張國起

河北省地礦局國土資源勘查中心

5.12震后石梯村煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析及應急處理方法

張國起

河北省地礦局國土資源勘查中心

本文應用《礦山開采沉陷學》的基本理論對5.12震后四川省彭州市新興鎮(zhèn)石梯村采空區(qū)及石梯村新建安置點殘余變形進行了預測計算，分析了采空區(qū)“活化”的可能性，提出了性價比較高的地基應急處理方案，通過后期5年的變形監(jiān)測，證明效果良好，很好的完成了測繪應急保障任務。

煤礦采空區(qū)；殘余沉降量；測繪應急保障；變形監(jiān)測

5.12地震以后，四川省開展了大規(guī)模地質(zhì)災害治理工作。本論文結(jié)合四川省煤礦開采的經(jīng)驗和資料，通過現(xiàn)場調(diào)查，在詳細的測繪應急保障預案的基礎(chǔ)上，對彭州市新興鎮(zhèn)石梯村地表移動殘余變形進行了預測計算，為震后采空區(qū)安置點選址提供了理論依據(jù)，并采用科學的地基處理方法，確保新建安置點地基穩(wěn)定，隨后通過變形監(jiān)測對新建安置點穩(wěn)定性進行驗證。

1　石梯村煤礦采空區(qū)概況

四川省彭州市新興鎮(zhèn)石梯村，距離彭州市城北332°方向，直線距離約16.5km。石梯村煤礦創(chuàng)建于1964年，為小規(guī)模開采。2007年根據(jù)有關(guān)政策該煤礦關(guān)停。開采煤層為翻轉(zhuǎn)紅煤層。采礦方法為長壁后退式采煤法，即采煤工作面由采區(qū)邊界向絞車道方向推進。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0二地質(zhì)隊提交的《四川省彭州市新興鎮(zhèn)石梯村煤礦礦產(chǎn)資源儲量核實報告》（2007年9月），礦區(qū)范圍內(nèi)基本形成采空區(qū)，面積0.318km2，采空區(qū)高1.90m，采空區(qū)有翻轉(zhuǎn)紅煤層地表出露斜向南傾角約45°，采空區(qū)埋深在285m左右。

煤層頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，厚2.0m左右，質(zhì)軟，抗壓強度小，易于冒落，穩(wěn)定程度為不穩(wěn)定～中等穩(wěn)定；底板有0.1m左右的砂質(zhì)泥巖為主，老底板為3m厚的砂巖。煤層直接頂板為泥質(zhì)巖類，巖性較軟，穩(wěn)定性差，易于造成底板鼓脹。

老采空區(qū)在+636m標高以上，貫穿翻轉(zhuǎn)紅煤層地表出露位置，據(jù)調(diào)查老采空區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)多處地面塌陷，采空區(qū)頂板出現(xiàn)過多處垮塌，采空區(qū)內(nèi)存在積水現(xiàn)象。5.12地震前均出現(xiàn)過地面裂縫和建筑物裂縫。

為了推動彭州市石梯村重點區(qū)域災后重建步伐，需要拓展應急測繪保障領(lǐng)域，加強災情評估能力。因此，需要對石梯村采空區(qū)進行穩(wěn)定性分析。

2　石梯村采空區(qū)穩(wěn)定性分析及采空區(qū)處理

2.1石梯村采空區(qū)地表移動變形延續(xù)時間分析

石梯村采空區(qū)為老窯和小窯采空區(qū)，覆巖結(jié)構(gòu)為“三帶”結(jié)構(gòu)（即冒落帶、導水裂隙帶、彎曲沉降帶）。采煤技術(shù)較為落后，留下隱患較為嚴重。采煤方式為長臂后退式，其沉陷活化機制為：破碎巖體緩慢蠕變，自然壓密；破碎巖體在水和空氣作用下，風化和強度衰減；殘留煤柱衰減；外力作用，如地震、地面附加荷載等。

