煤矿采空区场地稳定性评价

司冬冬

摘 要：文章以省道323新密关口至登封张庄（K24+100～ K30+230）段煤矿采空区为主要研究对象，通过搜集采空区资料和现场勘查，根据采空区特征、地面及已有建筑物的变形和破坏情况、采空区覆岩变形规律及采空区场地地表变形规律、地面变形特征、持续时间、影响范围、附加应力影响深度、活化因素及地表剩余移动变形预计等因素进行综合定性、定量分析，判断不同区段采空区处于稳定性、基本稳定还是不稳定阶段。

关键词：煤矿采空区;覆岩变形;地表变形;场地稳定性

1    工程概况

省道323线新密关口至登封张庄段改建工程，位于新密市平陌镇南约600 m的桑家庄至登封市大冶镇东南约1.5 km的桥板河村，该工程的K24+100～K30+230段位于老采空区场地上，局部压覆资源将来可能开采，分析该场地采空区稳定性，以保障改建工程的质量和安全。

2    研究区地质背景

2.1  气象、水文

改建场地所在地区属大陆半干旱型季风气候区。夏、秋两季炎热多雨，冬、春两季寒冷干燥。年降雨量为416.50?1102.90 mm，年平均降雨量为624.35 mm，降雨多集中在7?9月份，约占全年降雨量的65%。

2.2  地形地貌

改建場地位于登封市大冶镇东南部，整体地势呈东南高、西北低，属低山丘陵地貌。改建场地东侧为通往大冶镇的乡村公路，场地内地形起伏较大，中部的桥板河地势相对较低，地表标高在 280?300 m。

3    采空区覆岩变形破坏规律分析

地下煤层采出后形成采空区，随着煤层开采的不断进行，采空区范围不断扩大，采空区顶板岩体则会逐渐变形、开裂和破碎，冒落堆积在采空区，形成“冒落带”，随着冒落不断堆积，堆积物将被逐渐压密。同时，在“冒落带”的上方将形成一定厚度的“裂隙带”。该裂隙带向上发展直至地表会形成“整体移动带”或“弯曲下沉带”。其下沉会基本保持带内岩土层的完整性，在地表形成一个比采空区范围大的地面塌陷区。冒落带、裂隙带和整体移动带三带的产生和发展就是煤矿采空区地面塌陷的形成过程。采用煤柱法管理顶板时，若所留煤柱能够支撑住顶板，尽管开采部分的顶板局部冒落，导水裂隙带还能孤立存在且高度很小。如果所留煤柱太窄，煤柱会被压垮，此时的覆岩破坏高度与全陷法无异。

3.1  改建场地采空区覆岩三带的空间轮廓形状

冒落带、裂隙带和弯曲带的空间轮廓、形状与被开采的煤层倾角有关：当0°≤α≤35° 时，冒落带边界位于采空区上方、开采边界内，上边界与岩层面大致平行，冒落带高度基本相同。当36°≤α≤54°时，采空区上端冒落裂隙带高度大于下端。当55°≤α≤90°时，冒落裂隙带上边缘急剧向上发展，远高于采空区上边界。

改建场地下大部分区域煤层倾角在10°～33°，属缓倾斜煤层，形成高度基本相同的冒落裂隙带。

3.2  采空区类型

改建场地下大平、宏达、隆锦隆煤矿的二1煤采空区为正规开采，其余地方小窑为非正规开采。顶板管理方法为自然垮落法，采空区局部已垮落，但未完全压密，且由于煤柱及坑木的支撑作用，不排除局部存在残留空洞可能性，因此，属非充分采动顶板垮落不充分的采空区。

4    采空区场地地表变形基本规律分析

4.1  地表移动和变形规律

4.1.1  地表移动盆地

在开采影响波及地表以后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地或下沉盆地。描述地表移动盆地内移动和变形的指标一般用：下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形。

4.1.2  裂缝及台阶

在地表移动盆地的外边缘区，地表可能产生裂缝。裂缝深度和宽度，与有无第四系松散层及其厚度、性质和变形值大小有关。若第四系松散层为塑性大的粘性土，一般在地表拉伸变形值大于6～10 mm/m时，地表才发生裂缝。塑性小的砂质粘土、粘土质砂等，地表拉伸变形值在2～3 mm/m时，地表即可发生裂缝。

4.1.3  塌陷坑

塌陷坑多出现在下列开采条件及地质条件下：（1）采深很小、采厚很大、房柱式开采或长壁式开采，采厚不均匀，地表可能出现漏斗状塌陷坑;（2）含水松散层下开采时，开采上限过高，会在地表引起漏斗状塌陷坑;（3）急倾斜煤层开采时，煤层露头附近地表也会出现漏斗状塌陷坑。

建设工程场地下部煤层采深小、采厚很大，局部采深采厚比远小于30，且多为分层重复开采，因此，其地表移动和变形是不连续的，没有严格的规律性，地表可能出现较大的裂缝或塌陷坑。根据现场调查，场地内有明显台阶和裂缝，台阶最大高度约为1.5 m。由于改建场地近期人类工程活动较多，地形地貌变化较大，工程建设时发现多条裂缝，均已处理。

4.2  地表移动的持续时间

（1）初始期：地表下沉10 mm时为移动期的开始时间，其后地表下沉速度小于50 mm/月（煤层倾角﹤45?）或地表下沉速度小于30 mm/月（煤层倾角﹥45?）。（2）活跃期：地表移动延续时间内，下沉速度大于50 mm/月（煤层倾角﹤45?）或下沉速度大于30 mm/月（煤层倾角﹥45?）。（3）衰退期：活跃期结束后即进入衰退期。

