基于陽泉-盂縣高速公路工程煤礦采空區(qū)工程地質(zhì)穩(wěn)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(nèi)，途徑平定縣、盂縣等。項(xiàng)目起于平定縣維社鄉(xiāng)南，終于前元吉村南設(shè)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(xiàn)場地質(zhì)勘探初步確定本項(xiàng)目采空區(qū)長度約6.055km，其中鋁土礦采空區(qū)長度3.095km，硫鐵礦采空區(qū)長度0.09km，煤礦采空區(qū)長度2.870km。

2 現(xiàn)場鉆探取芯

本項(xiàng)目通過地質(zhì)勘探確定采空區(qū)范圍，并現(xiàn)場在采空區(qū)范圍內(nèi)取芯。通過現(xiàn)場取芯確定采空區(qū)范圍內(nèi)相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)；通過點(diǎn)載荷試驗(yàn)確定采空區(qū)內(nèi)層狀分布特點(diǎn)。

3 煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)時(shí)間效應(yīng)分析

3.1 煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間計(jì)算

對(duì)于煤礦區(qū)內(nèi)，對(duì)煤層進(jìn)行開采后，導(dǎo)致煤礦覆蓋巖層在自重的影響下，產(chǎn)生彎曲、變形、裂縫，同時(shí)向四周移動(dòng)，隨著對(duì)煤層不斷的開采，在達(dá)到一定范圍后，煤礦覆蓋巖層產(chǎn)生較大位移，最終導(dǎo)致地表發(fā)生裂縫、變形等變化。當(dāng)煤層地質(zhì)情況存在傾斜或者緩傾斜狀況，通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察，煤層區(qū)地表在6個(gè)月內(nèi)，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(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，對(duì)于礦區(qū)內(nèi)無地質(zhì)勘探、采空區(qū)內(nèi)探測解析及相關(guān)試驗(yàn)分析等相關(guān)地質(zhì)資料，可依據(jù)公式(1)對(duì)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間進(jìn)行初步計(jì)算：

T=2.5H0

(1)

式中：T為地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間(d)；

H0為工作面平均采深(m)。

對(duì)于本項(xiàng)目煤礦采空區(qū)段初步計(jì)算地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間：

(1)H0為40m時(shí)，T=2.5×40=100d。

(2)H0為50m時(shí)，T=2.5×50=125d。

(3)H0為60m時(shí)，T=2.5×60=150d。

3.2 地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間與實(shí)際回采時(shí)間對(duì)比分析

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(國家煤炭工業(yè)局制定，2000年5月)初步計(jì)算該項(xiàng)目地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間均在1年內(nèi)，而本項(xiàng)目煤礦區(qū)于2003年停止采礦，該煤礦區(qū)距該項(xiàng)目實(shí)施7年有余，大大地超出地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間，由此可判定該項(xiàng)目煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)已停止。

但是依據(jù)波蘭采空區(qū)文獻(xiàn)資料[3-4]，煤礦采空區(qū)需要在10年之后，地表移動(dòng)才停止。該項(xiàng)目為保證施工安全性，需要進(jìn)一步分析煤礦采空區(qū)地表穩(wěn)定性。

4 煤礦采空區(qū)覆巖“三帶”范圍計(jì)算分析

4.1 煤礦采空區(qū)覆巖“三帶”及其劃分

對(duì)于煤礦區(qū)內(nèi)，對(duì)煤層進(jìn)行開采后，導(dǎo)致煤礦覆蓋巖層在自重的影響下，產(chǎn)生彎曲、變形、裂縫，同時(shí)向四周移動(dòng)，隨著對(duì)煤層不斷的開采，在達(dá)到一定范圍后，煤礦覆蓋巖層產(chǎn)生較大位移，最終導(dǎo)致地表發(fā)生裂縫、變形等變化，對(duì)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(qū)覆巖破壞“三帶”示意圖

(1)垮落帶

該地帶緊鄰采空區(qū)上區(qū)，屬于采空區(qū)頂板巖層，受自重及上覆巖層重力的壓力遠(yuǎn)超自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致采空區(qū)上區(qū)的覆巖層重發(fā)生裂縫、分裂破碎，最終形成垮落帶。

垮落帶的表面發(fā)生分裂破碎向上延伸，在采礦過程中，當(dāng)采出的煤礦體積與覆巖層因碎脹而產(chǎn)生的體積一致時(shí)，采空區(qū)上區(qū)就會(huì)形成相對(duì)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(yīng)力的作用大于自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，同樣產(chǎn)生裂縫。分層及分裂，在此空間仍然存在巖層分層關(guān)系。

