采空区对引畛济涧工程引水隧洞的影响及对策

岳永峰，罗延婷，闫思泉，刘振红

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 工程概况

新安县引畛济涧工程自小浪底水库畛河支库库尾引水，通过隧洞进入新安县城南的涧河．隧洞全长约13．7 km，一般埋深70 ～215 m，底板高程250 ～253 m，洞径2．5 m×3．2 m．

隧洞穿越地层为古生界二叠系石盒子组(P2s)砂岩与页岩、中生界三叠系刘家沟组(T1l)砂岩与泥岩．石盒子组(P2s)下部为山西组(P1s)砂岩夹页岩，石盒子组(P2s)与山西组(P1s)地层中夹有煤层，通过历史开采和煤矿规划，形成了老采空区(洞子崖煤矿、小村联办煤矿、北李村煤矿、后地煤矿、东风煤矿等)、现采空区(新义煤矿)和未来采空区(后地煤矿、新义煤矿)．

为查明采空区的分布情况，一方面进行资料收集，另一方面采用物探方法进行探测［1］． 物探方法中高频大地电磁法［2］(HMT)采集的信号频率较高，研究深度从地下十几米至上千米，该深度恰是人类矿山开采最活跃的深度［3］．此次探测即采用高频大地电磁法(HMT)，探测出采空区的分布情况及与引水线路位置的关系，如图1 所示．地下开采引起的岩层移动与变形将对引水隧洞产生不利影响［4］．

图1 引水线路附近采空区分布图

2 采空区地质条件

2．1 老采空区

引水线路附近老采空区集中在畛河右岸，为一些村镇级小煤矿，煤层赋存于二叠系石盒子组(P2s)地层中，倾向SE，倾角约10°，可开采厚度1．0 m左右，采空区分布高程170 ～300 m，已停采多年．

为了解老采空区与引水隧洞的相对关系，沿引水线路进行了物探工作．探测结果表明，引水线路桩号0 +000 m—2+270 m 存在5 段老采空区，结合收集的煤矿采空区资料和附近新义煤矿钻孔资料综合分析认为，该5 段老采空区位于引水隧洞上方;桩号2 +270 m 以后存在总长度约500 ～600 m 老采空区，位于引水隧洞下方，与引水隧洞高差最大达80 m．

2．2 现采空区

引水线路附近现采空区主要集中在白墙村东西两侧(新义煤矿)，称之为白墙采空区． 煤层赋存于二叠系山西组(P1s)下部，含煤2 ～6 层，为单斜地层，倾向SE，倾角约10°，可采煤层厚度最大15．5 m，平均4．8 m．采空区分布高程－300 m 左右，隧洞从白墙村下穿过，随着煤矿开采，采空区范围不断扩大．

2．3 未来采空区

引水线路附近未来采空区有两层:上层为正村后地煤矿未来采空区，该煤矿前期停采，现计划重新开采，与老采空区属同一煤层．煤层赋存于二叠系石盒子组(P2s)，可开采厚度1．0 m 左右，采空区分布高程200 ～275 m，引水隧洞从其东南角穿过，之后与其南缘近乎平行，水平间距大于35 m;下层为新义煤矿未来采空区，位于白墙村周围及以北至畛河的大片地区，煤层赋存于山西组(P1s)，平均厚约5 m，分布高程在－150 m 以下，低于引水隧洞．

3 采空区对引水隧洞的影响分析

大型采空区在垂直方向上，其变形可分为3 个带:冒落带(即崩落带，采空区顶板破碎坍落形成，一般为采矿厚度的3 ～4 倍)、裂隙带(即破裂弯曲带，处于冒落带之上，产生较大的弯曲和变形，其厚度一般为采矿厚度的12 ～18 倍)、弯曲带(裂隙带顶面至地面的厚度)［5］．

充分采动时，根据下式［4］计算引水隧洞高程附近岩层的移动和变形．

最大下沉值

最大水平移动值

水平移动系数

下沉系数

式中:M 为煤层法线采厚，m;α 为煤层倾角，(°);P为覆岩岩性及厚度系数，

式中:mi为覆岩i 分层的法线厚度，m;Qi为覆岩i 分层的岩性评价系数(参考我国类似矿区地表移动参数可得)．

采空区在隧洞高程附近的影响半径

采空区在隧洞高程附近引起的最大倾斜值

采空区在隧洞高程附近引起的最大曲率

式中:H 为开采深度，m;β 为移动角，(°)．

3．1 老采空区影响分析

老采空区在桩号0 +000 m—2 +270 m 段位于隧洞上方，对引水隧洞影响不大．老采空区中充满积水，可能通过裂隙向隧洞渗透，尤其是隧洞穿透采空区时可能会引起涌水问题．

老采空区在桩号2 +270 m 以后位于引水隧洞下方，与引水隧洞高差小于80 m，主要为二叠系石盒子组(P2s)粉砂质泥岩(页岩)、泥岩及薄—中厚层石英砂岩，多属软质岩，采空厚度在1．0 m 左右．老采空区上覆岩体受塌陷影响，完整性较差．采空区与隧洞垂直间距约20 ～80 m，取煤层法线厚度M 为1．0 m，煤层倾角α 为10°，移动角β 为70°，计算得到覆岩岩性及厚度系数P 为0．6，水平移动系数b为0．325 8，下沉系数q 为0．75，则利用公式(1)—(7)计算老采空区隧洞高程附近岩层的移动及变形，结果见表1．由表可知，老采空区厚度小，引起总的变形也较小，且经过数十年变形，目前较稳定，以后引起较大差异变形的可能性不大．

