如何對小窯采空區(qū)穩(wěn)定性進行評價

張 鑫

（山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊，山西長治046000）

山西省是煤炭資源大省，曾經(jīng)為國家經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，近些年隨著城市迅速擴張，原有的煤礦采空區(qū)即將成為城市用地的一部分，有的甚至成為了城市黃金地段，如何對這些小窯采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價一直困擾著勘察設計人員。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

本區(qū)處于沁水煤田東南部，區(qū)內(nèi)大面積為新生界地層覆蓋，山頂和河谷兩側有基巖出露，區(qū)域上出露及揭露地層主要有二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子、石炭系上統(tǒng)太原組、下統(tǒng)本溪組、奧陶系中統(tǒng)峰峰組等地層，地層由老至新敘述如下。

1.1 奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）

上部為深灰色、青灰色厚層狀石灰?guī)r可見浸染狀黃鐵礦，下部為黃色、黑灰色泥灰?guī)r，局部含次生石膏，全組厚度約30～50m。

1.2 石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）

平行不整合覆于奧陶系中統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r凹凸不平之古侵蝕面上，巖性、巖相及厚度變化較大，一般由灰色鮞狀鋁土巖、鋁質(zhì)泥巖夾菱鐵礦、硫鐵礦等組成，局部夾不穩(wěn)定的薄煤層及薄層石灰?guī)r，全組厚0～18.0m，平均厚9.0m。

1.3 石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）

本組為主要含煤巖系之一，為海陸交互沉積，河漫相之砂巖、沼澤相之泥巖及煤、淺海相之石灰?guī)r及泥灰?guī)r所組成。至下而上，K2石灰?guī)r、K5石灰?guī)r普遍發(fā)育，層位穩(wěn)定，可作為標志層，間夾穩(wěn)定可采的15#、9#煤層和局部可采的5#煤層以及不穩(wěn)定的7#、8#、11#、13#、14#煤層等，全組厚56.74～94.20m，平均厚75.02m。

1.4 二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）

本組為本區(qū)主要含煤地層之一，由河漫灘相、三角州相之砂巖，湖相之泥巖及藻層粉砂巖，沼澤相煤及泥巖等組成，底部K7砂巖一般為灰白色、細粒、富含煤粒，緩波狀層理，局部為粉砂巖，厚4.40～4.80m，平均厚度4.60m；本組可采煤層為3#煤層，厚度一般5.00～6.20m，平均厚度5.80m；全組厚度54.65～62.73m，平均厚度59.53m。

1.5 二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）

由灰色、灰綠色細—中粒砂巖，深灰色、灰色粉砂巖，夾數(shù)層灰綠色、灰色鋁質(zhì)泥巖組成，全組厚度73.06～102.44m，平均厚度87.75m。

1.6 二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）

本區(qū)內(nèi)大部分被剝蝕，主要為黃綠色、灰綠色風化后呈杏黃色的泥巖、粉砂巖、中粗粒砂巖等組成，夾灰色具紫紅色斑塊的鋁質(zhì)泥巖，底部含鐵錳礦層，厚度0.4m，上部以K9砂巖為底界，主要為灰色、灰綠色中粗粒砂巖、粉砂巖，夾灰綠色、紫紅色泥巖及粉砂巖，全組厚度287.60～310.49m，平均厚度297.78m。

1.7 第四系（Q）

沿沁河、長河及其支流河谷兩側大面積分布，不整合覆蓋于不同時代地層之上，厚度5～40m，平均厚度18.0m。

①中更新統(tǒng)（Q2）：下部為淺紅色、暗紅色砂質(zhì)粘土，含鐵錳質(zhì)薄膜，半膠結至不膠結；中部為灰黃色砂礫層；上部為淺褐紅色砂質(zhì)粘土，含鈣質(zhì)結核。

在本次研究中,實驗組患者主訴良好達到100%(55例),并表示愿意再次接受檢查治療,其數(shù)據(jù)明顯的高于常規(guī)組(P<0.05);實驗組患者軀體反應優(yōu)良率為100%(55例),明顯高于常規(guī)組的89.09%(49例),兩組數(shù)據(jù)比較具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。在王昌合[4]等的研究中同樣指出:靜脈麻醉下,消化內(nèi)鏡微創(chuàng)治療患者軀體反應的優(yōu)良率達99.99%,明顯高于表面麻醉下的89%(P<0.05)。其研究與本研究所論證的結果一致,僅在數(shù)據(jù)上存在差異,可能是受病例數(shù)和患者個體差異的影響。

②上更新統(tǒng)（Q3）：灰黃色亞粘土，夾鈣質(zhì)結核，垂直節(jié)理發(fā)育，孔隙度大，底部為灰黃色松散砂礫層。

③全新統(tǒng)（Q4）：近代河床相堆積，以砂、礫層為主。

2 采空區(qū)的分布特征

本區(qū)可采煤層為太原組9#、15#煤層。其中9#煤層埋深約35～55m，厚度1.0～1.30m；15#煤層埋深約75～95m，厚度1.92～3.20m。山西省地質(zhì)勘查局某地質(zhì)隊，根據(jù)物探方法結合野外實地調(diào)查基本查明了場地范圍內(nèi)煤層采空區(qū)的分布范圍、埋深及采煤高度等特征。根據(jù)勘查成果，共圈定采空異常區(qū)7個。根據(jù)野外調(diào)查，區(qū)內(nèi)及周邊分布的礦井主要有原澤州縣金村鎮(zhèn)某村辦煤礦已廢棄的主井、風井及廢棄小窯井口6個，其多為20世紀70年代中后期至90年代周邊村民開采形成，開采方式為房柱式純?nèi)斯ら_采或炮采，采空區(qū)分布無規(guī)律。

