鐘儲(chǔ)漢

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257026

某輸氣管道工程穿越煤礦采空區(qū)，該區(qū)域場(chǎng)地位于廣東省，地形地貌主要為丘陵，標(biāo)高約為120～350 m，場(chǎng)地下覆采空區(qū)對(duì)擬建管道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了較大的危險(xiǎn)，因此必須對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 自然條件和地質(zhì)概況

擬建管道水平長(zhǎng)度約為7.1 km，采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)范圍為擬建管道兩側(cè)各200 m，采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)位置見圖1，管道中線兩側(cè)場(chǎng)地植被較發(fā)育，低洼地段種植水稻及經(jīng)濟(jì)作物，并分布少量魚塘。

圖1 某煤礦采空區(qū)輸氣管道工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)位置

采空區(qū)場(chǎng)地地層由老到新出露有二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系地層，第四系厚度約0～10 m，表層為雜填土，下部為粉質(zhì)黏土、黏土，與下伏基巖地層呈不整合接觸。區(qū)內(nèi)地層走向呈北西南東方向，自茶山南區(qū)延展至鉤嘴嶺急速呈90° 折向東。向北復(fù)又呈北西南東向延出本區(qū)，與花坪、云頂區(qū)相聯(lián)。地層呈急傾斜并進(jìn)而在深部出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，同時(shí)又在鉤嘴嶺一帶因地層走向的變化產(chǎn)生了明顯的褶曲。場(chǎng)地所在區(qū)含煤地層主要為二疊系龍?zhí)督M地層，自下而上可分為：無(wú)煤段（P2L1）、云煤段（P2L2）、余煤段（P2L3）、海相層（P2L4）、東煤段（P2L5）五個(gè)巖性段。采空區(qū)場(chǎng)地的基巖地質(zhì)見圖2。

圖2 采空區(qū)場(chǎng)地基巖地質(zhì)

2 采空區(qū)情況

采空區(qū)場(chǎng)地下方共分布有21#、16#、15#、12#、11#、10#、7#、6#、4#、A#共 10 層煤采空區(qū)，見表 1。

表1 10層煤采空區(qū)情況一覽

3 采空區(qū)場(chǎng)地變形規(guī)律

3.1 采空區(qū)場(chǎng)地覆巖變形破壞規(guī)律

煤層采出后，在采空區(qū)周圍的巖層中發(fā)生了較為復(fù)雜的移動(dòng)和變形，按其破壞程度，可將移動(dòng)穩(wěn)定后的巖層大致分為3個(gè)不同的開采影響帶，即垮落帶Ⅰ、斷裂帶Ⅱ、彎曲帶Ⅲ[1]，如圖3所示?？迓鋷Б瘛嗔褞Б蚝蛷澢鷰Б蟮目臻g輪廓主要受煤層傾角α大小的影響，見圖4。

圖3 采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動(dòng)分帶示意

圖4 垮落帶、斷裂帶和彎曲帶的空間輪廓

采空區(qū)場(chǎng)地位于山區(qū)，地表起伏較大，松散層厚約0～10 m。采空區(qū)場(chǎng)地下方各煤層傾角較大，屬傾斜/急傾斜煤層采空區(qū)，各煤層采空區(qū)在煤層露頭位置，尤其是煤層傾角大于55°的急傾斜采空區(qū)分布區(qū)發(fā)生不連續(xù)變形的可能性大，其他區(qū)段地表移動(dòng)變形為連續(xù)變形。

3.2 采空區(qū)地表剩余變形預(yù)測(cè)

根據(jù)規(guī)范[2]及類似采空區(qū)場(chǎng)地經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮采空區(qū)回采情況，考慮覆巖巖性，選取的現(xiàn)狀地面變形計(jì)算參數(shù)為：下沉系數(shù)0.85，影響角正切值2.2，水平移動(dòng)系數(shù)0.25。采空區(qū)場(chǎng)地已發(fā)生的最大地表變形估算值見表2。

