rèn)為地表裂縫反映的是地表附近的采煤面可能在柱子中塌陷，彎曲變形后頂板塌陷并破壞，地表沉陷進(jìn)入了地表活動(dòng)期。由于工作面的屋頂塌陷和后退，因此不適合進(jìn)行填充操作。用煤石填充采礦空間并維護(hù)原始場(chǎng)地是不可行的。

（3）如果站址外確實(shí)是只有巷道，而未回采致頂板跨落，地面無裂縫。可在巷道內(nèi)做漿砌毛石，回填巷道可視為圍護(hù)帶考慮。