李 滿 喜

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘察中心山西總隊，山西 太原 030031)

山西省為煤炭資源儲存及開采大省，伴隨煤炭資源開采，遺留大量煤礦采空區(qū)。采空區(qū)對煤礦周邊居民居住環(huán)境及建筑形成巨大的影響，對經(jīng)過采空區(qū)的公路、鐵路及其他工程建設(shè)項(xiàng)目形成較大的安全威脅，故對煤礦采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評價是對采空區(qū)綜合治理、消除安全隱患的一項(xiàng)前期重要工作。

本文以南則隧道工程中煤炭采空區(qū)穩(wěn)定性評價為例，淺談多種采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

南則隧道位于中陽縣張子山鄉(xiāng)南則村，位于山西省中陽縣境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬呂梁市中陽縣。地勢略呈兩側(cè)溝谷低、中部山梁高。隧道橫穿南則村，進(jìn)口里程K0+345，設(shè)計高程1 117.45 m，出口里程K0+895，設(shè)計高程1 126.99 m，隧道底板最大埋深103.05 m，位于K0+679處，隧道全長550 m，屬中隧道。自然地理屬晉西黃土高原，屬呂梁山西側(cè)的中低山區(qū)，地貌類型為侵蝕的黃土梁、塬。

2 勘察目的及方法

2.1 勘察目的

通過各種工程方法，收集及查明礦區(qū)氣象、水文、地形地貌、地震、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等特征，采空區(qū)的分布及開采時間、范圍、深度、采厚、開采方法、采取率、頂板巖性和厚度、頂板管理方法等采空要素，對采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評價，進(jìn)一步研究和評價采空區(qū)的穩(wěn)定條件，變形值大小，變形發(fā)展階段和穩(wěn)定發(fā)展趨勢。

2.2 勘察方法

工程地質(zhì)調(diào)繪：調(diào)查區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀、巖性、厚度及其與含礦地層的關(guān)系；區(qū)內(nèi)地形、地貌、水文、氣象等；區(qū)內(nèi)與采空區(qū)有關(guān)的其他不良地質(zhì)類型、分布情況；調(diào)查勘察區(qū)地表裂縫、塌陷、移動盆地特征；調(diào)查勘察區(qū)覆巖巖土類型及其工程性能；地下水的類型、水位埋深、水位動態(tài)變化。物探：物探采用瞬變電磁法和測氡法對測區(qū)進(jìn)行面積性的掃面工作，主要目的是測量工作區(qū)內(nèi)的物探異常特征，從而推斷出區(qū)內(nèi)采空區(qū)地下構(gòu)造具體位置?？碧剑焊鶕?jù)采空區(qū)物探揭示的異常區(qū)，對推測采空區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，并查明采空區(qū)的頂板、底板及地層、水文等相關(guān)要素，鉆探時采集巖樣、土樣，對進(jìn)行天然極限抗壓強(qiáng)度測試和土常規(guī)分析。

3 地層巖性

4 成果綜述

4.1 物探成果綜述

通過對瞬變電磁法資料和測氡法資料的處理解釋，結(jié)合收集的地質(zhì)資料綜合分析：工作區(qū)主要為對4號煤層存在大面積開采破壞情況，共解釋了采空破壞區(qū)5處，統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 4號煤層采空破壞區(qū)統(tǒng)計表 m2

4.2 鉆探

為進(jìn)一步查明采空區(qū)塌落狀態(tài)，采空區(qū)的埋深等特征，在分析中采空區(qū)布設(shè)3個鉆孔，如表2所示。

表2 采空區(qū)鉆探成果一覽表

5 采空區(qū)特征

1)采空區(qū)地貌單元屬于黃土丘陵區(qū)，微地貌為沖溝、黃土梁。地表為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉土、粉質(zhì)粘土及粉土，下覆巖層主要為石炭紀(jì)太原組厚～巨厚層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖。2)根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及物探解譯結(jié)果知，采空區(qū)分布在K0+320～K0+770段，采空區(qū)長度450 m。3)布設(shè)ZK2，ZK3，ZK4對采空區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，主要揭露4號煤層。ZK2：位于路線里程樁號K0+500，線路左37 m，開孔層位為第四系上更新統(tǒng)粉土及粉質(zhì)粘土，厚度28.0 m，下部為下更新統(tǒng)的粉質(zhì)粘土層，厚度74.0 m，下至孔底為石炭紀(jì)太原組泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖，厚度164.6 m。在243.6～244.50為4號煤層，厚度0.90 m，未開采或煤柱，263.9～265.45為8號煤層，厚度1.55 m，未開采或煤柱。在173 m左右發(fā)生鉆探液大量損耗，終孔深度272.45 m。ZK3：位于路線里程樁號K0+356，線路右21 m，開孔層位為第四系全新統(tǒng)的填土層，填土主要為粉土及粉質(zhì)粘土，厚度7.6 m，其次為上更新統(tǒng)粉土及粉質(zhì)粘土，厚度14.7 m，下部為下更新統(tǒng)的粉質(zhì)粘土層，厚度67.1 m，下至孔底為石炭紀(jì)太原組泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖，厚度141.0 m。在225.75 m～227.25 m發(fā)生掉鉆，為4號煤層采空段，厚度1.5 m。在151 m～161 m及174 m～180 m左右兩段發(fā)生鉆探液損耗現(xiàn)象，200 m～225 m段，巖芯破碎，終孔深度230.45 m。ZK4：位于路線里程樁號K0+652，線路左74 m，開孔層位為第四系上更新統(tǒng)粉土及粉質(zhì)粘土，厚度26.0 m，下部為下更新統(tǒng)的粉質(zhì)粘土層，厚度132.45 m，下至孔底為石炭紀(jì)太原組泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖，厚度171.8 m。在324.75～325.85為4號煤層，厚度1.10 m，未開采或煤柱。在227 m左右鉆探液發(fā)生損耗，終孔深度330.25 m。綜上，采空區(qū)的鉆探成果與物探推斷解釋相吻合。

