張會(huì)鋒

摘 要：以忻州市三大板塊旅游公路偏關(guān)縣境內(nèi)第一期工程項(xiàng)目（長城1號(hào)公路老牛灣至老營段）為例，通過多種勘察方法驗(yàn)證采空區(qū)的各項(xiàng)特征，根據(jù)相關(guān)規(guī)范并參照同類項(xiàng)目的實(shí)例簡要分析煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性問題。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū);勘察;評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：C91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0171-02

0 引言

忻州市三大板塊旅游公路，在保持山西省原五大旅游區(qū)格局不變的情況下，通過其所在區(qū)域、資源特色和產(chǎn)業(yè)地位，實(shí)現(xiàn)全域旅游的創(chuàng)新整合，是忻州市促進(jìn)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)民增收致富、農(nóng)村面貌改善，打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要任務(wù)。偏關(guān)縣境內(nèi)第一期工程項(xiàng)目作為其重要組成部分，其建成會(huì)在一定程度加快偏關(guān)縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)脫貧攻堅(jiān)的工作的進(jìn)展。但在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)局部段落存在煤礦采空區(qū)，給公路建設(shè)帶來極大隱患，如何準(zhǔn)確勘察采空區(qū)的分布特征及評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)單位提供可靠的工程地質(zhì)資料就顯得極為迫切。

1 簡述

擬建公路K22+000-K29+000段位于草垛山-馬家焉向斜核部，向斜軸向NNE，南起偏關(guān)縣城北東泥焉、大莊窩一帶，向北東經(jīng)馬家焉、草垛山至黃家梁村以北，全長約23km，為軸面近直立的平緩、對(duì)稱、短軸向斜。其兩翼地層為奧陶系下統(tǒng)三山子組白云巖及中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r，產(chǎn)狀較緩。該向斜核部儲(chǔ)存有厚薄不一的煤層和窩子透鏡狀硫鐵礦，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，在麥虎村及草垛山村等地有礦口殘留，其開采規(guī)模小，開采隨意性很大，開采系統(tǒng)不正規(guī)，無完整的地質(zhì)及采煤資料。

2 勘察目的與方法

2.1 勘察目的

在利用可行性研究階段資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步收集地質(zhì)、采礦資料，并借助工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等手段查明采空區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件、采空區(qū)分布及其要素特征，為采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、確定采空區(qū)處置提供依據(jù)。

2.2 勘察方法

本次采空區(qū)勘察采用收集資料、工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等手段對(duì)采空區(qū)進(jìn)行綜合勘察。

2.2.1 收集資料

對(duì)路線左右兩側(cè)存在的煤礦進(jìn)行走訪，收集礦區(qū)地質(zhì)報(bào)告、礦產(chǎn)采掘工程平面圖、井上井下對(duì)照圖、采區(qū)平面布置圖等以及相關(guān)文字資料。

2.2.2 工程地質(zhì)調(diào)繪

在收集并充分研究項(xiàng)目區(qū)1：5萬區(qū)域地質(zhì)圖的基礎(chǔ)上，運(yùn)用傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查方法，結(jié)合采空區(qū)的分布、規(guī)模等特點(diǎn)，對(duì)區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)條件及其相關(guān)內(nèi)容如地面塌陷、裂縫等進(jìn)行調(diào)查和描述，采用1：2000路線地形圖作為填圖底圖，沿路線中線左右各拓展200～300m的范圍，對(duì)路線走廊帶進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)繪，重點(diǎn)對(duì)建設(shè)場地、不良地質(zhì)及特殊巖土分布路段進(jìn)行了調(diào)繪工作。

工程地質(zhì)調(diào)繪方法以追索法、穿越法為主，并結(jié)合定點(diǎn)觀察進(jìn)行，路線穿越觀察以設(shè)計(jì)路線為主，并結(jié)合橫向穿越，必要時(shí)沿地層、構(gòu)造和地貌界線追蹤，以確保查明路線通過區(qū)的各種地質(zhì)界線、地貌界線及不良地質(zhì)現(xiàn)象;定點(diǎn)觀察主要是為了解地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體完整程度、地貌特征、物理地質(zhì)現(xiàn)象的特征等。