該地帶所承受的自重及應(yīng)力，導(dǎo)致巖層發(fā)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(yīng)力作用下，僅僅使巖體產(chǎn)生微弱的變形，巖層整體未發(fā)生分裂，但巖層出現(xiàn)較緩的彎曲變形。

該地帶的巖層整體性較好，不存在破裂現(xiàn)象，但是在自重及應(yīng)力作用下，仍然存在導(dǎo)致巖層構(gòu)造斷裂的危險(xiǎn)因素，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)本項(xiàng)目的施工安全存在危險(xiǎn)。

4.2 煤礦采空區(qū)覆巖“三帶”范圍計(jì)算

對(duì)煤礦進(jìn)行回采后，煤礦采空區(qū)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(qiáng)度，兩地帶均屬于危險(xiǎn)區(qū)，其自身所能承受的強(qiáng)度嚴(yán)重降低。但是兩地帶巖層的移動(dòng)分裂過程是連續(xù)的且有規(guī)律，同時(shí)在能保證該巖層的完整性及分層結(jié)構(gòu)的情況下，很難產(chǎn)生離層分裂，因此在垂直界面內(nèi)，各個(gè)巖層的位移移動(dòng)值就相對(duì)較小[8-9]。

本項(xiàng)目按照地質(zhì)勘探結(jié)果，將采空區(qū)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(jì)采厚，m。

陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區(qū)上覆巖層“三帶”計(jì)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(jì)采厚，m。

(3)裂隙帶高度

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

由此可見，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性較差。

5 煤礦采空區(qū)頂板及路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

5.1 煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)的要求，采深/采厚>30的建筑物，當(dāng)?shù)乇硪逊€(wěn)定時(shí)，可不需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)；深/采厚<30的建筑物，需要結(jié)合建筑物的基底壓應(yīng)力、煤礦采空區(qū)的埋深范圍和采空區(qū)的上覆巖層的地質(zhì)情況等，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

本項(xiàng)目依據(jù)地質(zhì)情況報(bào)告，煤礦采空區(qū)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(qū)場地的地基穩(wěn)定性差。

5.2 煤礦采空區(qū)頂板穩(wěn)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(nèi)摩擦角取φ=55°；

a—巷道寬度的一半(m)，取a=2m。

當(dāng)H1.5H0時(shí)，頂板穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算得，H0=28.2m，1.5H0=42.3m。

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

5.3 高速公路地基穩(wěn)定性分析

依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》采空區(qū)場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中：“當(dāng)建筑物已建在影響范圍以內(nèi)時(shí)，可按下式驗(yàn)算地基的穩(wěn)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(nèi)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(dāng)H1.5H0時(shí)，地基穩(wěn)定。

經(jīng)計(jì)算得H0=33.2m，1.5H0=49.9m。

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

結(jié)合工程施工經(jīng)驗(yàn)，由于建筑物的自重一定，對(duì)地基的擾動(dòng)也是有限的。煤礦采空區(qū)的覆巖層本身存在一定的分裂狀態(tài)，在沒有建筑物的荷載下，其采空區(qū)存在較好的穩(wěn)定性，但是當(dāng)增加建筑物，對(duì)煤礦采空區(qū)的覆巖層增加額外的荷載，有很大的可能對(duì)其采空區(qū)破壞其應(yīng)力平衡，進(jìn)而產(chǎn)生坍塌事故。

通過實(shí)地考察、地質(zhì)勘探、采空區(qū)內(nèi)探測解析及相關(guān)試驗(yàn)分析，并結(jié)合煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間、煤礦采空區(qū)覆巖“三帶”范圍計(jì)算分析、煤礦采空區(qū)頂板及路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區(qū)上覆巖層存在不穩(wěn)定性狀態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，以保障陽盂高速公路的安全施工和通車后的安全運(yùn)營。

6 結(jié)論

通過實(shí)地考察、地質(zhì)勘探、采空區(qū)內(nèi)探測解析及相關(guān)試驗(yàn)分析，并結(jié)合煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間、煤礦采空區(qū)覆巖“三帶”范圍計(jì)算分析、煤礦采空區(qū)頂板及路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得出：

(1)依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)該采空區(qū)的覆巖“三帶”進(jìn)行了分析與計(jì)算，由此得出，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性較差。

(2)依據(jù)地基荷載傳遞原理，對(duì)本項(xiàng)目的煤礦采空區(qū)頂板及路基穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，由此得出，陽泉至盂縣高速公路煤礦采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性較差。

綜上所述，陽盂高速公路煤礦采空區(qū)覆巖在受到建筑物荷載的擾動(dòng)下，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)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(yùn)營。