煤矿采空区稳定性评价多种方法应用

李 满 喜

(中国建筑材料工业地质勘察中心山西总队，山西 太原 030031)

山西省为煤炭资源储存及开采大省，伴随煤炭资源开采，遗留大量煤矿采空区。采空区对煤矿周边居民居住环境及建筑形成巨大的影响，对经过采空区的公路、铁路及其他工程建设项目形成较大的安全威胁，故对煤矿采空区进行稳定性评价是对采空区综合治理、消除安全隐患的一项前期重要工作。

本文以南则隧道工程中煤炭采空区稳定性评价为例，浅谈多种采空区稳定性评价方法在实际工程中的应用。

1 工程概况

南则隧道位于中阳县张子山乡南则村，位于山西省中阳县境内，行政区划隶属吕梁市中阳县。地势略呈两侧沟谷低、中部山梁高。隧道横穿南则村，进口里程K0+345，设计高程1 117.45 m，出口里程K0+895，设计高程1 126.99 m，隧道底板最大埋深103.05 m，位于K0+679处，隧道全长550 m，属中隧道。自然地理属晋西黄土高原，属吕梁山西侧的中低山区，地貌类型为侵蚀的黄土梁、塬。

2 勘察目的及方法

2.1 勘察目的

通过各种工程方法，收集及查明矿区气象、水文、地形地貌、地震、地层岩性、地质构造等特征，采空区的分布及开采时间、范围、深度、采厚、开采方法、采取率、顶板岩性和厚度、顶板管理方法等采空要素，对采空区进行稳定性分析和评价，进一步研究和评价采空区的稳定条件，变形值大小，变形发展阶段和稳定发展趋势。

2.2 勘察方法

工程地质调绘：调查区内地层产状、岩性、厚度及其与含矿地层的关系；区内地形、地貌、水文、气象等；区内与采空区有关的其他不良地质类型、分布情况；调查勘察区地表裂缝、塌陷、移动盆地特征；调查勘察区覆岩岩土类型及其工程性能；地下水的类型、水位埋深、水位动态变化。物探：物探采用瞬变电磁法和测氡法对测区进行面积性的扫面工作，主要目的是测量工作区内的物探异常特征，从而推断出区内采空区地下构造具体位置。勘探：根据采空区物探揭示的异常区，对推测采空区进行验证，并查明采空区的顶板、底板及地层、水文等相关要素，钻探时采集岩样、土样，对进行天然极限抗压强度测试和土常规分析。

3 地层岩性

4 成果综述

4.1 物探成果综述

通过对瞬变电磁法资料和测氡法资料的处理解释，结合收集的地质资料综合分析：工作区主要为对4号煤层存在大面积开采破坏情况，共解释了采空破坏区5处，统计情况如表1所示。

表1 4号煤层采空破坏区统计表 m2

4.2 钻探

为进一步查明采空区塌落状态，采空区的埋深等特征，在分析中采空区布设3个钻孔，如表2所示。

表2 采空区钻探成果一览表

5 采空区特征

1)采空区地貌单元属于黄土丘陵区，微地貌为冲沟、黄土梁。地表为第四系全新统冲洪积粉土、粉质粘土及粉土，下覆岩层主要为石炭纪太原组厚～巨厚层状泥岩、炭质泥岩及泥质砂岩。2)根据地质调查及物探解译结果知，采空区分布在K0+320～K0+770段，采空区长度450 m。3)布设ZK2，ZK3，ZK4对采空区进行验证，主要揭露4号煤层。ZK2：位于路线里程桩号K0+500，线路左37 m，开孔层位为第四系上更新统粉土及粉质粘土，厚度28.0 m，下部为下更新统的粉质粘土层，厚度74.0 m，下至孔底为石炭纪太原组泥岩、炭质泥岩及泥质砂岩，厚度164.6 m。在243.6～244.50为4号煤层，厚度0.90 m，未开采或煤柱，263.9～265.45为8号煤层，厚度1.55 m，未开采或煤柱。在173 m左右发生钻探液大量损耗，终孔深度272.45 m。ZK3：位于路线里程桩号K0+356，线路右21 m，开孔层位为第四系全新统的填土层，填土主要为粉土及粉质粘土，厚度7.6 m，其次为上更新统粉土及粉质粘土，厚度14.7 m，下部为下更新统的粉质粘土层，厚度67.1 m，下至孔底为石炭纪太原组泥岩、炭质泥岩及泥质砂岩，厚度141.0 m。在225.75 m～227.25 m发生掉钻，为4号煤层采空段，厚度1.5 m。在151 m～161 m及174 m～180 m左右两段发生钻探液损耗现象，200 m～225 m段，岩芯破碎，终孔深度230.45 m。ZK4：位于路线里程桩号K0+652，线路左74 m，开孔层位为第四系上更新统粉土及粉质粘土，厚度26.0 m，下部为下更新统的粉质粘土层，厚度132.45 m，下至孔底为石炭纪太原组泥岩、炭质泥岩及泥质砂岩，厚度171.8 m。在324.75～325.85为4号煤层，厚度1.10 m，未开采或煤柱。在227 m左右钻探液发生损耗，终孔深度330.25 m。综上，采空区的钻探成果与物探推断解释相吻合。