6 煤礦采空區(qū)對公路工程的影響程度及其穩(wěn)定性評價

6.1 根據(jù)擬建構(gòu)造物與采空區(qū)相對位置定性評價

中陽張子山煤業(yè)有限公司煤礦采空區(qū)位于路線南則隧道底板下135 m～221 m，4號煤層采厚為1.5 m～2.0 m，結(jié)構(gòu)物為南則隧道。

采空區(qū)位于隧道之下，煤礦采空區(qū)未放頂，采空區(qū)對南則隧道具有一定影響。路線經(jīng)過地段，地表無變形，地表未見變形形成的張裂隙，煤礦采空區(qū)對隧道影響較小。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》第4.2.1條，采空區(qū)上覆圍巖主要為砂巖及砂質(zhì)泥巖，屬中硬覆巖，煤礦停采時間為2007年，t>3.0年，按停采時間評價采空區(qū)場地穩(wěn)定等級為穩(wěn)定；采深與采厚比H/M=140～220，按照采深與采厚比評價場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定。

依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》第12.2.3條，地表無裂縫、臺階、塌陷坑，按變形特征評價采空區(qū)場地穩(wěn)定等級為穩(wěn)定；松散層厚度大于30 m，按頂板巖性及松散層厚度評價采空區(qū)場地穩(wěn)定等級為穩(wěn)定。

6.2 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及勘察區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定量評價

巖層的地表移動和變形受地質(zhì)條件、采煤方法等多種因素綜合影響，包括覆巖力學(xué)性質(zhì)、巖層組成和土石比例關(guān)系、采煤方法及頂板管理方法、開采深度、采煤厚度、采深采厚比、工作面開采時間、地表變形特征等。

按小窯考慮，采深與采厚比：

H/M=(min225/2,max324/2)=(min112,max162)。

冒落帶的高度采用下式進(jìn)行計算：

其中，h為冒落帶高度；m為采出煤層厚度，按2.0 m計；k為巖石碎脹系數(shù)，取值1.25；α為煤層傾角，按5°計。

經(jīng)計算，4號煤層采空區(qū)冒落帶高度為8.0 m。

4號煤層頂板為厚層狀砂質(zhì)泥巖，本項(xiàng)目采用冒落裂隙帶高度為采厚的15倍進(jìn)行評價。

6.3 預(yù)測地表變形

根據(jù)《礦山開采學(xué)》公式，預(yù)算最大移動和變形值：

1)最大下沉量：

W=mqcosα=2×0.80×cos5°=1.58 mm。

2)最大傾斜值：

i=w/r=w/(H/tgβ)；

β=δ-(0.6-0.7)δ=23°。

3)最大曲率值：K=±1.52W/r2。

4)最大水平移動：U=bw。

5)最大水平變形值：ε=±1.52bW/r。

根據(jù)上述公式計算各煤礦采空區(qū)主要變形參數(shù)見表3。

表3 采空區(qū)最大變形參數(shù)表

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》12.4.2，確定采空區(qū)經(jīng)分析和剩余變形量計算，總體評價，采空區(qū)場地穩(wěn)定性好。

6.4 根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》頂板臨界深度評價

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》進(jìn)行穩(wěn)定性評價，結(jié)合鉆孔資料，第四紀(jì)粉質(zhì)粘土重度取值20 kN/m3,石炭紀(jì)太原組泥巖及泥砂巖重度取26.5 kN/m3，巷道位于路線下135 m～221 m，

第四紀(jì)粉質(zhì)粘土厚度按60 m計算，巖石厚度按135 m～160 m計。

巷道寬度取5 m，φ取值50°，路面設(shè)計單位荷載P0=300 kN/m2。

巷道位于路線下200 m時，γ=24.5 kN/m3，計算得H0分別為32.3 m～32.5 m，H=200 m>1.5H0=48.8 m。

綜上，根據(jù)計算結(jié)果表明，在公路荷載作用下，地基穩(wěn)定，不會產(chǎn)生坍塌、沉陷等現(xiàn)象。

7 結(jié)語

通過不同的方法對南則隧道下覆采空區(qū)穩(wěn)定性的評價，其穩(wěn)定性評價結(jié)論是一致的、相對穩(wěn)定的。采空區(qū)穩(wěn)定性多種穩(wěn)定性評價的方法，提高單一評價方法的局限，對其他類似工程提供一定的參考依據(jù)，同時提升巖土勘察的質(zhì)量。