表2 截至2018年7月采空區(qū)場(chǎng)地已發(fā)生的最大地表變形值

采空區(qū)場(chǎng)地已發(fā)生的地表下沉值為0～4 800mm，場(chǎng)地剩余下沉值為0～90 mm，剩余傾斜為0.1～2.5 mm/m，剩余水平變形為0～1.8 mm/m，剩余曲率為0～0.18×10-3/m，采空區(qū)場(chǎng)地剩余最大地表變形值見表3。

表3 采空區(qū)場(chǎng)地剩余最大地表變形值

3.3 地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間

地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間T可按以下方法確定[2]：即一般可根據(jù)最大下沉點(diǎn)的下沉曲線和下沉速度曲線求得。其發(fā)生和發(fā)展規(guī)律一般可劃分為四個(gè)階段：初始期、活躍期、衰退期、殘余變形期，見圖5。

圖5 地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間的確定方法

（1）當(dāng)根據(jù)最大下沉點(diǎn)的下沉量、下沉速度與時(shí)間關(guān)系曲線確定地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間T時(shí)，可按下列方法確定：第一，下沉10 mm時(shí)為移動(dòng)期開始的時(shí)間。第二，連續(xù)6個(gè)月累計(jì)下沉值不超過(guò)30 mm時(shí)，可認(rèn)為地表移動(dòng)期結(jié)束。第三，從地表移動(dòng)期開始到結(jié)束的整個(gè)時(shí)間為地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間。第四，在地表移動(dòng)過(guò)程的延續(xù)時(shí)間內(nèi)，當(dāng)煤層傾角＜55°時(shí)，地表下沉速度＞50 mm/月（1.7 mm/d），或當(dāng)煤層傾角≥55°時(shí)，地表下沉速度＞30 mm/月（1.0 mm/d） 的時(shí)間可劃為活躍期，從地表移動(dòng)期開始到活躍期開始的階段可劃為初始期，從活躍期結(jié)束到移動(dòng)期結(jié)束的階段可劃為衰退期。

（2）無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間T（計(jì)量單位為d）可根據(jù)下式計(jì)算：

當(dāng)H≤400 m時(shí)：T=2.5H

當(dāng)H＞400 m時(shí)：T=1 000 exp（1-400/H）式中：H為工作面平均采深，m。

采空區(qū)場(chǎng)地附近采空區(qū)的最大采深為510 m，最晚開采時(shí)間為2005年。因此：T=1 000 exp（1-400/H） =1 000 exp（1-400/510） =1 244 （d）（約3年零5個(gè)月）。地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間約為3年零5個(gè)月，而采空區(qū)場(chǎng)地的最遲開采時(shí)間為2005年，距今已超過(guò)13年，因此從時(shí)間上評(píng)價(jià)，采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

3.4 采空區(qū)影響范圍

地表移動(dòng)盆地一般有三個(gè)邊界，即移動(dòng)盆地的最外邊界、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界及裂縫邊界，相對(duì)應(yīng)的角值參數(shù)為邊界角、移動(dòng)角及裂縫角。移動(dòng)盆地最外邊界是以地表移動(dòng)和變形都為零的盆地邊界點(diǎn)所圈定的邊界，由儀器觀測(cè)確定，考慮到觀測(cè)誤差，一般以10 mm的下沉等高線為移動(dòng)盆地的邊界線[1]。危險(xiǎn)移動(dòng)邊界是以盆地內(nèi)的地表移動(dòng)與變形對(duì)建筑物有無(wú)危害而劃分的邊界[3]，一般取一組臨界變形值來(lái)確定，如傾斜變形i=3 mm/m，曲率變形K=0.2×10-3/m，水平變形ε=2 mm/m。裂縫邊界是根據(jù)移動(dòng)盆地內(nèi)最外側(cè)的裂縫圈定的邊界來(lái)確定。

