东属村老采空区新建水池工程稳定性评价

司 青

（晋城市水利勘测设计院，山西 晋城 048000）

1 工程概况

晋城市新建东属蓄水池容积2万m3，为晋城市郭壁供水改扩建工程的调蓄工程，位于晋城市泽州县金村镇东属村，本工程所在地为小煤窑开采区，据地勘报告，钻孔主要揭露了两层可采煤层，第一层可采煤层（9号煤号）高程755.21～759.55 m，厚0.5～1.6 m，埋深52.0～59.1 m，未开采，第二层可采煤层（15号煤）高程在711.01～713.81 m，厚约2.8 m，埋深100.5～103.3 m，该煤层已开采，形成采空区。本工程属生命线工程，重要性等级为一级，为保证蓄水池正常使用，对下伏采空区稳定性评价十分必要。

2 地质条件

东属水池位于东属村北约500 m山坡顶，地面高程809.58～814.31，两侧山坡为土质山坡，蓄水池用地现状为耕地。钻孔揭露地层如下：

石炭系上统太原组（C3t），上部为灰黑色中厚层砂岩夹砂质页岩及煤层（9号煤），砂岩岩性坚硬，厚约16 m，页岩及煤层厚0.5～1.6 m。下部为深灰、灰黑色灰岩与页岩互层，底部夹有煤层（15号煤），其中灰岩岩性坚硬，岩溶发育较弱，页岩及煤层岩性较软。

二叠系下统山西组（P1s），上部为灰黄色、深灰色泥岩夹薄层灰色砂岩，下部为灰黑色灰岩、炭质灰岩夹砂质页岩、泥页岩及薄层煤线。取泥岩岩样进行室内试验，其干密度1.92 g/cm3，吸水率25.12%，饱和单轴抗压强度0.27 MPa，软化系数0.09。

第四系中更新统洪积（Q2pl），岩性为低液限粘土，褐红色，稍湿，稍密，具中等压缩性，厚2.5～9.6 m。总体由北向南逐渐增厚。

本区地质构造简单，断裂构造不发育，主要为单斜岩层，岩层产状N87°E/SE∠9°。岩体中主要发育两组节理裂隙，其产状分别为N20°～30°E/SE 75°～87°、N10°～20°W/NE 85°～88°，强风化层厚度1～5 m。勘探深度范围内未见地下水。

该蓄水池工程所在场地周边为早期小煤矿开采区，这些小煤矿均为20世纪80、90年代时期开始私挖乱采，于2000年前全部关闭，本地小窑一般采用房柱式开采方式，煤房开采宽度5～6 m，留设煤柱宽度8～10 m，煤柱一般呈正方形或长方形，煤层顶板任其自由垮落，不进行专门的支护或放顶。

形成采空区的15号煤层位于太原组一段顶部灰岩之下，开采时间1980—2000年，房柱式开采，平均采深101.9 m，厚1.6～2.9 m，平均采厚2.8 m，含0～1层夹矸，煤层倾角3°～8°，回采率60%～70%，煤层结构简单，煤层直接顶板为灰岩，底板为深灰色泥岩，局部为粉砂质泥岩。场地内采空区开采煤层特征表见表1。

表1 场地内采空区开采煤层特征表

3 采空区稳定性定性分析

本场地采空区属老采空区，老采空区“活化”是影响采空区地表利用和造成采空区上方新建建筑物破坏的核心问题，按建筑物重要性等级、结构特征及变形要求、采空区特征并结合山西煤矿老窑塌陷的经验采用定性与定量相结合的方法，分析该老采空区“活化”的可能性及对新建水池的危害程度。

老式房柱式开采的采空区稳定性及危害程度的定性判别，应从开采时间、顶板岩性及覆盖层厚度、采深采厚比、地面及建筑物变形情况、采空区状态等几方面综合判别。

3.1 地表移动延续时间

据调查，本场地采空区形成的时间为2000年以前，距今至少18年的时间，可按终采时间确定采空区场地稳定性等级，地表移动延续时间T按下式计算：

式中：T——地表移动延续时间，d；

H——最大开采深度，m。

15号煤平均采深H=101.9 m，计算得地表移动延续时间为8.5个月，表明开采后8个月，地表移动延续时间进入衰退期，而采空区距今约18年，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044-2014）表12.2.3-1，该采空区属稳定状态。

3.2 顶板条件

根据区域煤田地质资料以及针对蓄水池场地的岩土工程勘察资料，15号煤层顶板为厚层状石灰岩，厚度大于15 m，属于层状分布的坚硬岩石，顶板强度高，同时采深、采厚比达36.4，属中深层采空区，结合地区采矿经验及本次钻探结果，类似采空区一般处于稳定状态。

3.3 地面及建筑物变形情况

经现场调查及踏勘，场地内未见塌陷痕迹。地勘钻孔在深度19.0～19.1 m处夹有褐红色粘土，含岩屑等，在15.1～15.15 m处夹有角砾、岩屑和泥土等，表明煤矿采空区曾经造成该场地一定的变形，但蓄水池及附近地表均未发现有裂缝，说明该采空区引起的地表变形已减弱，趋于稳定。

4 采空区稳定性定量分析

小煤窑老采空区失稳破坏并导致地面塌陷的主要机制，为煤柱压入底板和底鼓、煤柱破坏、顶板的塌陷。根据煤层顶板、底板以及煤层自身的抗压强度以及实测或调查得出的煤柱、煤房的尺寸，定量计算评价煤柱及顶、底板的稳定性。

