孫慶先，陳 凱，游 超

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

榆林市是我國重要的煤炭生產基地，早期小煤礦大多采用房柱式炮采，形成分布廣泛、大小不一和難以數(shù)計的采空區(qū)。由于房柱(煤柱)對采空區(qū)頂板的長期支撐，房采采空區(qū)覆巖常常在十余年甚至數(shù)十年后才致垮落，地表塌陷有時是緩慢的，有時是突然的，導致礦震發(fā)生。無論緩慢塌陷還是突然塌陷，都會對地表建構筑物造成破壞，這對橫穿榆林市的陜京一線天然氣管道(簡稱陜京一線)來說無疑是巨大的安全隱患。

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》[1](簡稱“三下”規(guī)范)第123條規(guī)定，在煤礦開采沉陷區(qū)進行各類工程建設時，必須進行建設場地穩(wěn)定性評價；第127條規(guī)定，進行開采沉陷區(qū)建設場地穩(wěn)定性評價時，應當進行開采沉陷區(qū)地表殘余影響的移動變形計算、覆巖破壞高度與建設工程影響深度的安全性分析、煤柱的長期穩(wěn)定性分析等工作。專就油氣管道，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》[2](簡稱“三下”指南)根據移動變形指標對采空區(qū)穩(wěn)定性進行了分級。由此可知，在房采采空區(qū)地表建設天然氣管道工程，需要對煤柱長期穩(wěn)定性進行分析，如果煤柱不能保證長期穩(wěn)定或已經失穩(wěn)，需要對覆巖破壞高度與建設工程影響深度的安全性進行分析，對煤柱已經失穩(wěn)導致的地表沉陷，需要進行殘余移動變形計算，并根據變形指標進行穩(wěn)定性分級。

盡管關于煤柱穩(wěn)定性、覆巖破壞高度和殘余變形的研究成果十分豐富，但是，關于利用房采采空區(qū)進行工程建設而開展的采空區(qū)穩(wěn)定性研究成果甚少，未見房采采空區(qū)地表作為天然氣管道建設場地而開展的采空區(qū)穩(wěn)定性研究文獻報道。本文根據“三下”規(guī)范和“三下”指南有關技術要求進行陜京一線建設場地房采采空區(qū)穩(wěn)定性評價。

1 地質采礦條件和采空區(qū)分布

6座煤礦均為鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村辦煤礦，全部始建于20世紀90年代，2009年前全部關閉。礦井開采延安組3號煤層，具體開采時間不詳。陜京一線與6座煤礦采空區(qū)的平面位置關系如圖1所示。3號煤埋深60～120m，開采厚度1.8～2.5m，煤層傾角1°～3°。開采工藝為房柱式炮采，采6m留6m。回采率50%左右。

圖1 陜京一線天然氣管道神木市某段采空區(qū)分布

2 建設場地采空區(qū)穩(wěn)定性評價

2.1 建設場地地表殘余移動變形計算

地表移動持續(xù)的時間主要與煤層開采深度等因素有關?！叭隆敝改贤扑]的地表移動持續(xù)時間為[2]：

T=2.5H

(1)

式中，T為地表移動持續(xù)時間，d；H為開采深度，m。

建設場地下方開采的3號煤層最大埋深120m，按式(1)計算，地表移動持續(xù)時間約10個月。資料顯示，6座煤礦均于2009年前關閉，即采空區(qū)距今至少10a，因此，建設場地采空區(qū)地表已經進入殘余移動變形階段。

按照式(1)計算得出的采空區(qū)地表穩(wěn)定后，實際上地表還長時間存在少量移動和變形，稱為地表殘余移動變形。一般認為，地表殘余移動變形規(guī)律與地表移動期內移動變形規(guī)律一致[3，4]。因此，采空區(qū)地表殘余移動變形可采用我國應用最廣泛的概率積分法進行計算?！叭隆敝改贤扑]的地表殘余變形下沉系數(shù)計算公式為[2]：

qc=(1-q)k[1-e-(50-t)/t]

(2)

式中，qc為殘余下沉系數(shù)；q為下沉系數(shù)；k為調整系數(shù)；t為距開采結束時間，a。

式(2)一般適用于長壁全陷開采。根據式(2)的計算結果并結合以往的工程經驗，確定建設場地采空區(qū)殘余下沉系數(shù)為0.15。

根據計算，陜京一線采空區(qū)地表最大下沉值為315mm，最大傾斜值為6.0mm/m，最大水平變形值為2.0mm/m，最大曲率值為0.15×10-3/m。

2.2 覆巖破壞高度與建設工程影響深度的安全性分析

根據礦山開采沉陷學理論，煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶?？迓鋷Ш蛿嗔褞Ш戏Q“兩帶”，在解決水體下采煤時稱“兩帶”為導水裂縫帶?！皟蓭А钡膸r層雖經多年的壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強度明顯低于原巖的強度。如果建構筑物荷載傳遞到這“兩帶”，在附加荷載作用下會進一步引起沉降和變形，甚至造成建(構)筑物的破壞，影響其使用。

