東屬村老采空區(qū)新建水池工程穩(wěn)定性評價

司 青

（晉城市水利勘測設(shè)計院，山西 晉城 048000）

1 工程概況

晉城市新建東屬蓄水池容積2萬m3，為晉城市郭壁供水改擴建工程的調(diào)蓄工程，位于晉城市澤州縣金村鎮(zhèn)東屬村，本工程所在地為小煤窯開采區(qū)，據(jù)地勘報告，鉆孔主要揭露了兩層可采煤層，第一層可采煤層（9號煤號）高程755.21～759.55 m，厚0.5～1.6 m，埋深52.0～59.1 m，未開采，第二層可采煤層（15號煤）高程在711.01～713.81 m，厚約2.8 m，埋深100.5～103.3 m，該煤層已開采，形成采空區(qū)。本工程屬生命線工程，重要性等級為一級，為保證蓄水池正常使用，對下伏采空區(qū)穩(wěn)定性評價十分必要。

2 地質(zhì)條件

東屬水池位于東屬村北約500 m山坡頂，地面高程809.58～814.31，兩側(cè)山坡為土質(zhì)山坡，蓄水池用地現(xiàn)狀為耕地。鉆孔揭露地層如下：

石炭系上統(tǒng)太原組（C3t），上部為灰黑色中厚層砂巖夾砂質(zhì)頁巖及煤層（9號煤），砂巖巖性堅硬，厚約16 m，頁巖及煤層厚0.5～1.6 m。下部為深灰、灰黑色灰?guī)r與頁巖互層，底部夾有煤層（15號煤），其中灰?guī)r巖性堅硬，巖溶發(fā)育較弱，頁巖及煤層巖性較軟。

二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），上部為灰黃色、深灰色泥巖夾薄層灰色砂巖，下部為灰黑色灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r夾砂質(zhì)頁巖、泥頁巖及薄層煤線。取泥巖巖樣進行室內(nèi)試驗，其干密度1.92 g/cm3，吸水率25.12%，飽和單軸抗壓強度0.27 MPa，軟化系數(shù)0.09。

第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl），巖性為低液限粘土，褐紅色，稍濕，稍密，具中等壓縮性，厚2.5～9.6 m?？傮w由北向南逐漸增厚。

本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，主要為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀N87°E/SE∠9°。巖體中主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，其產(chǎn)狀分別為N20°～30°E/SE 75°～87°、N10°～20°W/NE 85°～88°，強風(fēng)化層厚度1～5 m?？碧缴疃确秶鷥?nèi)未見地下水。

該蓄水池工程所在場地周邊為早期小煤礦開采區(qū)，這些小煤礦均為20世紀(jì)80、90年代時期開始私挖亂采，于2000年前全部關(guān)閉，本地小窯一般采用房柱式開采方式，煤房開采寬度5～6 m，留設(shè)煤柱寬度8～10 m，煤柱一般呈正方形或長方形，煤層頂板任其自由垮落，不進行專門的支護或放頂。

形成采空區(qū)的15號煤層位于太原組一段頂部灰?guī)r之下，開采時間1980—2000年，房柱式開采，平均采深101.9 m，厚1.6～2.9 m，平均采厚2.8 m，含0～1層夾矸，煤層傾角3°～8°，回采率60%～70%，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層直接頂板為灰?guī)r，底板為深灰色泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖。場地內(nèi)采空區(qū)開采煤層特征表見表1。

表1 場地內(nèi)采空區(qū)開采煤層特征表

3 采空區(qū)穩(wěn)定性定性分析

本場地采空區(qū)屬老采空區(qū)，老采空區(qū)“活化”是影響采空區(qū)地表利用和造成采空區(qū)上方新建建筑物破壞的核心問題，按建筑物重要性等級、結(jié)構(gòu)特征及變形要求、采空區(qū)特征并結(jié)合山西煤礦老窯塌陷的經(jīng)驗采用定性與定量相結(jié)合的方法，分析該老采空區(qū)“活化”的可能性及對新建水池的危害程度。

