楊曉達(dá),聞 磊

(石家莊鐵道大學(xué), 河北 石家莊 050043)

0 引 言

當(dāng)開(kāi)采空間到達(dá)一定范圍后,地表下沉值達(dá)到最大值,它不再隨開(kāi)采長(zhǎng)度(寬度)的增大而增大時(shí),叫做充分采動(dòng)。開(kāi)采沿走向和傾斜長(zhǎng)度達(dá)到0.9～2.2倍平均采深(礦體傾斜方向的中部距地表高)時(shí)為充分采動(dòng),這一數(shù)值隨覆巖穩(wěn)固程度的增加而增大,少數(shù)最穩(wěn)固的覆巖達(dá)到充分采動(dòng)所要求的開(kāi)采長(zhǎng)度可達(dá)3倍平均采深。

按照煤礦采空區(qū)與隧道的位置關(guān)系,可分為老采空區(qū)位于隧道上方和下方2種情況,都屬充分采動(dòng)。當(dāng)空區(qū)位于隧道上方時(shí),采動(dòng)后引起的巖層移動(dòng)主要在空區(qū)的上方,不會(huì)對(duì)空區(qū)下面的隧道產(chǎn)生影響。當(dāng)空區(qū)位于隧道正下方時(shí),如采空區(qū)不能自穩(wěn)發(fā)生冒落,會(huì)引起上覆巖層塌落或者地表沉降,從而對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。根據(jù)對(duì)老煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性分析,充分采動(dòng)后的空區(qū)無(wú)法自穩(wěn),頂板會(huì)發(fā)生垮冒,直至冒落巖塊填滿空區(qū)。本文按最不利情況即隧道正下方的空區(qū)完全垮冒充填空區(qū)后是否對(duì)隧道造成影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 隧道與煤礦空間位置關(guān)系

隧道備選方案K線和D線自北向南從煤礦礦區(qū)中間穿過(guò),將礦區(qū)劃分為東西兩塊。隧道進(jìn)口至ZK66＋600段,礦山開(kāi)采煤層位于隧道上方,ZK66＋600至隧道出口段,開(kāi)采煤層位于隧道下方。其中,D線相對(duì)于K線,隧道進(jìn)口至ZK67＋230位置不變,出口位置北移約100 m。由于礦山進(jìn)行多年的開(kāi)采,隧道周邊分布有一定規(guī)模老采空區(qū),其空區(qū)的分布與該隧道的關(guān)系：

(1)進(jìn)口至ZK66＋600段。該段屬礦區(qū)規(guī)劃開(kāi)采的二盤(pán)區(qū),煤層位于該段的上方,二盤(pán)區(qū)在隧道施工前屬技改礦區(qū),由于隧道施工,二盤(pán)區(qū)目前未進(jìn)行技改和開(kāi)采,原開(kāi)采形成的老采空區(qū)位于隧道上方,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,二盤(pán)區(qū)＋700 m以上煤層已基本采完,原運(yùn)輸巷道距隧頂部12～15 m,采空區(qū)距隧道頂部厚約25.60～76.40 m。

(2)ZK66＋600至出口段。該段少部分屬礦區(qū)規(guī)劃開(kāi)采的二盤(pán)區(qū),大部分位于一盤(pán)區(qū)內(nèi),與F1斷層近垂直相交,煤層賦存于隧道下方,經(jīng)設(shè)計(jì)變更,一盤(pán)區(qū)為技改礦區(qū),目前,未形成完整的開(kāi)拓系統(tǒng),原開(kāi)采形成的老采空區(qū)位于隧道下方,距隧道底板約70～85 m,經(jīng)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)詢,一盤(pán)區(qū)＋650 m以上煤層已基本采完。

2 應(yīng)用三帶理論預(yù)計(jì)裂隙帶高度

礦體采出后,在采空區(qū)周邊巖體中產(chǎn)生復(fù)雜的位移和形變,不再移動(dòng)后的頂板巖體按其破壞程度大小,可將開(kāi)采影響帶分成3部分,即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶,見(jiàn)圖1,求出三帶高度之和,便可計(jì)算出安全開(kāi)采深度。

圖1 采場(chǎng)頂板巖層變形分帶

2.1 冒落帶高度的預(yù)計(jì)與計(jì)算

當(dāng)?shù)V體傾角小于巖石的 自然休止角時(shí),計(jì)算公式為：

式中,M為開(kāi)采法線厚度;α為礦體傾角;K為碎脹系數(shù)。

采用公式(1)時(shí),K值的確定很重要,因?yàn)椴捎貌煌腒值,冒落帶高度差別非常大。覆巖強(qiáng)度越低,系數(shù)選取越小。

上面所討論的前提是冒落帶高度與采厚成正比,實(shí)際上二者不成正比,采厚大的煤礦冒高與采厚的比值趨于減小,因此,用上述方法預(yù)計(jì)的冒落帶高度有較大的安全系數(shù)。根據(jù)煤礦采用崩落法充分采動(dòng)的資料統(tǒng)計(jì),得出計(jì)算冒落帶的方式：在極不充分采動(dòng)條件下,覆巖冒落量更小或不發(fā)生冒落,冒落帶的高度通常小于等于采厚的2.5倍。當(dāng)?shù)V體傾角大于55°時(shí),堅(jiān)硬的覆巖可采用公式(2)計(jì)算：

2.2 裂隙帶高度的預(yù)計(jì)與計(jì)算

依據(jù)相關(guān)規(guī)范,得出急傾斜礦體在正常地質(zhì)條件下經(jīng)過(guò)充分采動(dòng),不同巖體裂隙帶最大高度H裂的計(jì)算：