采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要考慮采空區(qū)對(duì)建筑物的危害，因此對(duì)老采空區(qū)一般采用移動(dòng)角圈定采空區(qū)影響范圍，對(duì)新采空區(qū)以邊界角圈定采空區(qū)影響范圍。本次評(píng)價(jià)采用的移動(dòng)角和邊界角參數(shù)的選取主要參考規(guī)范[4]及類似采空區(qū)場(chǎng)地的經(jīng)驗(yàn)。移動(dòng)角：走向移動(dòng)角δ=65°，上山移動(dòng)角γ=75°，下山移動(dòng)角β=70°，松散層移動(dòng)角ψ=45°；邊界角：走向邊界角δ0=60°，上山邊界角γ0=65°，下山邊界角β0=60°。按照上述確定的角量參數(shù)，利用地質(zhì)剖面圖作圖的方法，繪制出煤礦開采對(duì)采空區(qū)場(chǎng)地的影響界線（見圖6）。

4 采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)采用開采條件判別法和地表剩余移動(dòng)判別法評(píng)價(jià)采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性。

4.1 開采條件判別法

本次評(píng)價(jià)以采空區(qū)終采時(shí)間和采空區(qū)埋深與垮落斷裂帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為主要因素，結(jié)合地表變形移動(dòng)特征，評(píng)價(jià)采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性。

（1）按終采時(shí)間評(píng)價(jià)。根據(jù)規(guī)范[2]，按終采時(shí)間評(píng)價(jià)的采空區(qū)穩(wěn)定性見表4。采空區(qū)場(chǎng)地下方21#、11#、7#煤層頂板為泥巖，屬于軟弱覆巖；16#、15#、12#、10#、6#、4#煤層頂板為砂巖或粉砂巖，屬于較硬覆巖。采空區(qū)場(chǎng)地下煤礦開采活動(dòng)于2005年全部關(guān)停。至今，終采時(shí)間已超過(guò)13年，按終采時(shí)間判別，采空區(qū)場(chǎng)地下各煤層采空區(qū)屬于穩(wěn)定的采空區(qū)。

圖6 采空區(qū)場(chǎng)地采空區(qū)影響范圍

表4 按終采時(shí)間確定的頂板垮落充分的采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

（2）按采深及垮落斷裂帶高度判別。煤層開采后，上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶[1]?？迓鋽嗔褞r體破碎，裂隙發(fā)育，當(dāng)垮落斷裂帶的發(fā)育高度大于采深，影響至地表，對(duì)擬建輸氣管道的影響大，場(chǎng)地不穩(wěn)定；垮落斷裂帶高度小于采深，距地表有一定距離，綜合考慮采空區(qū)的特征，采空區(qū)埋深＜50 m時(shí)，場(chǎng)地屬于淺埋采空區(qū)，采空區(qū)對(duì)擬建輸氣管道的影響中等，場(chǎng)地為基本穩(wěn)定；當(dāng)垮落斷裂帶高度小于采深，采空區(qū)埋深＞50m時(shí)，采空區(qū)對(duì)擬建輸氣管道的影響小，場(chǎng)地為穩(wěn)定場(chǎng)地，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5?？迓鋽嗔褞Ц叨鹊拇_定可根據(jù)表6和表7給出的公式計(jì)算[2]。

表5 按采深及垮落斷裂帶高度確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

表6 傾角α＜55°的厚層煤分層開采的垮落斷裂帶最大高度計(jì)算公式

表7 急傾斜礦層開采垮落帶和垮落斷裂帶最大高度計(jì)算公式

采空區(qū)場(chǎng)地下方21#、11#、7#煤層頂板為泥巖，屬軟巖（10 MPa≤fr＜20 MPa）；采空區(qū)場(chǎng)地南側(cè)，地層倒轉(zhuǎn)，21#煤層頂板為粉砂巖（20 MPa≤fr＜40 MPa），16#、15#、12#、10#、7#、6#、4#煤層頂板為砂巖或粉砂巖，屬中硬巖（20 MPa≤fr＜40 MPa），根據(jù)表5和表6計(jì)算的采空區(qū)場(chǎng)地內(nèi)各煤層采空區(qū)的垮落斷裂帶高度見表8。

