小窑采空区稳定性评价公式的改进

柏 淼

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

小窑采空区稳定性评价公式的改进

柏 淼

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

现行的小窑采空区顶板稳定性评价公式并没有考虑岩层顶板上部第四系覆土对小窑采空区假定楔体土压力的影响，因此计算与实际情况存在一定差别，以工程实例为背景，对公式进行改进探讨。

采空区；小窑；公式改进

0 引 言

我国地方小煤矿存在私挖乱采的现象，煤层埋藏较浅的矿区往往存在一部分小窑采空区，这些小窑多在经济不发达地区，人们以往对此方面的潜在危害不够重视，但随着经济开发的逐层升级，小窑的上覆岩层的不稳定会引发其他地质灾害，对地面建筑和煤矿的安全生产形成极大威胁。因此小窑采空区的稳定性成为人们关心的问题。目前评价稳定性的方法主要有力学简化验算法，变形监测法、有限元及积分法。主要研究基于力学简化的稳定性评价方法。

1 现行的稳定性评价公式

小窑一般是手工作业，开采范围小，开采深度多在50 m以内，少数可达200～300 m，平面延伸100～200 m，以巷道采掘为主，向两边开挖支巷道。一般分布无规律，有单层或多层重叠交错。巷道的高宽一般为2～3 m，由于踩空范围狭小，地表不产生移动盆地，但因为开采深度浅、顶板又任其垮落，故地表变形剧烈，大多呈现较大的裂缝、台阶和陷坑，地表裂缝带有常与开采工作面的前行方向平行，随工作面的推荐，裂缝一般上宽下窄，两边无明显高差。因此有必要对小窑采空区的场地稳定性进行评价。目前，国内计算常采用工程地质手册中的平衡分析法计算极限顶板稳定性。当建（构）筑物建在采空区上时，按下式计算顶板保持自然平衡状态时采空区巷道顶板临界深度HD：

式中：B为巷道宽度，m；r为小窑侧壁岩土容重，kN/m3，r0为顶板以上岩层的重度，kN/m3；P0为建筑物基底单位压力，kPa；φ为顶板以上岩层的内摩擦角，（°），由岩样剪切试验求得。

计算后通过比较巷道顶部埋深H与临界深度，即可粗略地评价顶板的稳定性。当H1.5 HD时，地基稳定。

2 稳定性计算公式的改进

采空区巷道顶板临界深度HD是小窑采空区顶板上覆层按矿层岩体的破裂角45°-扩散后的楔体进行静力平衡分析得到的，其中P是岩石综合内摩擦角按朗肯土压力理论公式推算的，r为小窑侧壁岩土容重，kN/m3，其中没有考虑非岩石类（第四系覆土）对侧向土压力的影响，使得计算偏于保守，实际工程中通过钻探地质资料分别可以得到覆土深度及顶板岩层厚度，假定上覆层第四系土体作为附加压力作用在岩石楔体上，对公式进行改进，推导如下：

根据朗肯主动土压力计算公式

考虑覆土对岩石楔体侧向土压力将有所增加

根据Q总=G+BP-2f的计算原理得到 Q总

tanφ]（5） 将 以 上 式 带 入 ， 令 Q=0， 解 HD=

式中：E为上覆土体自重，其他参数见上文。

3 工程实例计算

海北～牙克石500 kV输变电线路工程属于500 kV海北～牙克石～岭东输变电工程的一部分。本工程西起500 kV已建海北变电站，东至新建500 kV牙克石变电站，全线长度约75 km。海北～牙克石500 kV输变电线路工程自扎罗木得村跨过绥满高速后，沿绥满高速南侧进入大雁矿区，先后经过大雁第二煤矿和位于第一煤矿井田内的十余个小煤矿的井田，这些煤矿采空区对输变电工程的电线路的存在安全，必须根据采空区的顶板距离地面的深度进行场地稳定性判别，以确定输变电沿线的架设塔位位置。

