柏 淼

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價公式的改進

柏 淼

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

現(xiàn)行的小窯采空區(qū)頂板穩(wěn)定性評價公式并沒有考慮巖層頂板上部第四系覆土對小窯采空區(qū)假定楔體土壓力的影響，因此計算與實際情況存在一定差別，以工程實例為背景，對公式進行改進探討。

采空區(qū)；小窯；公式改進

0 引 言

我國地方小煤礦存在私挖亂采的現(xiàn)象，煤層埋藏較淺的礦區(qū)往往存在一部分小窯采空區(qū)，這些小窯多在經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，人們以往對此方面的潛在危害不夠重視，但隨著經(jīng)濟開發(fā)的逐層升級，小窯的上覆巖層的不穩(wěn)定會引發(fā)其他地質災害，對地面建筑和煤礦的安全生產形成極大威脅。因此小窯采空區(qū)的穩(wěn)定性成為人們關心的問題。目前評價穩(wěn)定性的方法主要有力學簡化驗算法，變形監(jiān)測法、有限元及積分法。主要研究基于力學簡化的穩(wěn)定性評價方法。

1 現(xiàn)行的穩(wěn)定性評價公式

小窯一般是手工作業(yè)，開采范圍小，開采深度多在50 m以內，少數(shù)可達200～300 m，平面延伸100～200 m，以巷道采掘為主，向兩邊開挖支巷道。一般分布無規(guī)律，有單層或多層重疊交錯。巷道的高寬一般為2～3 m，由于踩空范圍狹小，地表不產生移動盆地，但因為開采深度淺、頂板又任其垮落，故地表變形劇烈，大多呈現(xiàn)較大的裂縫、臺階和陷坑，地表裂縫帶有常與開采工作面的前行方向平行，隨工作面的推薦，裂縫一般上寬下窄，兩邊無明顯高差。因此有必要對小窯采空區(qū)的場地穩(wěn)定性進行評價。目前，國內計算常采用工程地質手冊中的平衡分析法計算極限頂板穩(wěn)定性。當建（構）筑物建在采空區(qū)上時，按下式計算頂板保持自然平衡狀態(tài)時采空區(qū)巷道頂板臨界深度HD：

式中：B為巷道寬度，m；r為小窯側壁巖土容重，kN/m3，r0為頂板以上巖層的重度，kN/m3；P0為建筑物基底單位壓力，kPa；φ為頂板以上巖層的內摩擦角，（°），由巖樣剪切試驗求得。

計算后通過比較巷道頂部埋深H與臨界深度，即可粗略地評價頂板的穩(wěn)定性。當H1.5 HD時，地基穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定性計算公式的改進

采空區(qū)巷道頂板臨界深度HD是小窯采空區(qū)頂板上覆層按礦層巖體的破裂角45°-擴散后的楔體進行靜力平衡分析得到的，其中P是巖石綜合內摩擦角按朗肯土壓力理論公式推算的，r為小窯側壁巖土容重，kN/m3，其中沒有考慮非巖石類（第四系覆土）對側向土壓力的影響，使得計算偏于保守，實際工程中通過鉆探地質資料分別可以得到覆土深度及頂板巖層厚度，假定上覆層第四系土體作為附加壓力作用在巖石楔體上，對公式進行改進，推導如下：

根據(jù)朗肯主動土壓力計算公式

考慮覆土對巖石楔體側向土壓力將有所增加

根據(jù)Q總=G+BP-2f的計算原理得到 Q總

tanφ]（5） 將 以 上 式 帶 入 ， 令 Q=0， 解 HD=

式中：E為上覆土體自重，其他參數(shù)見上文。

3 工程實例計算

海北～牙克石500 kV輸變電線路工程屬于500 kV海北～牙克石～嶺東輸變電工程的一部分。本工程西起500 kV已建海北變電站，東至新建500 kV牙克石變電站，全線長度約75 km。海北～牙克石500 kV輸變電線路工程自扎羅木得村跨過綏滿高速后，沿綏滿高速南側進入大雁礦區(qū)，先后經(jīng)過大雁第二煤礦和位于第一煤礦井田內的十余個小煤礦的井田，這些煤礦采空區(qū)對輸變電工程的電線路的存在安全，必須根據(jù)采空區(qū)的頂板距離地面的深度進行場地穩(wěn)定性判別，以確定輸變電沿線的架設塔位位置。