6 煤矿采空区对公路工程的影响程度及其稳定性评价

6.1 根据拟建构造物与采空区相对位置定性评价

中阳张子山煤业有限公司煤矿采空区位于路线南则隧道底板下135 m～221 m，4号煤层采厚为1.5 m～2.0 m，结构物为南则隧道。

采空区位于隧道之下，煤矿采空区未放顶，采空区对南则隧道具有一定影响。路线经过地段，地表无变形，地表未见变形形成的张裂隙，煤矿采空区对隧道影响较小。

根据现场调查及《采空区公路设计与施工技术细则》第4.2.1条，采空区上覆围岩主要为砂岩及砂质泥岩，属中硬覆岩，煤矿停采时间为2007年，t>3.0年，按停采时间评价采空区场地稳定等级为稳定；采深与采厚比H/M=140～220，按照采深与采厚比评价场地稳定性等级为稳定。

依据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》第12.2.3条，地表无裂缝、台阶、塌陷坑，按变形特征评价采空区场地稳定等级为稳定；松散层厚度大于30 m，按顶板岩性及松散层厚度评价采空区场地稳定等级为稳定。

6.2 根据经验公式及勘察区覆岩结构特点定量评价

岩层的地表移动和变形受地质条件、采煤方法等多种因素综合影响，包括覆岩力学性质、岩层组成和土石比例关系、采煤方法及顶板管理方法、开采深度、采煤厚度、采深采厚比、工作面开采时间、地表变形特征等。

按小窑考虑，采深与采厚比：

H/M=(min225/2,max324/2)=(min112,max162)。

冒落带的高度采用下式进行计算：

其中，h为冒落带高度；m为采出煤层厚度，按2.0 m计；k为岩石碎胀系数，取值1.25；α为煤层倾角，按5°计。

经计算，4号煤层采空区冒落带高度为8.0 m。

4号煤层顶板为厚层状砂质泥岩，本项目采用冒落裂隙带高度为采厚的15倍进行评价。

6.3 预测地表变形

根据《矿山开采学》公式，预算最大移动和变形值：

1)最大下沉量：

W=mqcosα=2×0.80×cos5°=1.58 mm。

2)最大倾斜值：

i=w/r=w/(H/tgβ)；

β=δ-(0.6-0.7)δ=23°。

3)最大曲率值：K=±1.52W/r2。

4)最大水平移动：U=bw。

5)最大水平变形值：ε=±1.52bW/r。

根据上述公式计算各煤矿采空区主要变形参数见表3。

表3 采空区最大变形参数表

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》12.4.2，确定采空区经分析和剩余变形量计算，总体评价，采空区场地稳定性好。

6.4 根据《工程地质手册》顶板临界深度评价

根据《工程地质手册》进行稳定性评价，结合钻孔资料，第四纪粉质粘土重度取值20 kN/m3,石炭纪太原组泥岩及泥砂岩重度取26.5 kN/m3，巷道位于路线下135 m～221 m，

第四纪粉质粘土厚度按60 m计算，岩石厚度按135 m～160 m计。

巷道宽度取5 m，φ取值50°，路面设计单位荷载P0=300 kN/m2。

巷道位于路线下200 m时，γ=24.5 kN/m3，计算得H0分别为32.3 m～32.5 m，H=200 m>1.5H0=48.8 m。

综上，根据计算结果表明，在公路荷载作用下，地基稳定，不会产生坍塌、沉陷等现象。

7 结语

通过不同的方法对南则隧道下覆采空区稳定性的评价，其稳定性评价结论是一致的、相对稳定的。采空区稳定性多种稳定性评价的方法，提高单一评价方法的局限，对其他类似工程提供一定的参考依据，同时提升岩土勘察的质量。