4.1 煤柱稳定性分析

该地区小煤窑开采煤房宽度一般为7.0 m左右，煤柱宽度8～10 m，采用木支柱及自然垮落管理顶板，当地15号煤的单轴抗压强度Rc约为5.0 MPa。沿煤柱走向每延米长度煤柱支撑的平均应力公式为：

式中：δav——每延米长度煤柱支撑的平均应力，kPa；

a——煤房的宽度，取6.0 m；

b——煤柱的宽度（m），取10.0 m；

γav——采区顶板上覆盖层的平均重度（kN/m3），取21.0 kN；

H——最大开采深度，按平均厚度100 m。

经计算，δav=3 360 kPa，煤柱安全系数K煤柱=Rc/δav=1.48，按《煤矿采空区岩土工程勘察规范》表12.2.5，1.2＜K煤柱＜2，煤柱属于基本稳定状态。

4.2 煤层顶板稳定性分析

利用简支梁理论进行覆岩稳定性力学验算，分别验算顶板的抗弯及抗剪能力。

4.2.1 抗弯所需的最小厚度验算

顶板所承受的线性均布荷载P计算公式：

式中：P——线性均布荷载，kN/m；

P1——建筑物荷载，kN/m，按150 kPa考虑；

P2——老顶以上覆盖层的重量，kN/m，重度按21 kN/m3考虑，厚80 m；

P3——老顶的重量，kN/m，重度按22 kN/m3考虑，厚度取平均厚度20 m。经计算得，均布荷载P=150×1+21×80×1+22×20×1=2 270.0 kN/m。

按简支梁受力情况，计算梁跨中弯矩（最大值）公式：

式中：M——跨中弯矩，kN·m；

P——均布荷载，计算得2 270.0 kN/m；

L——煤房净距，取6.0 m。

计算得跨中弯矩M=10 215.0 kN·m。

计算抗弯所需最小厚度公式：

式中：Hc——计算抗弯厚度，m；

M——跨中弯矩，计算得10 215.0 kN·m；

σ——老顶抗弯强度，按抗压强度（50 MPa）的0.15倍计，为7 500 kPa。

计算得顶板梁抗弯所需最小厚度为1.2 m，据地勘资料及相关工程经验，15号煤层老顶厚度为15 m（平均20 m），抗弯安全系数K抗弯=16.6。分析该数据可知，顶板梁在简支情况下不会发生弯折，采空区覆岩抗弯满足要求，不会发生折断，处于稳定状态。

4.2.2 抗剪强度验算

按简支梁受力情况计算梁剪力（最大值）公式：

式中：τmax——最大剪力，kPa；

p——均布荷载，kN/m，计算得2 270.0 kN/m；

L——煤房净距，取6.0 m；

H——计算抗剪厚度，m，取老顶厚度20 m；

b——计算长度，取1 m。

最大值位于简支梁两端，计算得τmax=510.8 kPa。老顶岩层抗剪强度约为7.5 MPa，计算抗剪安全系数K抗剪=15，因此老顶岩层将不会断裂垮落。

4.3 最大垮落高度计算

当局部煤柱产生破坏，造成采空区顶板局部垮落，或由于局部顶板裂隙发育造成其垮落时，其垮落高度以及断裂带高度计算如下：

式中：h1——顶板垮落高度，m；

m——开采高度，m，取2.8 m；

k1——自由垮落碎账系数，取1.25；

α——地层倾角。

计算得h1=11.3 m。即顶板局部垮塌后，垮落带及断裂带的高度为11.3 m左右，距离地表的深度为85.0 m左右，结合该场地地层岩性，分析认为即使老采空区“活化”并发生垮落，对地表建筑物的影响也非常小。

4.4 建筑荷载对采空区“活化”的影响

该蓄水池设计蓄水量约2万m3，圆形，直径80.0 m，设计基础底高程806 m，开挖深度3.5～7.7 m。按拟建水池采用筏板基础考虑，附加应力的影响深度Ha，取地基附加应力σc=0.1σz的深度（σc为自重应力，σz为附加应力），自基底起Ha=20.0 m，结合垮落高度计算结果可知，垮落带顶端至建筑物荷载附加应力带距离，为Hlf=85.0-20.0=65.0 m，大于两倍平均老顶厚度（2×20 m），根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》表12.3.2-3，按荷载影响深度考虑，该老采空区“活化”的可能性很小。

5 结论

据地勘报告，钻孔主要揭露了两层可采煤层，第一层可采煤层（9号煤号）高程755.21～759.55 m，厚0.5～1.6 m，埋深52.0～59.1 m，未开采，第二层可采煤层（15号煤）高程在711.01～713.81 m，厚约2.8 m，埋深100.5～103.3 m，该煤层已开采，形成采空区。通过对本工程所涉及的老采空区定量及定性的分析，认为该采空区处于稳定状态，由于15号煤采深、采厚比较大，煤层埋深较深，拟建工程使老采空区产生“活化”的可能性小，采空区对工程影响程度小，拟建工程对采空区稳定影响程度也小。但必须确保对蓄水池周边9号煤、15号煤不进行复采，并对现有小煤窑进行封闭处理，以防止煤柱的风化、自燃等造成采空区“活化”，影响水池安全稳定运行。