在工程地質(zhì)調(diào)繪的同時(shí)進(jìn)行采空區(qū)專項(xiàng)調(diào)查，針對(duì)該采空區(qū)無完整資料的特點(diǎn)，通過走訪當(dāng)事人和知情人，對(duì)區(qū)內(nèi)煤層的開采情況、礦井坑口的位置、采空區(qū)基本要素進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括礦山的性質(zhì)、開采礦種、開采規(guī)模、開采層位、開采年限、開采方式、頂板管理方式、回采率、埋深、采厚﹑礦層頂、底板巖性、地表變形特征及地下水賦存情況等。并對(duì)采空區(qū)地表移動(dòng)變形特征的現(xiàn)狀如裂縫寬度、深度、長度與延伸方向及塌陷規(guī)模進(jìn)行調(diào)繪和描述。

2.2.3 地球物理勘探

通過對(duì)調(diào)查成果分析后，進(jìn)行物探工作的布設(shè)，本段采空區(qū)地形起伏較大，煤層埋深介于80～100m之間，物探方法采用瞬變電磁法。在擬建路線沿路線方向兩側(cè)各30m布設(shè)兩條縱向測線，根據(jù)調(diào)查到的采空區(qū)情況確定物探點(diǎn)、線的距離，點(diǎn)距一般為10～20m，線距10～20m，在異常區(qū)布設(shè)橫向測線進(jìn)行加密探測。

2.2.4 鉆探

根據(jù)調(diào)查及物探解譯成果，對(duì)物探工作劃定的采空區(qū)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，鉆探深度達(dá)到采空區(qū)底板以下穩(wěn)定地層內(nèi)不小于5m。鉆探工作采用回轉(zhuǎn)式鉆探，全孔取芯，堅(jiān)硬完整巖層巖芯采取率大于85%，強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體和采空區(qū)冒落段巖芯采取率均大于50%。對(duì)采空區(qū)冒落帶及掉鉆、卡鉆和漏水等現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)記錄和描述。

3 采空區(qū)分布特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及物探、鉆探成果，K23+400-K23+760和K26+360-K27+330段位于采空區(qū)范圍。開采煤層1層，一般厚度0.5-2.0m，平均厚1.0m，頂板為砂巖，底板為泥巖，巖層產(chǎn)狀249°∠15°。

麥虎村煤礦位于萬家寨鎮(zhèn)麥虎村，位于K23+400-K23 +760段，長度約360m，該煤礦于1950年開采，1995年停采，主巷道寬約2-3m，高約1.5-2.0m，煤層埋深90-100m，主巷道走向南南西，延伸長度約1800m，年產(chǎn)量約9000t/年，房柱式開采，回采率約30%。

草垛山村煤礦位于萬家寨鎮(zhèn)草垛山村，位于K26+360-K27+330段，長度970m，該煤礦于1971年開采，1995年停采。主巷道寬約2-3m，高約1.5-2.0m，煤層埋深80-100m，主巷道走向北北東，延伸長度約1000m，年產(chǎn)量約7000t/年，房柱式開采，回采率約30%。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

4.1 采深采厚比計(jì)算評(píng)價(jià)

本采空區(qū)類型為房柱式，根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》第4.2條采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不規(guī)則柱式采空區(qū)，應(yīng)根據(jù)其采深采厚比按規(guī)范中表4.2.1-4的相關(guān)規(guī)定評(píng)價(jià)場地穩(wěn)定性，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1。

計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果如表2。

4.2 地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間計(jì)算評(píng)價(jià)

煤礦開采影響到地表而產(chǎn)生移動(dòng)和變形的時(shí)間，主要與開采深度、松散層厚度、煤層上覆巖層的巖性、開采速度等因素有關(guān)。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)范》的規(guī)定，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間（T）可根據(jù)下式進(jìn)行估算：