按地表移動盆地最大下沉點的移動速度，地表移動分為3個階段：開始期、活躍期、衰退期。三者總稱為地表移動延續(xù)時間。

石梯村老采空區(qū)的移動主要應考慮衰退期的地表點移動。這一移動主要是破碎巖體和上覆巖層結(jié)構(gòu)在覆巖重力及上部荷載作用下的逐漸變形、自然壓密的結(jié)果，這一變形受覆巖地質(zhì)環(huán)境條件的影響。如覆巖結(jié)構(gòu)在水等條件下弱化，使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強度降低，引起地表移動變形，這一時間過程較長。

由于石梯村6社塌陷區(qū)以前沒有地面沉降實測資料，根據(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》，地表移動從礦區(qū)停采開始延續(xù)時間計算公式為：

tm=2.5hav

式中：hav——工作面平均采深（m）。

考慮石梯村6社新安置點震后應急勘查的特殊性，在無實測資料證實時，采空區(qū)停采邊界上方地面沉降延續(xù)時間可按下式計算：

tm=2.5×hav=2.5×285=713（天）

石梯村采空區(qū)停采時間為2007年11月，到2010年3月開始應急勘查已有870天，已經(jīng)超過了《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》計算的地表移動時間。從時間上推測石梯村采空區(qū)地表移動變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定。對采空區(qū)上新建安置點影響不大。

2.2石梯村采空區(qū)最大沉降量及殘余沉降量預測分析

根據(jù)采礦沉陷學理論，考慮石梯村采空區(qū)工程地質(zhì)條件，采用如下公式計算采空區(qū)地表沉：

式中m煤層厚度，煤層平均厚度為2m，

K1圍巖自由碎脹系數(shù)，取1.35

α為煤層傾角，平均35°

式中：m煤層厚度，k2冒落帶巖石剩余碎脹系數(shù)，取值1.25，k3碎脹系數(shù)取值1.025

⑶彎曲沉降帶高度

h3=∑H-h1-h2=285-6.98-14.55=263.47m

式中：∑H煤層埋深為285米，

⑷地表最大下沉量

礦區(qū)開采范圍走向長1000m，傾向長350m，預測首次非充分采動情況下地表最大下沉量。

計算公式：

式中Wmax首次采動非充分采動情況下最大下沉量。

η充分采動情況下最大下沉系數(shù)取0.2

ht煤層厚度（含煤矸石）取平均值2.0米。

n2煤層傾角，取平均值35°

n2煤層傾斜方向采動程度，n2沿礦層走向方向采動程度。

其中n1=0.3D1÷H0=0.388

n2=0.3D2÷H0=1.11

D1，D2采空區(qū)沿傾斜方向及走向的距離。

經(jīng)過計算，該礦區(qū)最大沉降量預計為0.2米。根據(jù)2.1所敘內(nèi)容，石梯村采空區(qū)從時間上推算已經(jīng)進入剩余移動期，根據(jù)國內(nèi)外老采空區(qū)剩余變形的經(jīng)驗，石梯村采空區(qū)剩余沉降預測參數(shù)選擇如下：（石梯村工作面停采2～5年）剩余沉降系數(shù)η=0.05，則剩余沉降量計算如下：

根據(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》，采空區(qū)殘余沉降量為0.05米，對石梯村新建安置點影響不大。

2.3石梯村采空區(qū)“活化”分析

采空區(qū)的“活化”是指廢棄采空區(qū)垮落堆積物及其覆巖體在外界因素影響下，物理力學性質(zhì)發(fā)生變化，導致地表殘余變形發(fā)生異震后石梯村采空區(qū)具有如下特點：

常變化。

隱蔽性：老采空區(qū)一般深埋于地下，人員難以進入，其特征一般難以弄清，采空區(qū)“活化”過程難以直接觀察。

復雜性：其“活化”過程受多種自然和人為因素的影響，其“活化”機理、過程及對地表的影響規(guī)律相當復雜。石梯村安置點建筑荷載及5.12地震可能是重要的“活化”因素。