（3）按地表移動(dòng)變形特征評(píng)價(jià)。根據(jù)規(guī)范[2]，可按地表移動(dòng)變形特征定性評(píng)價(jià)采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表9。采空區(qū)場(chǎng)地下各煤層屬傾斜/急傾斜煤層，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查沿管道中線未發(fā)現(xiàn)地面有明顯的塌陷坑、臺(tái)階、地裂縫等變形，分析認(rèn)為各煤層采空區(qū)露頭位置（尤其是煤層傾角＞55°的急傾斜采空區(qū)分布區(qū)）發(fā)生不連續(xù)變形的可能性大，該區(qū)段采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定，其他區(qū)段地表移動(dòng)變形為連續(xù)變形，采空區(qū)埋深＜50 m時(shí)，場(chǎng)地穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定，采空區(qū)埋深＞50 m時(shí)，場(chǎng)地穩(wěn)定性為穩(wěn)定。

表8 采空區(qū)場(chǎng)地采空區(qū)垮落斷裂帶高度計(jì)算結(jié)果

表9 按地表移動(dòng)變形特征確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

4.2 按地表剩余移動(dòng)變形值評(píng)價(jià)

當(dāng)采空區(qū)地表變形為非連續(xù)變形時(shí)，不適合按地表剩余移動(dòng)變形值進(jìn)行場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。而當(dāng)采空區(qū)地表變形為連續(xù)變形時(shí)，可采用地表剩余移動(dòng)變形值進(jìn)行場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。本次評(píng)價(jià)計(jì)算了采空區(qū)場(chǎng)地發(fā)生連續(xù)變形區(qū)段的地表剩余移動(dòng)變形值[5]：采空區(qū)場(chǎng)地（連續(xù)變形區(qū)域） 剩余下沉0～90mm，剩余傾斜0.1～2.5mm/m，剩余水平變形0～1.8mm/m，剩余曲率0～0.18×10-3/m。煤層采空區(qū)各連續(xù)變形采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

4.3 場(chǎng)地穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)采用開采條件判別法和地表移動(dòng)變形判別法評(píng)價(jià)了采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，采空區(qū)場(chǎng)地可劃分為穩(wěn)定區(qū)（W1～W18）、基本穩(wěn)定區(qū)（J1～J7）和不穩(wěn)定區(qū)（B1～B21）三個(gè)大區(qū)，共46個(gè)小區(qū)，其分布見圖7（圖中各區(qū)塊的具體編號(hào)略）。

圖7 采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性分區(qū)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用開采條件法和地表剩余移動(dòng)變形值法對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。規(guī)范[2]認(rèn)為傾角＞55°的厚煤層淺埋及露頭地段宜劃分為不穩(wěn)定地段。本文在開采條件法中采用了按采深及垮落斷裂帶高度判別法對(duì)淺埋區(qū)（采空區(qū)埋深＜50m）的穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步判別，當(dāng)垮落斷裂帶的發(fā)育高度大于采深，影響至地表時(shí)，則對(duì)擬建輸氣管道的影響大，場(chǎng)地不穩(wěn)定；當(dāng)垮落斷裂帶高度小于采深，距地表有一定距離時(shí)，則綜合考慮了采空區(qū)的特征，當(dāng)采空區(qū)埋深＜50m時(shí)，場(chǎng)地屬于淺埋采空區(qū)，采空區(qū)對(duì)擬建輸氣管道的影響中等，場(chǎng)地為基本穩(wěn)定。利用該評(píng)價(jià)方法判斷了目前的21個(gè)采空區(qū)，認(rèn)為處于不穩(wěn)定狀態(tài)。本文的評(píng)價(jià)工作使得采空區(qū)穩(wěn)定性判別結(jié)果更加精細(xì)，本文的評(píng)價(jià)方法可以為其他地區(qū)傾斜/急傾斜煤層采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供借鑒。