途径矿区位于大兴安岭山脉西北麓，属于海拉尔盆地的一部分，煤田的南北两侧由火成岩组成，由于是后期剥蚀（侵蚀）构造的影响构成了现代低山--丘陵地形。地势为四周高中部低，呈盆地状，地表植被以草本植物为主，有部分森林，矿区北部及南部有水系和沼泽。井田内地形比较简单，其地势为东南高而西北低。区域构造为大雁煤田位于新华夏系第三隆起带（大兴安岭隆起带）的西坡，第三沉降带的东缘，在海拉尔盆地的五九-南屯凹陷中段，大雁煤田为一向斜构造，即大雁-扎尼河向斜。区内地层总体呈向NW方向倾斜的单斜构造，浅部倾角较大，深部倾角较缓，一般在8°～25°，平均15°区域地表水系以河流为主，矿区北部有海拉尔河由东向西流过，矿区西南部有胜利沟小溪及布洛莫也沟小溪由东向西流过，大雁煤田内地表没有主要河流通过，本区第四系地层全区发育，以不整合接触的方式直接覆盖于煤系地层之上，井田内大面积的沉积层是透水而非含水的沉积层，因其面积小、厚度薄，其含水量和供水意义不大，是含水中等偏小的含水层。地下水含水层以煤系风化裂隙带含水层为主，风化带以下煤系孔隙含水层为辅。第四系覆盖下的煤系风化带内，由于风化作用导致煤层裂隙发育，砂岩疏松孔隙增大，煤层裂隙和砂岩孔隙成了地下水赋存空间和导通渠道，在此深度内的泥岩，由于赋存浅、压力小，受风化作用影响，也失去了隔水作用。

为确定小窑采空区建筑场地的稳定性，避免非连续变形对杆塔造成安全隐患，项目运用高密度电法与瞬变电磁2种地球物理勘察方法对目的区进行探测，以核实小窑资料的可靠性，确定小窑的采空区边界及埋深并推断小窑附近的塔位是否存在越界开采现象，并通过工程地质钻探的方法验证，查明了矿区区域地层主要为黑色腐植土和黄色风成砂，下部为黏土，亚粘和砂砾，其下为伊敏组泥岩和粉砂岩、煤层及碳质泥岩，与下部地层整合接触。场区岩层强度较低，强-中风化，浸水后岩石的抗压强度会降低，开采煤层的采空区都分布在这个岩组，各煤层顶底板均由泥岩、砂质泥岩和砂岩组成。这几种岩性均由泥质或凝灰质胶结、松软易碎，抗压强度低，极不利于巷道及采面的支护，容易使巷道变形，支护困难进而易在巷道上方形成不稳定区域，加之各煤矿在采煤的过程中修建了许多巷道，存在留下空巷的情况，更可能加剧不稳定情况，因此需判定顶板稳定性保障输电线路的塔位场地安全性。

按大雁第一煤矿岩石的试验成果，岩石的容重17.01～19.29 kN/m3，可取18 kN/m3，内摩擦角在27°～33°可取30°，各矿的斜井、石门等主要巷道的宽度为3.8 m，杆塔基底最大压力为190 kPa，根据以上数据按现有计算公式（1）计算可得临界深度为27.4 m。因此，要保证巷道上方地基稳定，巷道顶部埋深要大于1.5倍的临界深度即41.1 m才行。但是，因为各矿第四系松散覆盖层的平均厚度为25 m，所以巷道埋深大于66.1 m才能保证铁塔地基的稳定性。由于小窑的个别巷道埋深约为60 m，不满足地基稳定的要求，因此有必要采用改进后的公式进行验算，通过考虑上覆土对侧向土压力的有利影响，第四系的覆盖层主要地层为黏性土，经室内土工试验，覆盖层土平均容重可取为19 kN/m3，按覆盖层厚度按25 m计算，有利摩擦阻力可达到1 645 kN/m，按改进后的计算公式（5）计算，可得临界深度为22.1 m，计算满足地基稳定性的顶板埋深为58.1 m，刚好能满足个别巷道埋深为60 m的要求。改进后的公式计算结果能满足部分架设塔位基础的稳定性要求，可做为优化方案实施。

