小窑采空区变电站采动变形特征及稳定性评价

史卫国 崔鹏伟 薛 飞

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

老窑和小煤窑采空区，虽然在开采过程中，留下了许多残留煤柱或临时支护系统支撑覆岩，但残留煤柱尺寸小、强度差，难以保持长久的稳定。导致上覆岩层破坏不规律，通常会造成地表的突然塌陷，而且塌陷的发生时间和持续时间难以估计和预测，因此对地面建筑物的危害极大[1]。因此研究小窑采空区勘察及评价具有重要意义。本文以某新建变电站采空区勘察成果为基础,探讨小煤窑采空区的特点及评价。

1 站址区采动变形特征

1.1 站址区煤层及上覆岩土体特征及覆岩破坏类型

站址区位于晋煤集团古书院矿区范围内，可采煤层为3号煤、9号煤、15号煤，从晋城国土资源局、晋煤集团古书院区矿收资得知，站址范围内的埋深较深的9号煤层、15号煤层未经开采，埋深较浅的3号煤曾由张岭煤矿进行过开采。张岭煤矿建于1949年，讨论区内3号煤采煤时间为1971年—1980年间，开采厚度为4.0 m～6.0 m，开采方式为不规则房柱式开采，开采宽度为4 m。鉴于讨论区内9号煤、15号煤均未经开采，且无进一步开采规划，对场地变形无影响。已开采煤层主要是3号煤层，故该处仅对3号煤进行分析讨论。

讨论范围区内3号煤层埋深31.1 m～40.5 m之间，平均厚度5 m。煤层(采空区)上部上覆岩土体厚27.6 m～36.7 m。其中第四系覆盖层厚8.6 m～11.5 m，以素填土、黄土(粉土)及卵石层为主。具体如下：⓪层：素填土，粉土为主，黄褐色，中密，稍湿，含植物根茎及少量建筑垃圾，含大孔隙，具湿陷性。回填年限大于5年，分布于整个站址，层底埋深0.5 m～4.5 m，厚0.5 m～4.5 m，平均厚度为2.0 m，层底标高735.68 m～738.1 m。①层：黄土(粉土)，黄褐色，中密，稍湿，含大孔隙，具湿陷性。分布于大部分站址，层底埋深3.2 m～6.5 m，厚度0.6 m～3.3 m，平均厚度1.8 m。②-1层：黄土(粉土)，红褐色，密实，稍湿，不具湿陷性。分布于整个站址，层底埋深4.1 m～10.7 m，厚0.9 m～5.0 m，平均厚2.9 m。②-2层：卵石，灰褐色，磨圆度中等，混大量粉质粘土及粗砂。层底埋深5.7 m～11.8 m，厚1.6 m～5.4 m，平均厚3.6 m(见图1)。

上覆岩土体含四层基岩，具体如下：③-1层：泥岩，青灰～灰褐色，强风化，破碎，岩芯呈块状，为软岩。层底埋深11.6 m～5.8 m，厚0.8 m～5.9 m，平均厚3.4 m。③-2层：砂岩，灰褐色，中风化，较完整，岩芯呈长柱状，为软质岩，层底埋深12.4 m～19.3 m，厚1.5 m～4.2 m，平均厚2.8 m。③-3层：泥岩，灰褐色，中风化，采空区及其影响区较破碎，其他区段较完整，岩芯呈柱状，为软质岩。层底埋深23.2 m～34.4 m，厚度10.2 m～19.0 m，平均厚15.5 m。③-4层：泥岩，灰褐色，中风化，软岩。该层受采空区影响较破碎，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状及碎块状，钻进过程中钻机速度时快时慢，局部存在突然掉钻的情况。层底埋深30.5 m～36.7 m，厚1.6 m～8.4 m，平均厚4.0 m。