途徑礦區(qū)位于大興安嶺山脈西北麓，屬于海拉爾盆地的一部分，煤田的南北兩側由火成巖組成，由于是后期剝蝕（侵蝕）構造的影響構成了現(xiàn)代低山--丘陵地形。地勢為四周高中部低，呈盆地狀，地表植被以草本植物為主，有部分森林，礦區(qū)北部及南部有水系和沼澤。井田內地形比較簡單，其地勢為東南高而西北低。區(qū)域構造為大雁煤田位于新華夏系第三隆起帶（大興安嶺隆起帶）的西坡，第三沉降帶的東緣，在海拉爾盆地的五九-南屯凹陷中段，大雁煤田為一向斜構造，即大雁-扎尼河向斜。區(qū)內地層總體呈向NW方向傾斜的單斜構造，淺部傾角較大，深部傾角較緩，一般在8°～25°，平均15°區(qū)域地表水系以河流為主，礦區(qū)北部有海拉爾河由東向西流過，礦區(qū)西南部有勝利溝小溪及布洛莫也溝小溪由東向西流過，大雁煤田內地表沒有主要河流通過，本區(qū)第四系地層全區(qū)發(fā)育，以不整合接觸的方式直接覆蓋于煤系地層之上，井田內大面積的沉積層是透水而非含水的沉積層，因其面積小、厚度薄，其含水量和供水意義不大，是含水中等偏小的含水層。地下水含水層以煤系風化裂隙帶含水層為主，風化帶以下煤系孔隙含水層為輔。第四系覆蓋下的煤系風化帶內，由于風化作用導致煤層裂隙發(fā)育，砂巖疏松孔隙增大，煤層裂隙和砂巖孔隙成了地下水賦存空間和導通渠道，在此深度內的泥巖，由于賦存淺、壓力小，受風化作用影響，也失去了隔水作用。

為確定小窯采空區(qū)建筑場地的穩(wěn)定性，避免非連續(xù)變形對桿塔造成安全隱患，項目運用高密度電法與瞬變電磁2種地球物理勘察方法對目的區(qū)進行探測，以核實小窯資料的可靠性，確定小窯的采空區(qū)邊界及埋深并推斷小窯附近的塔位是否存在越界開采現(xiàn)象，并通過工程地質鉆探的方法驗證，查明了礦區(qū)區(qū)域地層主要為黑色腐植土和黃色風成砂，下部為黏土，亞粘和砂礫，其下為伊敏組泥巖和粉砂巖、煤層及碳質泥巖，與下部地層整合接觸。場區(qū)巖層強度較低，強-中風化，浸水后巖石的抗壓強度會降低，開采煤層的采空區(qū)都分布在這個巖組，各煤層頂?shù)装寰赡鄮r、砂質泥巖和砂巖組成。這幾種巖性均由泥質或凝灰質膠結、松軟易碎，抗壓強度低，極不利于巷道及采面的支護，容易使巷道變形，支護困難進而易在巷道上方形成不穩(wěn)定區(qū)域，加之各煤礦在采煤的過程中修建了許多巷道，存在留下空巷的情況，更可能加劇不穩(wěn)定情況，因此需判定頂板穩(wěn)定性保障輸電線路的塔位場地安全性。