對于單層采厚不超過3m，累計采厚不超過15m的煤層(分層)開采所產生的“兩帶”高度，經過前人多年的觀測研究已基本查清，并把經驗公式寫進了“三下”規(guī)范。中硬覆巖導水裂縫帶高度Hl計算經驗有兩個，分別為：

Hl=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6

(3)

Hl=20(∑M)0.5+10

(4)

式中，∑M為煤層厚度，m。

“三下”規(guī)范中推薦的公式是在長壁式采煤基礎上統(tǒng)計總結的結果，而建設場地采空區(qū)全部為房采采空區(qū)，“兩帶”高度預測無公式可供參考。考慮到早期小煤礦管理不規(guī)范，煤柱留設隨意性大，回采率忽高忽低，因此，為安全起見，建設場地“兩帶”高度應按最不利情況計算，即按“三下”規(guī)范計算“兩帶”高度。開采厚度也存在較大隨意性，亦按最不利情況考慮，取采厚最大值2.5m。

神東礦區(qū)以覆巖以中硬為主。按經驗公式中之一計算“兩帶”高度為38.5m，按經驗公式中之二計算“兩帶”高度為41.6m。取最大值作為計算結果，“兩帶”高度最大值為41.6m。

陜京一線采用X60管材鋼，管道直徑660mm，單位長度的重量約為330kg/m，這對地基造成的荷載影響深度是很小的，可以忽略不計。但是，施工過程中，物料集中堆放以及大型機械設備(如挖掘機、起重機、推土機)等自身重量荷載影響深度很大。

在采煤沉陷區(qū)，當?shù)鼗薪ㄖ奢d產生的附加應力等于相應位置處地基土層的自重應力的10%時，即認為附加應力對該深度處地基產生的影響可忽略不計。假定物料堆放或大型機械設備附加壓力值為50kN/m2，并按均布矩形荷載計算附加應力，計算得到荷載影響深度為11m。

要保證采煤沉陷區(qū)建設場地的穩(wěn)定性，應使建筑物載荷不對老采空區(qū)冒裂巖體的穩(wěn)定性產生明顯影響。則地下采空區(qū)的安全開采深度H應為：

H≥Hl+Hy+Hb

(5)

式中，Hl、Hy、Hb分別為采空區(qū)“兩帶”高度，載荷影響深度，保護層厚度，m。Hl、Hy、Hb分別取值為41.6m、11m、5m，則安全開采深度H應大于57.6m。

陜京一線建設場地采空區(qū)埋深60～120m，大于安全開采深度57.6m，建設場地不會破壞采空區(qū)的穩(wěn)定性。但是，安全開采深度已經接近采空區(qū)最小深度，由于物料集中堆放以及大型機械設備產生的附加應力難于準確估算，因此，應避免將物料、設備集中堆放在采空區(qū)深度較小的區(qū)域。

2.3 煤柱長期穩(wěn)定性分析

房柱式開采是控制覆巖破壞的主要方法之一。神東礦區(qū)早期小煤礦大量使用房柱式開采，形成了分布廣泛、大小不一的房采采空區(qū)。煤柱長期穩(wěn)定性是一個非常復雜的問題，單個煤柱穩(wěn)定性可用煤柱最小寬度、寬高比、安全系數(shù)等進行評價，煤柱群的穩(wěn)定性不僅與單個煤柱的穩(wěn)定性有關，而且與煤柱面積比率(回采率)高低、采空區(qū)面積大小等因素有關，此外，煤柱穩(wěn)定性還與煤柱形狀、時間等因素有關，很多學者[5-12]對此都做過深入探討。

2.3.1 單個煤柱長期穩(wěn)定性分析

1)煤柱最小寬度。A.H.威爾遜兩區(qū)約束理論認為，煤柱存在“屈服區(qū)”和“核區(qū)”。若煤柱的寬度大于核區(qū)和屈服區(qū)2倍之和，煤柱就是保持穩(wěn)定的。即煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度為[13]：

W=2Y+(1～2)H

(6)

式中，W為煤柱寬度，m；Y為屈服區(qū)寬度，m。屈服區(qū)寬度按下式計算[14]：

Y=0.00492MH

(7)