老式房柱式開采的采空區(qū)穩(wěn)定性及危害程度的定性判別，應(yīng)從開采時間、頂板巖性及覆蓋層厚度、采深采厚比、地面及建筑物變形情況、采空區(qū)狀態(tài)等幾方面綜合判別。

3.1 地表移動延續(xù)時間

據(jù)調(diào)查，本場地采空區(qū)形成的時間為2000年以前，距今至少18年的時間，可按終采時間確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級，地表移動延續(xù)時間T按下式計算：

式中：T——地表移動延續(xù)時間，d；

H——最大開采深度，m。

15號煤平均采深H=101.9 m，計算得地表移動延續(xù)時間為8.5個月，表明開采后8個月，地表移動延續(xù)時間進入衰退期，而采空區(qū)距今約18年，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044-2014）表12.2.3-1，該采空區(qū)屬穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 頂板條件

根據(jù)區(qū)域煤田地質(zhì)資料以及針對蓄水池場地的巖土工程勘察資料，15號煤層頂板為厚層狀石灰?guī)r，厚度大于15 m，屬于層狀分布的堅硬巖石，頂板強度高，同時采深、采厚比達36.4，屬中深層采空區(qū)，結(jié)合地區(qū)采礦經(jīng)驗及本次鉆探結(jié)果，類似采空區(qū)一般處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 地面及建筑物變形情況

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及踏勘，場地內(nèi)未見塌陷痕跡。地勘鉆孔在深度19.0～19.1 m處夾有褐紅色粘土，含巖屑等，在15.1～15.15 m處夾有角礫、巖屑和泥土等，表明煤礦采空區(qū)曾經(jīng)造成該場地一定的變形，但蓄水池及附近地表均未發(fā)現(xiàn)有裂縫，說明該采空區(qū)引起的地表變形已減弱，趨于穩(wěn)定。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性定量分析

小煤窯老采空區(qū)失穩(wěn)破壞并導(dǎo)致地面塌陷的主要機制，為煤柱壓入底板和底鼓、煤柱破壞、頂板的塌陷。根據(jù)煤層頂板、底板以及煤層自身的抗壓強度以及實測或調(diào)查得出的煤柱、煤房的尺寸，定量計算評價煤柱及頂、底板的穩(wěn)定性。

4.1 煤柱穩(wěn)定性分析

該地區(qū)小煤窯開采煤房寬度一般為7.0 m左右，煤柱寬度8～10 m，采用木支柱及自然垮落管理頂板，當(dāng)?shù)?5號煤的單軸抗壓強度Rc約為5.0 MPa。沿煤柱走向每延米長度煤柱支撐的平均應(yīng)力公式為：

式中：δav——每延米長度煤柱支撐的平均應(yīng)力，kPa；

a——煤房的寬度，取6.0 m；

b——煤柱的寬度（m），取10.0 m；

γav——采區(qū)頂板上覆蓋層的平均重度（kN/m3），取21.0 kN；

H——最大開采深度，按平均厚度100 m。

經(jīng)計算，δav=3 360 kPa，煤柱安全系數(shù)K煤柱=Rc/δav=1.48，按《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》表12.2.5，1.2＜K煤柱＜2，煤柱屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 煤層頂板穩(wěn)定性分析

利用簡支梁理論進行覆巖穩(wěn)定性力學(xué)驗算，分別驗算頂板的抗彎及抗剪能力。

4.2.1 抗彎所需的最小厚度驗算

頂板所承受的線性均布荷載P計算公式：

式中：P——線性均布荷載，kN/m；

P1——建筑物荷載，kN/m，按150 kPa考慮；

P2——老頂以上覆蓋層的重量，kN/m，重度按21 kN/m3考慮，厚80 m；

P3——老頂?shù)闹亓?，kN/m，重度按22 kN/m3考慮，厚度取平均厚度20 m。經(jīng)計算得，均布荷載P=150×1+21×80×1+22×20×1=2 270.0 kN/m。