堅(jiān)硬覆巖：

中硬和軟弱覆巖：

式中,M為開(kāi)采法線厚度,m;H為開(kāi)采垂高,m;H裂為冒落帶與裂隙帶的高度之和,m。

2.3 彎曲帶高度預(yù)計(jì)

通常將覆巖彎曲沉降對(duì)建筑物產(chǎn)生影響所涉及的高度計(jì)為彎曲帶的高度,塑性強(qiáng)的巖體在充分采動(dòng)時(shí),彎曲帶高度往往大于H裂的幾十倍,甚至上百倍,中穩(wěn)以上的巖體則要小得多,現(xiàn)階段對(duì)彎曲帶的高度研究還很不充分,非煤礦山一般只注意地表是否塌陷,冒落能否到達(dá)地表,或地表是否出現(xiàn)過(guò)多裂縫,一般的緩慢下沉,由于它對(duì)構(gòu)筑物的危害程度較小,且可通過(guò)觀測(cè)來(lái)指導(dǎo)搬遷工作,故對(duì)其不予重視。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

按充分采動(dòng)的情況分析采空區(qū)覆巖的冒落帶和裂隙帶高度,煤層傾角9°。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

巖石碎脹系數(shù)K取1.2,覆巖的冒落高度2.5～5.1 m,產(chǎn)生的裂隙帶高度17.0～24.8 m。根據(jù)煤層與隧道之間的巖層厚度分析得出,K線ZK66＋993至ZK67＋555段,D線ZK66＋993至ZK67＋466段煤層與隧道垂直距離大于40 m,空區(qū)引起的覆巖破壞不會(huì)波及隧道,K線ZK67＋555至隧道出口段,D線ZK67＋466至隧道出口段煤層與隧道垂直距離小于40 m,空區(qū)引起的巖層移動(dòng)可能會(huì)波及隧道。

表1 覆巖冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果

3 洞穴頂板坍塌堵塞估算法

該方法適用于頂板風(fēng)化嚴(yán)重,裂隙發(fā)育的情況,頂板塌落時(shí),巖體體積松漲,當(dāng)坍塌至特定高度,空區(qū)被完全填滿,頂板就不再塌落,塌落高度加上合適的安全系數(shù),即為頂板的安全厚度。

坍塌高度h1可用下式估算：

若空區(qū)為棱柱體,則：

若空區(qū)為柱體,則得：

式中,h0為空區(qū)原高度;h1為坍塌的巖體高度。

分析以上2個(gè)公式以及頂板受力情況可以認(rèn)為,坍塌所需高度只需按柱體坍塌考慮即可滿足安全要求,即非完整巖層頂板的厚度大于空區(qū)高度的5倍時(shí)是安全的。若h1以上還有荷載,則應(yīng)加上承受荷載所需要的頂板厚度,才是空區(qū)頂板的安全厚度。

根據(jù)洞穴頂板坍塌堵塞估算法分析煤礦采空區(qū)失穩(wěn)后的塌落高度,按碎脹系數(shù)K＝1.2計(jì)算,見(jiàn)表2。

目前礦山井下空區(qū)高度一般為0.5～1.0 m,采空區(qū)失穩(wěn)后產(chǎn)生塌落的最大高度為2.5～5.0 m,根據(jù)煤層與隧道之間的巖層厚度分析,一盤(pán)區(qū)煤層與隧道垂直距離大于20 m,空區(qū)引起的覆巖坍塌不會(huì)波及隧道。二盤(pán)區(qū)隧道下方煤層未進(jìn)行開(kāi)采,無(wú)采空區(qū)。

表2 空區(qū)坍塌高度計(jì)算結(jié)果

4 小 結(jié)

通過(guò)對(duì)老采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料分析,隧道進(jìn)口至ZK66＋600段,煤層位于隧道上方,開(kāi)采后引起的巖層移動(dòng)不會(huì)對(duì)隧道造成不利影響;ZK66＋600至ZK66＋993段,煤層位于隧道下方,與隧道的垂直距離較近,但礦山尚未進(jìn)行開(kāi)采,不會(huì)對(duì)隧道造成影響;ZK66＋993至隧道出口段,煤層位于隧道的下方,存在一定規(guī)模的采空區(qū),與隧道底板的垂直距離在20 m以上,老采空區(qū)對(duì)隧道的影響主要集中在該段。通過(guò)三帶理論和洞穴頂板坍塌堵塞估算法對(duì)老采空區(qū)穩(wěn)定性及空區(qū)對(duì)隧道的影響分析,得出：

(1)三帶理論計(jì)算分析表明,巖石碎脹系數(shù)K＝1.2時(shí),覆巖的冒落高度2.5～5.1 m,產(chǎn)生的裂隙帶高度17.0～24.8 m。根據(jù)煤層與隧道之間的巖層厚度分析得出,K線ZK66＋993至ZK67＋555段,D線ZK66＋993至ZK67＋466段煤層與隧道垂直距離大于40 m,空區(qū)引起的覆巖破壞不會(huì)波及隧道,K線ZK67＋555至隧道出口段,D線ZK67＋466至隧道出口段煤層與隧道垂直距離小于40 m,空區(qū)引起的巖層移動(dòng)可能會(huì)波及隧道。

(2)根據(jù)洞穴頂板坍塌堵塞估算法得到的結(jié)果,目前礦山井下空區(qū)高度一般為0.5～1.0 m,礦柱和頂板失穩(wěn)后產(chǎn)生塌落的最大高度為2.5～5.0 m,根據(jù)煤層與隧道之間的巖層厚度分析,ZK66＋993至隧道出口段煤層與隧道垂直距離大于20 m,空區(qū)引起的覆巖坍塌不會(huì)波及隧道。