式中，M為采厚(煤柱高度)，m。

按最不利情況考慮(采深120m，采厚2.5m)，根據式(6)和式(7)計算，保持建設場地煤柱穩(wěn)定的最小寬度約5.5m。建設場地煤柱留設采6m留6m，滿足保持穩(wěn)定的最小寬度。除了采深、采厚外，煤柱最小寬度還與煤巖堅硬程度等因素有關。

2)煤柱的寬高比。煤柱的穩(wěn)定性隨寬高比的增加而增加。從很多成功實例來看，煤柱寬高比小于3時，煤柱不穩(wěn)定，寬高比超過10時，煤柱能保持長期穩(wěn)定。一般地，煤柱寬高比最小應為3.2～3.6，通常應大于5。對于陜京一線，按最不利情況考慮(煤柱高2.5m，寬6m)，煤柱寬高比為2.4，小于5，據此可認為煤柱不穩(wěn)定。

3)煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)。煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)是煤柱強度與煤柱應力之比。極限強度理論認為，當煤柱實際載荷大于煤柱承載力時，煤柱將失穩(wěn)。

對于神東礦區(qū)房柱式開采，煤柱內應力常采用輔助面積法進行計算。輔助面積法的實質是認為采空區(qū)上方的覆巖重量全部轉移到遺留煤柱上，公式為：

SP=γH(W+B)(B+L)/W/L

(8)

式中，SP為煤柱應力；MPa；W為煤柱寬度，m；B為煤房寬度，m；L為煤柱長度，m；γ為上覆巖層平均容重，t/m3。

煤柱強度一般用下式計算：

σP=σ1(0.64+0.36W/M)

(9)

式中，σP為煤柱強度，MPa；σ1為煤柱的原位強度，一般取值6.7MPa。

煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)一般大于1.5即可認為穩(wěn)定，計算公式為：

F=σP/SP

(10)

按最不利情況考慮(采深120m，煤柱高1.8m)，將地質采礦條件參數(shù)代入式(8)和式(9)，通過式(10)計算，煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.1，小于1.5。據此可認為煤柱不穩(wěn)定。

2.3.2 煤柱群長期穩(wěn)定性分析

1)煤柱面積比率。煤柱面積比率是指采空區(qū)所有煤柱面積之和占相應開采面積的比率，這是衡量煤柱群穩(wěn)定性的重要指標。當不留頂?shù)酌簳r，回采率接近煤柱面積比率，可近似用回采率代替煤柱面積比率估算煤柱群穩(wěn)定性。煤柱面積比率越大，就意味著承載上覆巖層荷載的面積越大，因而分擔到每個煤柱的荷載就越小，煤柱也就越穩(wěn)定。開采實踐表明，當煤柱面積比率在30%以上時，煤柱群穩(wěn)定性較好，地表緩慢下沉且下沉較??；當煤柱面積比率小于20%時，煤柱群穩(wěn)定性較差，地表易發(fā)生大裂縫或突然塌陷；當煤柱面積比率為20%～25%時，煤柱的穩(wěn)定性一般，地表一般只發(fā)生小裂縫[15]。

陜京一線建設場地下3號煤層實際厚度為3.0～3.2m，采厚1.8～2.5m，留設了0.5～1.2m左右護頂煤，根據回采率約50%可估算煤柱面積比率在30%以上，總體來說，煤柱群穩(wěn)定性較好。實際上各個煤礦之間的煤柱面積比率會相差較大，即使同一煤礦不同塊段采空區(qū)內煤柱面積比率亦相差較大，不能排除個別區(qū)域采空區(qū)煤柱面積比率小于20%。這就是說，存在煤柱群不穩(wěn)定的采空區(qū)。

2)房采采空區(qū)面積。對數(shù)十個回采工作面或盤區(qū)的開采以及相應的頂板垮落與地表塌陷情況進行過統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，房柱式采空區(qū)懸頂面積達到2～4萬m2以上時，煤柱的穩(wěn)定性較差，個別煤柱失穩(wěn)，失去承載能力，覆巖荷載轉移至周邊煤柱，造成周邊煤柱荷載增加，由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，這種情況繼續(xù)向四周傳播，出現(xiàn)“多米諾”效應，引發(fā)大面積突然垮塌。這是神東礦區(qū)頻繁發(fā)生礦震的原因。因此，為避免發(fā)生房采采空區(qū)發(fā)生大面積突然垮塌，單個采空區(qū)面積宜控制在2～4萬m2內。

從圖1可以看出，陜京一線建設場地下方和周邊存在多個獨立塊段房采采空區(qū)。量取這些獨立塊段采空區(qū)的面積發(fā)現(xiàn)，陜京一線正下方E礦采空區(qū)面積為1.24萬m2，除此之外，其余獨立塊段采空區(qū)面積均在2m2以上，面積最大的是C礦“L”形狀的采空區(qū)，面積為18.1萬m2，這遠遠大于獨立塊段采空區(qū)面積不超過2萬m2的要求。因此，陜京一線建設場地采空區(qū)不穩(wěn)定。