覆岩破坏类型为三带型，覆岩全部为可垮落岩层，以软岩～较硬岩为主，覆岩破坏分为垮落带、断裂带和弯曲带。煤层顶板垮落带主要为③-4层泥岩，该层受采空区影响较破碎，节理裂隙发育，局部存在因垮落而形成的空洞。断裂带主要为垮落带上部的③-3泥岩层，岩层产生断裂和裂缝，但仍保持其原有层状。弯曲带主要为③-2层砂岩、③-1层泥岩及其上部的覆盖层，为弯曲带上部直至地表的岩土层，该部分岩层岩性较完整(见图2)。

1.2 站址区采空区空间分布及特征

采空区的深度及平面分布范围根据物探及钻探的方式确定。在地质雷达初步探定的疑似采空区内及周边采用钻探验证。站址区内针对3号煤共布设20个钻孔(初设布孔7个，施工图13个)，16个孔存在采空区(C2，C5，C15，C17，C20，S01，S02，S03，S05，S06，S07，S09，S10，S11，S12，S13钻进过程中均存在掉钻、钻机速度不稳定等现象，且钻进过程中均存在漏浆失浆情况)，见图3。

2 采空区场地稳定性评价

2.1 开采条件判别

GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范规定[2]，对不规则、非充分采动等顶板垮落不充分、难以进行定量计算的采空区场地，可采用开采条件判别法进行定性评价。

上覆基岩以泥岩为主，夹有薄层砂岩。砂岩厚度1.5 m～4.2 m，小于5 m，属GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范表12.1.3-3中“无坚硬岩层分布或为薄层或软硬岩层互层状分布”，对应稳定等级为“不稳定”。

采空区上部第四系覆盖层厚度8.6 m～11.5 m，5≤松散层厚度≤30 m，按GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范表12.1.3-3中松散层厚度判别，对应稳定等级为“基本稳定”。

综合判断，场地稳定性等级为不稳定。

2.2 力平衡分析法

GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范条文说明12.3.10：当建筑物位于采空区影响范围内时，应进行顶板稳定性分析，因其计算方法尚不成熟，故规范中未推荐计算公式。目前，国内外相关文献中亦有采用力平衡分析法计算吉县顶板稳定性的成功案例。

1)顶板稳定性计算:

(1)

其中，H为矿石顶板埋深，m；H01为临界深度，m；φ为上覆地层平均内摩擦角，取φ=23.5°；a为巷道宽度的1/2，取2 m；当H1.5H01时，顶板稳定。

2)地基稳定性计算：

(2)

其中，H02为临界深度，m；B为巷道宽度,m；φ为上覆地层平均内摩擦角，取φ=23.5°；γ为上覆地层平均容重，取γ=20.5 kN/m3；P0为建筑物基底单位压力，取P0=200 kPa。

当H1.5H02时,地基稳定。房柱式开采煤层采空区巷道宽度依据张岭煤矿所提供数据取4.0 m，经计算，房柱式开采煤层采空区H01=21.4 m；1.5H01=32.1 m；H02=28.6 m；1.5H02=42.9 m。站址区内各建筑物顶板埋深及地基稳定情况见表1。站址区稳定性情况综合评价：采空区顶板稳定性差，地基稳定性差。

表1 顶板及地基稳定情况评价表

2.3 工程建设适宜性

GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范中12.3.1规定，采空区场地工程建设适宜性，应根据采空区场地稳定性、采空区与拟建工程的相互影响、拟采取的抗采动影响技术措施的难易程度、工程造价等进行划分。

站址区采空区垮落不充分，存在地面发生非连续变形的可能，采空区剩余变形对拟建工程的影响大，处理难度大且造价高。依据GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范中表12.3.1判断，采空区场地工程建设适宜性差。

3 结语

1)该变电站站址范围下部3号煤层开采方式为不规则房柱式开采，采空区覆岩全部为可垮落岩层，覆岩破坏类型为三带型，依次可分为垮落带、断裂带和弯曲带。

2)站址范围采空区垮落不充分，地表存在非连续变形的可能性。按力平衡分析法进行稳定性评价，判别结果为“顶板稳定性差，地基稳定性差”；按开采条件判别法进行定性评价，对应稳定等级为“不稳定”；按松散层厚度判别，对应稳定等级为“基本稳定”。综合判断，场地稳定性等级为不稳定。采空区场地工程建设适宜性差。