按大雁第一煤礦巖石的試驗成果，巖石的容重17.01～19.29 kN/m3，可取18 kN/m3，內摩擦角在27°～33°可取30°，各礦的斜井、石門等主要巷道的寬度為3.8 m，桿塔基底最大壓力為190 kPa，根據(jù)以上數(shù)據(jù)按現(xiàn)有計算公式（1）計算可得臨界深度為27.4 m。因此，要保證巷道上方地基穩(wěn)定，巷道頂部埋深要大于1.5倍的臨界深度即41.1 m才行。但是，因為各礦第四系松散覆蓋層的平均厚度為25 m，所以巷道埋深大于66.1 m才能保證鐵塔地基的穩(wěn)定性。由于小窯的個別巷道埋深約為60 m，不滿足地基穩(wěn)定的要求，因此有必要采用改進后的公式進行驗算，通過考慮上覆土對側向土壓力的有利影響，第四系的覆蓋層主要地層為黏性土，經(jīng)室內土工試驗，覆蓋層土平均容重可取為19 kN/m3，按覆蓋層厚度按25 m計算，有利摩擦阻力可達到1 645 kN/m，按改進后的計算公式（5）計算，可得臨界深度為22.1 m，計算滿足地基穩(wěn)定性的頂板埋深為58.1 m，剛好能滿足個別巷道埋深為60 m的要求。改進后的公式計算結果能滿足部分架設塔位基礎的穩(wěn)定性要求，可做為優(yōu)化方案實施。

4 穩(wěn)定性評價的進一步工作

小窯采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素還取決于開采區(qū)域的地質、采礦諸多條件，如采煤方法及頂板管理方法、覆巖巖性、開采深度、煤層傾角、采出煤層厚度、采動性質等。工作中還需在地基穩(wěn)定性評價的基礎上，綜合考慮采空區(qū)與桿塔的相互影響程度、擬采取的抗采動影響技術措施的難易程度和工程造價對建設場地的適宜性進行了分區(qū)，其標準如下：

1）非適宜區(qū)：存在地面發(fā)生非連續(xù)變形的可能，不穩(wěn)定區(qū)；桿塔建設對采空區(qū)影響大或采空區(qū)殘余變形對桿塔工程的影響大；需規(guī)劃、建筑、結構、采空區(qū)治理等的綜合設計，處理難度大且造價高。

2）基本適宜區(qū)：基本穩(wěn)定區(qū)；采空區(qū)對桿塔工程影響中等；桿塔建設對采空區(qū)穩(wěn)定性影響較小。采取規(guī)劃、建筑、結構、地基處理等措施可以控制殘余變形對桿塔的影響。

3）適宜區(qū)：穩(wěn)定區(qū)；采空區(qū)對桿塔影響??；桿塔建設對采空區(qū)穩(wěn)定影響??；采取規(guī)劃、建筑、結構措施可以建設。

根據(jù)途徑采空區(qū)建設適宜性分區(qū)結論，優(yōu)化的塔位位置首先必須處于適宜性分區(qū)中基本適宜區(qū)或適宜區(qū)，然后同時滿足最小臨界穩(wěn)定深度的情況，綜合的判定采空區(qū)對擬建鐵塔的適宜性。

5 結 論

針對小窯采空區(qū)的頂板穩(wěn)定性評價公式的改進，可以更加精確的判別頂板的穩(wěn)定性，由于原公式忽略了上覆土對側向土壓力的有利影響，使得計算偏于保守。采用改進后公式適用于絕大多數(shù)礦層上存在上覆土的情況，公式增加了有利側摩阻力，減小了小窯采空區(qū)頂板上所受的壓力，從而縮短了臨界穩(wěn)定評價深度，但小窯采空區(qū)地基的穩(wěn)定性評價體系及采空區(qū)上建筑物選址還受到很多因素的影響，因此有必要對類似的工程進一步的研究。

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【責任編輯：解連江】

Improvement of evaluation formula of stability in small kiln goaf

BAI Miao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

The present evaluation formula for roof stability of mined-out area does not consider the effect of Quaternary overburden on the assumed wedge earth pressure in mined-out area.Therefore,there are some differences between the calculation and the actual situation.Taking the engineering examples as background,the article discusses the formula improvement.

goaf;small kiln;formula improvement

TD824

B

1671－9816（2017）07－0081－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.023

柏淼.小窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價公式的改進［J］.露天采礦技術，2017，32（7）：81-83

2017-04-04

柏 淼（1985—），男，遼寧阜新人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于東北大學資源與土木學院巖土工程專業(yè)，主要從事巖土勘察與設計工作。