地表沉降趋于稳定的标准是连续观测6个月，地表各点的累计下沉值均小于30 mm（即地表移动持续时间衰退期），这一稳定称为初始稳定，已完成的地表变形称为初始变形（初始沉降），以后发生的地表变形称为剩余变形（剩余沉降）。一般将尚未进入衰退期的采空区称为不稳定采空区，将进入衰退期的采空区称为稳定采空区或相对稳定采空区。根据采空区终采时间及采深按表1计算，并结合甲方提供的沉降观测记录可知，K24+960～K25+260、K26+355～K27+890、K27+865～K28+610段下部采空区还未进入稳定状态，其他路段的采空区引起的地表常规变形已结束。

5    采空区稳定性分析与评价

根据收集的采矿资料、采空区勘查、工程地质调查及地表变形估算等工作成果，参照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044—2014），按照表2综合判断，可将评价范围按采空区场地的稳定性划分为稳定、基本稳定和不稳定3个等级，如表2所示。

（1）根据分析，K24+960～K25+260（采空区Ⅰ影响范围）处于基本稳定区，地面已有的开裂、台阶状裂缝和塌陷坑基本稳定，有发生不连续变形的隐患，主要根据以下几个方面进行分析：①评判因素：判断数据;②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地质构造：断层、褶皱发育，节理、裂隙极发育;④地表松散层：质地松软，含水丰富，厚度<10 m;⑤覆岩特征：厚度小，完整性差，强度低;煤层倾角：25°～45°;⑥采区回采率>60%;⑦采空区埋深：28～90 m;⑧开采厚度：9.00 m;⑨开采深厚比：3～10;⑩开采层数：单层;顶板管理方法：垮落式;停采时间：2014年;采动效应：地面已有的开裂、台阶状裂缝和塌陷坑基本稳定，有发生不连续变形的隐患。综上所述，结论是基本稳定。

（2）K26+390～K27+855段（采空区Ⅱ影响范围）刚刚结束回采，正在发生不连续变形，地面出现开裂、台阶状裂缝和塌陷坑，且处于活跃阶段，处于不稳定区。该区域将于2018年1月进入初始稳定状态，主要根据以下几个方面进行分析：①评判因素：判断数据;②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地质构造：断层、褶皱发育，节理、裂隙极发育;④地表松散层：质地松软，含水丰富，厚度10～30 m;⑤覆岩特征：厚度中等，完整性较好，强度较高;煤层倾角：25°～45°;⑥采区回采率>60%;⑦采空区埋深：280～300 m;⑧开采厚度：4.5 m;⑨开采深厚比：60～67;⑩开采层数：单层;顶板管理方法：垮落式;停采时间：2015年7月;采动效应：路面发生不连续变形，出现塌陷坑、台阶状裂缝，边坡失稳、坡脚隆起和涵洞伸缩缝变形。综上所述，结论是不稳定。

（3）K27+865～K28+610段（采空区Ⅲ影响范围）处于不稳定区，正在发生不连续变形，地面出现开裂、台阶状裂缝和塌陷坑，且处于发展、活跃阶段，根据该区域将在煤层开采结束后3.37年进入初始稳定状态。其他路段采空区处于稳定状态，主要根据以下几个方面进行分析：①评判因素：判断数据;②地形地貌：丘陵，地面坡度5°～15°;③地质构造：断层、褶皱发育，节理、裂隙极发育;④地表松散层：质地松软，含水丰富，厚度10～30 m;⑤覆岩特征：厚度中等，完整性较好，强度较高;煤层倾角：25°～45°;⑥采区回采率>75%;⑦采空区埋深：360～450 m;⑧开采厚度：6.0 m;⑨开采深厚比：60～90;⑩开采层数：单层;顶板管理方法：垮落式;停采时间：正在开采;采动效应：路面发生不连续变形，出现塌陷坑、台阶状裂缝，边坡失稳、坡脚隆起和涵洞伸缩缝变形。综上所述，结论是不稳定。

6    结语

（1）查明改建场地位于新密煤田西部，大冶向斜南翼西段，井田内共发育大于10 m的断层16条，矿井生产中揭露小于10 m的断层100条。改建场地及外围附近无全新活动断裂，地震活动性不强，地震灾害皆来自邻区影响，改建场地区域地壳稳定。（2）查明改建K24+960～K25+260段下伏有隆锦隆煤矿采空区，采空区编号为Ⅰ，其形成时间为2013—2014年，于2016年1月进入基本稳定状态;改建K26+355～K27+890段下伏有大平煤矿采空区，采空区编号为Ⅱ，其形成时间为2014年7月—2015年7月，将于2018年1月进入基本稳定状态;改建K27+865～K28+610段下伏有大平煤矿采空区，采空区编号为Ⅲ，其开采时间为2015年5月至今，且目前仍在进行开采活动，预计将于停采后3.37年进入基本稳定状态。其余采空区形成时间较早，处于稳定状态。（3）根据采空区特征、地面及已有建筑物的变形和破坏情况、地面变形特征、持续时间、影响范围、附加应力影响深度、活化因素及地表剩余移动变形预计等因素综合定性、定量分析，查明K24+100～K24+965段、K25+257～ K26+460段、K27+750～K27+990段和K28+535～K30+230段已有的开裂、台阶状裂缝和塌陷坑基本穩定，有发生不连续变形的隐患，采空区处于基本稳定状态，工程建设基本适宜;K24+965～K25+257段、K26+460～K27+750段和K27+990～K28+535段会发生不连续变形，出现塌陷坑、台阶状裂缝、边坡失稳、坡脚隆起和涵洞伸缩缝变形，处于不稳定状态，工程建设适宜性差。

[参考文献]

[1]张志沛，王红.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（1）：46-48.

[2]张志沛，王红.注浆法在公路下伏煤矿采空区治理工程中的应用[J].煤田地质与勘探，2003（6）：43-47.