依據(jù)建設方要求，對建設區(qū)內(nèi)存在的9#煤層采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價，并提出合理處置建議。

3 采空區(qū)地表變形

據(jù)場地勘察資料，勘查區(qū)內(nèi)小窯井口較多，共發(fā)現(xiàn)小窯井口6處。根據(jù)物探報告，位于太原組中下部，上距K5灰?guī)r約19m，下距15#煤層約40m左右，煤層厚度為1.00～1.30m，平均1.20m，煤層穩(wěn)定，為局部可采煤層，煤層結構簡單，一般不含夾矸，煤層頂板為灰?guī)r，底板為泥巖。其灰?guī)r頂板為本區(qū)相對穩(wěn)定層，厚度較大，抗壓強度較高，受原有開采方式的限制，回采工作面較窄（回采率一般不大于30%），頂板完整，在無大的外力作用下一般不易形成塌陷。從現(xiàn)場情況看，場地內(nèi)地面變形不明顯，未見地裂縫、地面塌陷現(xiàn)象。

4 頂板穩(wěn)定性計算

礦層采空后周圍巖體失去支撐，圍巖應力發(fā)生變化，按照《鐵路工程地質(zhì)手冊》（第二版）中采用楔形體對小型采空區(qū)頂板穩(wěn)定力學計算原理，頂板上方巖層自拱力恰好能保持自然平衡而不塌陷，臨界深度：

2a——巷道寬度，本次多數(shù)巷道寬度取3m進行計算；

φ——巖層的內(nèi)磨擦角，（°），取灰?guī)r的內(nèi)摩擦角40.0°。

經(jīng)計算H0為16.5m，9#煤層埋深約35～55m大于H0為16.5m，自然狀況下不會塌落，計算結果與現(xiàn)狀吻合。

5 礦房直接頂板穩(wěn)定性校核

一般按拉壞理論進行計算，公式為：σ=γW/2d

式中：σ——頂板彎曲時產(chǎn)生的拉力，超過頂板巖石抗拉強度時即破壞；

γ——頂板巖石容重，取灰?guī)r的天然重度26.8kN/m3（按最不利因數(shù)考慮）；

W——頂板地層跨度，取3m；

d——頂板梁高，頂板灰?guī)r厚度平均3m，取3m。

中風化灰?guī)r抗壓強度取20MPa，抗拉/抗壓取0.059，則抗拉強度取1.18MPa；經(jīng)計算頂板彎曲時產(chǎn)生的拉力σ為13.4kPa=0.0134MPa小于1.18MPa，正常條件下不會破壞，從現(xiàn)場情況看，場地內(nèi)地面變形不明顯，未見地裂縫、地面塌陷現(xiàn)象，計算結果與現(xiàn)狀吻合。

6 小窯采空區(qū)地基穩(wěn)定性受力分析粗判

本區(qū)煤礦開采均為非正規(guī)的掘采，采深采厚比小，一般在26.7～29.5之間，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009）5.5.2條的規(guī)定，當采深采厚比小于30時，可根據(jù)建筑物的基底壓力、采空區(qū)的埋深、范圍和上覆巖層的性質(zhì)等評價地基的穩(wěn)定性，并根據(jù)礦區(qū)經(jīng)驗提出處理措施的建議。依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第四版P575）小窯采空區(qū)地基穩(wěn)定性受力分析粗判小型采空區(qū)地基穩(wěn)定性臨界深度計算公式：

式中：B——巷道回采寬度，m；

γ——頂板的天然重度，kN/m3,取灰?guī)r的天然重度26.8kN/m3（按最不利因數(shù)考慮）；

φ——巖層的內(nèi)磨擦角，（°），取灰?guī)r的內(nèi)摩擦角40.0°（按最不利因數(shù)考慮）；

P0——建筑物基底的單位壓力，kPa；取500kPa（按最大荷載考慮）。

上述臨界深度計算為巖層厚度，若為第四系土則以3∶1換算為基巖厚度。

按照《工程地質(zhì)手冊》（第四版）中有關處理原則：

當H＞1.5H0時，地基穩(wěn)定，在采空區(qū)上方的建筑工程可不做工程處理，如表1所示。

當H0＜H＜1.5H0時，地基穩(wěn)定性差，在采空區(qū)上方的重大建筑工程需處理，一般建筑工程可不做處理。

當H＜H0時，地基不穩(wěn)定，在采空區(qū)上方的所有工程均需處理。

表1 穩(wěn)定性受力分析表

根據(jù)上述原則，對照勘察場地內(nèi)地層、巖性、地形地貌等分析，需對場地內(nèi)巷道形態(tài)B≥3.0m的地段進行處理。

7 結論

無論是通過采用楔形體對小型采空區(qū)頂板穩(wěn)定力學計算原理對頂板穩(wěn)定性計算，還是按拉壞理論進行對礦房直接頂板穩(wěn)定性校核，自然條件下小窯采空區(qū)頂板均不會破壞，從現(xiàn)場情況看，場地內(nèi)地面變形不明顯，未見地裂縫、地面塌陷現(xiàn)象，計算結果與現(xiàn)狀吻合。

在荷載作用下，根據(jù)建筑物的基底壓力、采空區(qū)的埋深、范圍和上覆巖層的性質(zhì)等評價地基的穩(wěn)定性，巷道形態(tài)B≥3.0m的地段即進行處理。

后期建設方根據(jù)處置建議采用注漿法進行了采空區(qū)治理，運行多年，效果良好。

參考文獻：

[1]《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊[M].4版.中國建筑工業(yè)出版社.

[2] 肖樹芳，楊淑碧.巖體力學[M].地質(zhì)出版社.