突發(fā)性：經(jīng)過調(diào)查，該采空區(qū)是存在較大殘留礦洞的老采空區(qū)，其失穩(wěn)破壞常常是突發(fā)性的，其塌陷時間難以準確預計。

長期性：老采空區(qū)的“活化”是一個長期的過程，可能采后幾年或十年甚至上百年后發(fā)生，也可能是長期的緩慢變形過程，在發(fā)生過明顯活化的老采空區(qū)仍有再次活化的可能。如，蘇格蘭某報廢礦于118年后的突然塌陷等。

通過以上分析，采空區(qū)有“活化”的可能，使得地面殘余沉降加速，石梯村采空區(qū)上新建安置點，關(guān)系到建筑物的安全性，應當慎重對待。

2.4石梯村采空區(qū)應急處理方法

在現(xiàn)狀條件下，盡管2.1中從時間上推算采空區(qū)地表移動變形已趨于穩(wěn)定，地表變形活躍期早已結(jié)束；2.2中推算的殘余沉降量已經(jīng)非常小，從理論上可以推測出采空區(qū)對新建安置點影響不大。為了防止石梯村采空區(qū)存在地震作用下和荷載作用下復活的可能性，采用注漿加固技術(shù)對新建安置點區(qū)域上覆巖層結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)補強，增強覆巖結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。其具體做法是從地面打鉆孔，然后壓密灌漿，使?jié){液滲入巖層裂隙，并膠結(jié)而使破碎巖體形成一強度高、剛度大，類似于“大板結(jié)構(gòu)”的完整巖體，達到類似于跨越的目的和避免地表塌陷的發(fā)生。這種方法具有工程量小、工程費用低、巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、效果好等顯著特點。通過后期沉降監(jiān)測，證明效果良好。

3　煤礦采空區(qū)安置點應急監(jiān)測

為了確保震后石梯村45戶204人的生命財產(chǎn)安全，根據(jù)《國家應急測繪保障預案》對石梯村新建安置點布設(shè)了二等沉降監(jiān)測網(wǎng)，連續(xù)5年進行了多次沉降監(jiān)測，安置點最大沉降量為11mm，下沉速度遠小于0.04mm/d，滿足建筑物容許變形值，對新建安置點沒有損壞作用。

4　結(jié)束語

4.1四川省彭州市新興鎮(zhèn)石梯村采空區(qū)采空區(qū)地表移動變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，在沒有大的外界因素（如地下水位大幅升降、地震作用、外加荷載及臨區(qū)地下開采）影響下，存在的沉降是微弱的、緩慢的殘余沉降；

4.2采空區(qū)地面沉降有“活化”的可能，使得地面殘余沉降加速，在采空區(qū)上新建建筑物，關(guān)系到建筑物的安全性，應當慎重對待；

4.3即使采空區(qū)殘余沉降已經(jīng)十分微弱，建議采用地基加固等措施，并對采空區(qū)建筑物進行沉降變形監(jiān)測，加強測繪保障工作。

［1］何國清等著.《礦山開采沉陷學》［M］.中國礦業(yè)大學出版社.1991.

［2］《四川省彭州市新興鎮(zhèn)石梯村煤礦礦產(chǎn)資源儲量核實報告》［R］（2007年9月）.

［3］《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》［S］.

［4］（國測成字［2009］4號）《國家應急測繪保障預案》.

［5］GB 50007-2002中華人民共和國國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［S］.

［6］JGJ 8-2007.中華人民共和國國家標準《建筑變形測量規(guī)程》［S］.

張國起（1969-），男，本科，河北人，工程師，從事工作：測繪工程，河北省地礦局國土資源勘查中心國土測繪隊技術(shù)負責，曾參加第二、三、四、五批5.12震后援川工作。