表1 老采空区隧洞高程附近岩层移动及变形预测

3．2 现采空区影响分析

白墙采空区(现采空区)位于桩号5 +500 m—6 +000 m 引水线路两侧，分布高程在－300 m 左右，与引水隧洞高差约550 m，与隧洞最小水平距离约280 m． 采空区在隧洞高程附近影响半径R =H/tanβ=550/tan70° =200 m，小于280 m(与隧洞最小水平距离)，对引水隧洞影响较小．

3．3 未来采空区影响分析

正村后地煤矿未来采空区位于桩号2 +000 m—4 +000 m 范围，分布高程在200 m 左右，与隧洞高差约50 m，与隧洞最小水平距离约35 m．采空区在隧洞高程附近影响半径R = H/tanβ =50/tan70° =18 m，小于35 m(与隧洞最小水平距离)，对引水隧洞影响较小．

新义煤矿仍在开采，采空区范围不断扩大，引水隧洞难以规避．可采煤层分布高程在－150 m 以下，与拟建引水隧洞高差大于400 m，若未来采空区平均厚度按5 m 计算，则垂直方向上，冒落带厚度在20 m 左右，裂隙带厚度在90 m 左右，引水隧洞位于弯曲带内;水平方向上，随着下部煤层的开采，移动区向开采方向推进，可能造成引水隧洞开裂．采空区与引水隧洞之间主要为二叠系山西组(P1s)中细粒砂岩、泥岩、砂质泥岩、煤层和二叠系石盒子组(P2s)粉砂质泥岩(页岩)、泥岩及薄—中厚层石英砂岩，以软质岩为主，采空后易产生塌陷．

新义煤矿未来采空区与隧洞垂直间距约400 ～800 m，取煤层法线平均厚度M 为5 m，煤层倾角α为10°，移动角β 为70°，计算得到覆岩岩性及厚度系数P 为0．5，水平移动系数b 为0．325 8，下沉系数q 为0．70，则利用公式(1)—(7)计算未来采空区充分采动后隧洞高程附近岩层的移动及变形，结果见表2． 由表2 可知，未来采空区上部岩层变形较大，工程建成后，随着下部采空区的不断扩大，引水隧洞将遭受破坏．

表2 未来采空区隧洞高程附近岩层移动及变形预测

4 应对措施

4．1 老采空区

老采空区在桩号0 +000 m—2 +270 m 段位于隧洞上方，应加强施工过程中的防排水措施;老采空区在桩号2 +270 m 以后位于引水隧洞下方，应对隧洞分段，且加大断面竖向尺寸，以提高引水隧洞适应变形的能力，保证足够的过水断面．

4．2 现采空区

白墙采空区(现采空区)位于桩号5 +500 m—6 +000 m引水线路两侧，与隧洞最小水平距离大于采空区在隧洞高程附近影响半径，对引水隧洞影响较小．建议新义煤矿向东西两侧开采，预留白墙村下部煤层，以保证引水隧洞安全．

4．3 未来采空区

正村后地煤矿未来采空区与隧洞最小水平距离大于采空区在隧洞高程附近的影响半径，对引水隧洞影响较小，应严格控制后地煤矿开采范围，防止其向引水隧洞方向超采，以保证隧洞安全．

新义煤矿仍在开采，采空区范围不断扩大，将对引水隧洞产生破坏，应预留煤层，以保证隧洞安全，预留煤柱宽度按下式［6］计算．

上山方向预留矿柱宽度

下山方向预留矿柱宽度

式中:H 为隧洞与煤层高差;γ，β，δ 分别为上山、下山及走向方向的岩层移动角;θ 为围护带边界与煤层走向线之间所夹锐角．

隧洞与煤层高差H 取380 ～700 m，参考国内类似矿区地表移动参数实测值，上山方向岩层移动角γ 取65°，下山方向岩层移动角β 取70°，走向方向岩层移动角δ 取72°，围护带边界与煤层走向线之间所夹锐角θ 取70°，围护带宽度取20 m，工程宽度取4 m，则利用公式(8)和公式(9)计算得到的预留煤柱宽度为300 ～500 m．

5 结 语

1)采空区上覆岩层的变形取决于采空区的采深、采厚和开采程度．采厚越大，开采程度越高，产生的竖向变形越大;采深越大，在一定高度引起的上覆岩层的变形范围越大．

2)采空区上覆岩层的剩余变形量与开采历史息息相关．老采空区上覆岩层已经过一定时间的变形，剩余变形量较小;现采空区上覆岩层基本未变形，剩余变形量大;未来采空区剩余变形量大，且随着开采的推进，变形不断向前发展．

3)采深、采厚越大，开采程度越高，对工程的影响越大;开采历史越久，对工程的影响越小，老采空区影响最小，现采空区次之，未来采空区最大．

4)建议在老采空区及现采空区采取分段、加大隧洞竖向断面尺寸及提高各分段强度的措施来减小采空区对引水隧洞的影响;未来采空区可通过预留煤柱保证引水隧洞的安全．

［1］吴成平，胡祥云．采空区的物探勘察方法［J］．地质找矿论丛，2007，22(1):19 －22．

［2］李娟娟，潘东明，胡明顺，等．煤矿采空区探测的几种工程物探方法的应用［J］． 工程地球物理学报，2009，6(6):728 －732．

［3］薛云峰，胡伟华，鲁辉． 采空区探测技术研究现状及发展趋势［J］．黄河规划设计，2009(2):35 －39．

［4］张金水，闫长斌，邢光辉，等．基于遗传规划的采空区地面沉陷预测分析［J］．华北水利水电学院学报，2011，32(4):113 －115．

［5］李守礼，陈则连，付新平，等．采空区工程地质勘察设计实用手册［S］．天津:铁三院地路处，2004．

［6］金连生，牟金锁．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］．北京:煤炭工业出版社，2000．