按簡支梁受力情況，計算梁跨中彎矩（最大值）公式：

式中：M——跨中彎矩，kN·m；

P——均布荷載，計算得2 270.0 kN/m；

L——煤房凈距，取6.0 m。

計算得跨中彎矩M=10 215.0 kN·m。

計算抗彎所需最小厚度公式：

式中：Hc——計算抗彎厚度，m；

M——跨中彎矩，計算得10 215.0 kN·m；

σ——老頂抗彎強度，按抗壓強度（50 MPa）的0.15倍計，為7 500 kPa。

計算得頂板梁抗彎所需最小厚度為1.2 m，據(jù)地勘資料及相關(guān)工程經(jīng)驗，15號煤層老頂厚度為15 m（平均20 m），抗彎安全系數(shù)K抗彎=16.6。分析該數(shù)據(jù)可知，頂板梁在簡支情況下不會發(fā)生彎折，采空區(qū)覆巖抗彎滿足要求，不會發(fā)生折斷，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2 抗剪強度驗算

按簡支梁受力情況計算梁剪力（最大值）公式：

式中：τmax——最大剪力，kPa；

p——均布荷載，kN/m，計算得2 270.0 kN/m；

L——煤房凈距，取6.0 m；

H——計算抗剪厚度，m，取老頂厚度20 m；

b——計算長度，取1 m。

最大值位于簡支梁兩端，計算得τmax=510.8 kPa。老頂巖層抗剪強度約為7.5 MPa，計算抗剪安全系數(shù)K抗剪=15，因此老頂巖層將不會斷裂垮落。

4.3 最大垮落高度計算

當(dāng)局部煤柱產(chǎn)生破壞，造成采空區(qū)頂板局部垮落，或由于局部頂板裂隙發(fā)育造成其垮落時，其垮落高度以及斷裂帶高度計算如下：

式中：h1——頂板垮落高度，m；

m——開采高度，m，取2.8 m；

k1——自由垮落碎賬系數(shù)，取1.25；

α——地層傾角。

計算得h1=11.3 m。即頂板局部垮塌后，垮落帶及斷裂帶的高度為11.3 m左右，距離地表的深度為85.0 m左右，結(jié)合該場地地層巖性，分析認為即使老采空區(qū)“活化”并發(fā)生垮落，對地表建筑物的影響也非常小。

4.4 建筑荷載對采空區(qū)“活化”的影響

該蓄水池設(shè)計蓄水量約2萬m3，圓形，直徑80.0 m，設(shè)計基礎(chǔ)底高程806 m，開挖深度3.5～7.7 m。按擬建水池采用筏板基礎(chǔ)考慮，附加應(yīng)力的影響深度Ha，取地基附加應(yīng)力σc=0.1σz的深度（σc為自重應(yīng)力，σz為附加應(yīng)力），自基底起Ha=20.0 m，結(jié)合垮落高度計算結(jié)果可知，垮落帶頂端至建筑物荷載附加應(yīng)力帶距離，為Hlf=85.0-20.0=65.0 m，大于兩倍平均老頂厚度（2×20 m），根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》表12.3.2-3，按荷載影響深度考慮，該老采空區(qū)“活化”的可能性很小。

5 結(jié)論

據(jù)地勘報告，鉆孔主要揭露了兩層可采煤層，第一層可采煤層（9號煤號）高程755.21～759.55 m，厚0.5～1.6 m，埋深52.0～59.1 m，未開采，第二層可采煤層（15號煤）高程在711.01～713.81 m，厚約2.8 m，埋深100.5～103.3 m，該煤層已開采，形成采空區(qū)。通過對本工程所涉及的老采空區(qū)定量及定性的分析，認為該采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于15號煤采深、采厚比較大，煤層埋深較深，擬建工程使老采空區(qū)產(chǎn)生“活化”的可能性小，采空區(qū)對工程影響程度小，擬建工程對采空區(qū)穩(wěn)定影響程度也小。但必須確保對蓄水池周邊9號煤、15號煤不進行復(fù)采，并對現(xiàn)有小煤窯進行封閉處理，以防止煤柱的風(fēng)化、自燃等造成采空區(qū)“活化”，影響水池安全穩(wěn)定運行。