T=2.5H0（d）

式中：H0-平均采深，此處取100m。

經(jīng)過計(jì)算得出T=0.685a。

計(jì)算結(jié)果表明，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間不超過1年，而項(xiàng)目區(qū)有影響的所采煤層終采時(shí)間距今約23年，所以項(xiàng)目區(qū)遭受老采空影響的地表移動(dòng)期已基本結(jié)束。另據(jù)我國采空區(qū)對(duì)地表影響經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采空區(qū)停采10年以上，在地基穩(wěn)定性論證的基礎(chǔ)上，采空區(qū)上方及采區(qū)影響范圍內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)基本可行。

4.3 采空區(qū)冒落帶、裂縫帶計(jì)算評(píng)價(jià)

煤層采空后，采空區(qū)覆巖在垂直方向上的破壞可分為冒落帶、裂縫帶及彎曲帶，簡稱“三帶”。冒落帶是指由采煤引起上覆巖層破裂并向采空區(qū)垮落的范圍;裂隙帶是指冒落帶上方的巖層產(chǎn)生斷裂或裂縫，但仍保持其原有層狀的巖層范圍;彎曲帶是指斷裂帶上方直至地表產(chǎn)生彎曲的巖層范圍。

根據(jù)本次勘察成果，該煤礦采空區(qū)上覆巖層主要為砂巖、砂質(zhì)頁巖，屬中硬巖，依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》附錄C提供的冒落帶、裂縫帶高度計(jì)算公式：

Hm=

Hli=

式中：Hm-冒落帶高度（m）;

Hli-裂縫帶高度（m）;

∑M-累計(jì)采厚（m）（取1.0m）。

經(jīng)過計(jì)算得出Hm=6.42m;Hli=24.83m。

對(duì)于老采空區(qū)影響范圍內(nèi)的工程建設(shè)問題，在無新的開采擾動(dòng)的情況下，可以采用以構(gòu)造物荷載影響深度、采空區(qū)“冒落裂縫帶”發(fā)育高度是否相互重疊，作為評(píng)價(jià)老采空區(qū)的“活化”、地基穩(wěn)定性及其對(duì)構(gòu)筑物影響的主要依據(jù)。也就是說“冒落裂縫帶”高度和地面構(gòu)筑物荷載影響深度之和小于煤層開采深度為穩(wěn)定，“冒落裂縫帶”高度和地面構(gòu)筑物荷載影響深度之和大于煤層開采深度為不穩(wěn)定。

擬建公路以一般路基形式穿越采空區(qū)，其工程荷載影響深度一般不大于10m，“冒落裂縫帶”高度與地面構(gòu)筑物荷載影響深度之和為41.25m，小于煤層最小開采深度80m。因此擬建公路在該采空區(qū)場地地表的加載不會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層和地表移動(dòng)“活化”而失穩(wěn)，地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

該采空區(qū)場地處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)對(duì)公路建設(shè)的影響不大，不必對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理?？煽紤]加鋪土工布、土工格柵等材料，提高路基的整體穩(wěn)定性，路面設(shè)計(jì)可采用柔性材料，以滿足采空區(qū)剩余變形要求，并加強(qiáng)路基沉降觀測工作。

6 結(jié)語

山西省為煤炭資源大省，采空區(qū)分布很廣，公路建設(shè)受采空區(qū)影響越來越突出，且山西省采煤歷史悠久，采空區(qū)類型、規(guī)模及開采形式各有不同，采空區(qū)勘察應(yīng)采用工程地質(zhì)調(diào)繪、現(xiàn)場調(diào)查、地球物理勘探及鉆探等手段詳細(xì)查清采空區(qū)的分布特征及上覆巖體的工程性質(zhì)，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)采空區(qū)的分布特征選用不同的評(píng)價(jià)方法，為設(shè)計(jì)單位進(jìn)行后續(xù)路線設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

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