2.3.3 煤柱長期穩(wěn)定性分析結論

從多個角度對單個煤柱和煤柱群穩(wěn)定性進行了分析，按最不利情況考慮，無論是單個煤柱還是煤柱群，都不能保證其長期穩(wěn)定。

早期小煤礦管理松懈，濫采亂掘現(xiàn)象十分普遍，煤柱留設隨意性大，形狀不規(guī)則，實際尺寸小于設計尺寸，這些因素都加劇了煤柱的失穩(wěn)。煤柱的穩(wěn)定性還與時間因素有關，6座煤礦均始建于20世紀90年代，于2009年前關閉，采空區(qū)距今最短時間約10年，最長時間20余年，煤柱強度有所降低是必然的。由于小煤礦追求利益最大化和管理監(jiān)督不到位等原因，在設備回撤和材料回收的同時，小煤礦往往最大限度地回收部分煤柱，致使實際回采率高于設計回采率，造成實際煤柱面積比率下降，甚至小于20%。因此，盡管結論是按最不利情況考慮的，但結論比較接近實際，也就是說，結論是可信的。

2.4 建設場地采空區(qū)穩(wěn)定性結論

1)“三下”指南第六章規(guī)定了建構筑物和技術裝置的允許地表變形值，對油氣管道的允許變形值專門作出了規(guī)定，根據地表變形指標將采空區(qū)穩(wěn)定性分為5級，見表1。

表1 采空區(qū)穩(wěn)定性分級

注：判定采空區(qū)所屬級別時，只需滿足該級別各地表變形指標中的一項指標。

沉陷預計顯示，建設場地最大傾斜值為6.0mm/m，最大水平變形值為2.0mm/m，最大曲率值為0.15×10-3/m。對比表2可知，陜京一線建設場地采空區(qū)穩(wěn)定性最高級別為Ⅲ級。

2)根據覆巖破壞高度與建設工程影響深度計算可知，陜京一線建設場地不會破壞采空區(qū)的穩(wěn)定性。但是，由于物料集中堆放以及大型機械設備產生的附加應力難于準確估算，應避免將物料、設備集中堆放在采空區(qū)深度較小的區(qū)域。

3)根據煤柱長期穩(wěn)定性計算分析可知，不能保證單個煤柱和煤柱群的長期穩(wěn)定性，存在地表突然大面積塌陷的可能。

綜上所述，盡管陜京一線建設場地采空區(qū)地表變形為Ⅲ級，危險程度一般，且建設場地不會破壞采空區(qū)的穩(wěn)定性，但不能保證煤柱的長期穩(wěn)定性，地表有可能突然大面積塌陷，因此，陜京一線建設場地房采采空區(qū)不穩(wěn)定。

3 建設場地采空區(qū)處理措施

在采空區(qū)上興建建構筑物的成功實例很多。2015年和2017年，國家能源局分別批準了大同市和陽泉市采煤沉陷區(qū)國家先進技術光伏示范基地項目，項目實施至今運行良好，取得了較好的經濟和社會效益。對于采空區(qū)的處理主要采取了注漿治理措施。大同市采煤沉陷區(qū)國家先進技術光伏示范基地某匯集站下方采空區(qū)注漿約1.2萬m3，陽泉市某匯集站下方采空區(qū)注漿約2.0萬m3，匯集站建設至今地表未出現(xiàn)變形。

房采采空區(qū)突然塌陷往往面積較大，這會造成天然氣管道長距離懸空，進一步導致管道斷裂，這是極其危險的。從以往注漿加固采空區(qū)后進行地表建設的成功實例來看，對陜京一線建設場地下方房采采空區(qū)注漿加固，不僅可以避免采空區(qū)大面積突然塌陷，而且可以減小甚至完全消除地表殘余變形。因此，必須對陜京一線建設場地下方采空區(qū)進行注漿加固。

4 結 語

本文對陜京一線天然氣管道下方房采采空區(qū)穩(wěn)定性進行了評價。評價包括地表殘余影響的移動變形計算、覆巖破壞高度與建設工程影響深度的安全性分析和煤柱長期穩(wěn)定性分析3個部分內容。綜合評價結果為，陜京一線天然氣管道建設場地房采采空區(qū)不穩(wěn)定。最后提出了對采空區(qū)注漿治理的技術措施。需要指出，在注漿施工前，應進行必要的工程勘查，并在此基礎上進行注漿施工設計，以便科學合理地完成注漿加固工程。