4 稳定性评价的进一步工作

小窑采空区稳定性影响因素还取决于开采区域的地质、采矿诸多条件，如采煤方法及顶板管理方法、覆岩岩性、开采深度、煤层倾角、采出煤层厚度、采动性质等。工作中还需在地基稳定性评价的基础上，综合考虑采空区与杆塔的相互影响程度、拟采取的抗采动影响技术措施的难易程度和工程造价对建设场地的适宜性进行了分区，其标准如下：

1）非适宜区：存在地面发生非连续变形的可能，不稳定区；杆塔建设对采空区影响大或采空区残余变形对杆塔工程的影响大；需规划、建筑、结构、采空区治理等的综合设计，处理难度大且造价高。

2）基本适宜区：基本稳定区；采空区对杆塔工程影响中等；杆塔建设对采空区稳定性影响较小。采取规划、建筑、结构、地基处理等措施可以控制残余变形对杆塔的影响。

3）适宜区：稳定区；采空区对杆塔影响小；杆塔建设对采空区稳定影响小；采取规划、建筑、结构措施可以建设。

根据途径采空区建设适宜性分区结论，优化的塔位位置首先必须处于适宜性分区中基本适宜区或适宜区，然后同时满足最小临界稳定深度的情况，综合的判定采空区对拟建铁塔的适宜性。

5 结 论

针对小窑采空区的顶板稳定性评价公式的改进，可以更加精确的判别顶板的稳定性，由于原公式忽略了上覆土对侧向土压力的有利影响，使得计算偏于保守。采用改进后公式适用于绝大多数矿层上存在上覆土的情况，公式增加了有利侧摩阻力，减小了小窑采空区顶板上所受的压力，从而缩短了临界稳定评价深度，但小窑采空区地基的稳定性评价体系及采空区上建筑物选址还受到很多因素的影响，因此有必要对类似的工程进一步的研究。

［1］ 常士骠，张苏民.工程地质手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［2］ 张永波．老采空区建筑地基稳定性评价理论与方法［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［3］ 赵忠海．京西某村小窑采空区的稳定性分析［J］.资源调查与环境，2010，31（4）：298-301.

［4］ 吴夏生．煤矿采空区建筑场地稳定性评价方法的研究［J］.道路工程，2009，53（5）：110-115.

［5］ 张志沛，王江．某高速公路下伏煤矿采空区稳定性分析［J］.煤田地质与勘探，2005，33（1）：46-48.

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［7］ 朱帅虎，王文静．上部小窑采矿区灾害对大型煤矿工作面安全生产的影响［J］.安全与环境工程，2011，18（6）：96-100.

［8］ 宋恩武，曾纯品，韩建江．浅析小窑采矿区综合勘察研究与应用［J］.安全与环境工程，2011，18（6）：96-100.

【责任编辑：解连江】

Improvement of evaluation formula of stability in small kiln goaf

BAI Miao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

The present evaluation formula for roof stability of mined-out area does not consider the effect of Quaternary overburden on the assumed wedge earth pressure in mined-out area.Therefore,there are some differences between the calculation and the actual situation.Taking the engineering examples as background,the article discusses the formula improvement.

goaf;small kiln;formula improvement

TD824

B

1671－9816（2017）07－0081－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.023

柏淼.小窑采空区稳定性评价公式的改进［J］.露天采矿技术，2017，32（7）：81-83

2017-04-04

柏 淼（1985—），男，辽宁阜新人，工程师，硕士，2010年毕业于东北大学资源与土木学院岩土工程专业，主要从事岩土勘察与设计工作。