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        5.12震后石梯村煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析及應(yīng)急處理方法

        2016-10-26 03:10:20張國起
        科學(xué)中國人 2016年26期
        關(guān)鍵詞:石梯彭州市新建

        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(yīng)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(yīng)用《礦山開采沉陷學(xué)》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(jìn)行了預(yù)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(yīng)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(yīng)急保障任務(wù)。

        煤礦采空區(qū);殘余沉降量;測繪應(yīng)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(zāi)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(xì)的測繪應(yīng)急保障預(yù)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(jìn)行了預(yù)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(xué)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(jìn)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(jìn)。

        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(biāo)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(zāi)后重建步伐,需要拓展應(yīng)急測繪保障領(lǐng)域,加強災(zāi)情評估能力。因此,需要對石梯村采空區(qū)進(jìn)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(dǎo)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(yán)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(fēng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)測分析

        根據(jù)采礦沉陷學(xué)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(yù)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(yù)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(jìn)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(yù)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(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,導(dǎo)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(jìn)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(fù)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(dāng)復(fù)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(zhǔn)確預(yù)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(yīng)當(dāng)慎重對待。

        2.4石梯村采空區(qū)應(yīng)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(fù)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(jìn)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(dá)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(yīng)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(yīng)急測繪保障預(yù)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(jìn)行了多次沉降監(jiān)測,安置點最大沉降量為11mm,下沉速度遠(yuǎn)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(yīng)當(dāng)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(jìn)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(xué)》[M].中國礦業(yè)大學(xué)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(yīng)急測繪保障預(yù)案》.

        [5]GB 50007-2002中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)《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(fù)責(zé),曾參加第二、三、四、五批5.12震后援川工作。

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