某新建工程采空區地基穩定性評價研究

（太原理工大學現代科技學院 山西·太原 030024）

隨著綜合國力的進步，逐漸開始了煤礦工業化開采，伴隨著煤礦產量的不斷提高，大量資源的開采引起了許多問題，尤為嚴重的是環境地質問題，特別是采空區塌陷引起的地面變形。地表變形不僅影響煤礦的安全生產，而且破壞地面建筑物和農田的生產，危害人民生命財產安全，給國家帶來許多經濟損失和社會問題。在采礦過程中，有必要從理論上預測采礦中可能遇到的相關問題，例如采礦區地面變形的沉降量和沉降面積，是否會出現裂縫甚至崩塌，滑坡等。泥石流以及沉陷和裂縫對附近工程的影響程度。某新建工程地基穩定性評價主要工作內容包括煤炭開采對新建變電站、輸電線路的影響分析，合理化建議，為業主提供準確、可靠的分析數據，保證建設工程在技術上可行。

1 工程地質條件

新建施工場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a1-2=0.33～0.43Mpa-1，為高壓縮性土，該層分布勘察場地表層，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巖，磨圓度中等，充填細砂和粉砂，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）：強風化，厚度約為1.5～2.5m，承載力標準值fak＝180kPa，工程性能良好。可作為110kV變電站主要建（構）筑物的地基持力層。

項目場地下有壓礦，建于80年代，2010年整合，年產60萬噸。主采碳系統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力平衡，迫使上部巖體進行機械重組以達到新的穩定平衡。上覆巖體的機械復合過程影響地表，嚴重破壞地表變形。

在開采的早期階段，采空區邊界上方的表面出現了裂縫。隨著工作面的發展，采空區上方的地面由于水平拉應力而傾斜，平移和水平位移。農田，交通道路等由于水平拉應力的集中而開裂和下沉，逐漸形成寬裂縫和不同規模的長裂縫。地表運動變形是對采空區上覆巖體變形的直接響應，導致沉降盆地的面積大于采空區。

如1所示，在穩定采空區塌陷區的地表運動之后，可以根據巖石運動和應力分布的特征將其劃分為整個采煤區，可分為Ⅰ充分開采區。該區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，使用了最常見的長壁工作面，和巖石塊跨越下降帶充填在采空區中，對地表沉陷影響最大，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，巖層覆蓋層的運動角度穿透，土層覆蓋層的運動角度較小，對應于盆地邊緣的地表運動。

圖1：上覆巖體變形與地表沉陷示意圖

當采空區的中心點沿采礦方向前進時，最大的地面沉降逐漸增加，并且表面從最初的小裂縫變為增加的裂縫長度和寬度，導致沉降和破壞。當采空區的面積足夠大（前進距離足夠大）時，最大沉降的發展在垂直方向上急劇下降，但在水平方向上繼續擴展。盆地中每個點的移動和變形并不完全相同，但最終會在表面上形成一個以采空區中心為原點的橢圓形區域。橢圓的長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示意圖

2.2 地表動態沉陷變形具有滯后性和階段性

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

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

圖3：動態沉降發展階段的沉降變形曲線

圖4：動態沉降充分階段的沉陷變形曲線

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

2.3 地面裂縫

到目前為止，采礦塌陷區尚未發生滑坡，塌陷或泥石流。從理論上講，井區的松散蓋層薄，基巖剝蝕平緩，起伏不大，深厚比大。通常，不會有自然滑坡，塌陷，泥石流和其他不利的地質現象。

2.4 水文因素對地表下沉的影響

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，同樣也會發生在采煤沉陷移動邊界以外的一定范圍內。

3 圍護帶寬度與保護煤柱留設分析

3.1 保護要求

根據開采建筑物(構筑物)的重要性、用途和造成的后果，礦區內建筑物(構筑物)的保護等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四級。

地面保護區包括被保護對象及其周圍的圍護帶。圍護帶是設計保護煤柱范圍時，為安全起見，沿被保護物周圍增加的帶狀面積。圍欄帶的寬度取決于要保護的對象的保護級別。

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與原煤開采規程》（煤炭工業出版社2004.6）表1、表2，工程受護對象保護等級及其圍護帶寬度如下所示：

表1：工程保護等級及圍護帶寬度統計

3.2 保護煤柱計算分析

當采用長壁放頂煤采煤法時，確定被保護變電所內保護煤柱的水平寬度，計算參數覆巖層移動角、覆土層移動角（）選取《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與原煤開采規程》“附表5-1典型工作面觀測站地表移動實測參數”，陽泉礦區208個工作面相對完整的地表移動參數在全國各大煤礦測得（地層年代為石炭二疊紀），為 45°、（）為 71°。、（）即相似開采條件的參考數據和預測的工作面地表移動。

通過垂直截面法計算得出的變電站保護煤柱的水平寬度S為：

4 結論

（1）地下采煤破壞了周圍巖石的原始應力平衡。在此基礎上，它沉入巖石和地表，引起諸如裂縫的地質問題，從而對礦區的生態以及經濟產生了惡劣影響。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與原煤開采規程》(煤炭工業出版社2004.6)規定進行分析，變電站保護煤柱水平寬度應不小于45.5m，而目前工作面已推進至變電站圍護帶下部，且距離變電站圍墻僅7m，顯然7m遠小于要求的45.5m。該場地不再適合作為變電站施工場地。

（2）開采引起的覆蓋層和地表變形主要取決于煤頂的巖性，開采厚度，開采深度和開采技術。現場調查發現，沉降變形在魯東站一側的鄉村道路和鄰近道路的山脊上產生了裂縫。道路西側的裂縫寬度比較大，最大裂縫寬度大于300mm，相鄰道路的地下供水管道破裂。根據地表變形程度，認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，地表沉陷進入了地表活動期。由于工作面的屋頂塌陷和后退，因此不適合進行填充操作。用煤石填充采礦空間并維護原始場地是不可行的。

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