新建公路下伏某煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

魏 建 柄

(陜西鐵道工程勘察有限公司,陜西 西安 710043)

1 概述

隨著我國高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，難免會(huì)出現(xiàn)新建高速公路布設(shè)在采空區(qū)地表的情況，而下伏采空區(qū)的非均勻沉陷極可能導(dǎo)致高速公路產(chǎn)生變形裂縫、地表隆起、傾斜、扭曲塌陷等危害，嚴(yán)重影響公路工程的安全性，因此對(duì)新建高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并根據(jù)分析結(jié)果采取進(jìn)一步的處理措施是尤為必要。

2 地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)位于呂梁晉西黃土高原，區(qū)內(nèi)山體眾多、地形起伏，呂梁地區(qū)是一個(gè)被黃土覆蓋著的山地高原，屬于黃土高原的一部分。區(qū)域內(nèi)地貌主要以黃土梁峁和低中山為主，局部有小范圍的山間谷地和河谷區(qū)。地勢(shì)上總體呈西北低、東南高。項(xiàng)目區(qū)上覆厚約10 m～80 m的黃土；下伏二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組地層，為主要含煤地層。

3 采空區(qū)概況

3.1 概況

線路沿線共分布多座煤礦，目前基本處于停產(chǎn)—半停產(chǎn)狀態(tài)。沿線部分區(qū)域地表可見大量的地裂縫、塌陷坑，地裂縫走向無規(guī)律。根據(jù)收集的資料和現(xiàn)場(chǎng)訪問結(jié)果推斷：在裂縫區(qū)域開采煤層為4號(hào)、6號(hào)和10號(hào)煤層，裂縫發(fā)展較快，附近村莊房屋開裂嚴(yán)重，當(dāng)?shù)卣呀M織完成搬遷。

現(xiàn)場(chǎng)收集到的資料主要為煤層采掘工程平面圖，不能完全反映煤礦采空區(qū)的現(xiàn)狀；現(xiàn)場(chǎng)走訪，說法不一，可信度較低。根據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)孛旱V在完成重組后，均采用長壁式開采方式，并對(duì)原有的小煤窯區(qū)域進(jìn)行了回采，回采率達(dá)到80%，機(jī)械開采完成后，并沒有留保安煤柱，而是任其坍塌，故目前下井測(cè)量及調(diào)查無法進(jìn)行。

因此，現(xiàn)場(chǎng)決定在野外調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)訪問的基礎(chǔ)上，結(jié)合物探測(cè)試和工程鉆探的方式探明采空區(qū)分布。物探測(cè)試主要置于地面變形嚴(yán)重的區(qū)域，對(duì)物探異常點(diǎn)處采用鉆探進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.2 采空區(qū)勘察

1)地質(zhì)調(diào)查。

野外地質(zhì)調(diào)查顯示，本區(qū)地貌單元為黃土梁峁區(qū)，地表地形溝壑縱橫，地表覆蓋10 m～80 m黃土，區(qū)內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組地層，地層走向大致為北東～南西向，傾向西傾，地層傾角一般為5°～20°。4號(hào)煤層位于山西組下部，本區(qū)主采煤層之一，煤層厚度0 m～2.5 m，平均1.3 m，煤層層位相對(duì)穩(wěn)定，厚度變化稍大，局部出現(xiàn)不可采區(qū)，厚度小，4號(hào)煤層屬全礦區(qū)可采的相對(duì)穩(wěn)定煤層。煤層頂板巖性以砂巖、頁巖和泥巖為主，底板以砂巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖為主，屬于軟弱～中等堅(jiān)硬巖石。

2)物探勘察。

在收集資料、調(diào)查訪問的基礎(chǔ)上，布置了物探測(cè)試，結(jié)合工點(diǎn)設(shè)置，物探主要置于地面變形嚴(yán)重的區(qū)域，對(duì)物探異常點(diǎn)處采用鉆探進(jìn)行了驗(yàn)證。地球物理勘察主要采用高密度法和大地音頻電磁法(EH4)。根據(jù)物探測(cè)試結(jié)果，推斷在里程K18+200～K18+467和K18+992～K19+060段存在4號(hào)煤層采空區(qū)，在里程K18+467～K18+992段推斷為4號(hào)煤層采空塌陷區(qū)。具體可見圖1。

3)鉆探及測(cè)試。

根據(jù)物探測(cè)試結(jié)果：K19+000～K19+060段在4號(hào)煤層埋深附近，電阻率等值線雜亂，電阻率值相對(duì)較高，推斷該段為4號(hào)煤層采空區(qū)，鉆孔CKZ-1(ZK18+260)和Z-1(ZK19+040)發(fā)現(xiàn)4號(hào)煤采空區(qū)，說明物探、調(diào)查、鉆孔資料三者基本吻合。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

依據(jù)收集的煤礦開采平面圖及剖面圖，線路在ZK18+200～ZK19+160段以路基通過4號(hào)煤采空區(qū)，埋深100 m～130 m，地面標(biāo)高1 120 m～1 170 m，路基標(biāo)高1 140 m～1 160 m，開采時(shí)間1995年—2008年，開采方式為綜采。結(jié)合收集到的資料和采空區(qū)地質(zhì)調(diào)查，依照J(rèn)TG/D 31—03—2011采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則關(guān)于采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)ZK18+200～ZK19+060段采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)如下。

4.1 根據(jù)開采條件判別采空區(qū)穩(wěn)定性

根據(jù)開采條件評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮采深采厚比、回采率、停采時(shí)間及上覆巖層性質(zhì)等進(jìn)行綜合判定；采空區(qū)上覆黃土及砂巖夾泥巖，屬于軟弱～中硬覆巖，停采時(shí)間8年左右，回采率50%以上，采深采厚比為55～108,地表有變形，屬于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定。

4.2 采用地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)法

考慮到本采空區(qū)為老采區(qū)，變形基本穩(wěn)定，但修建公路后產(chǎn)生的附加應(yīng)力容易產(chǎn)生附加沉降，故根據(jù)勘察成果中地面變形特點(diǎn)、開采時(shí)間、采空區(qū)規(guī)模、采空區(qū)冒落情況以及工程設(shè)置來綜合考慮采空區(qū)的剩余變形率，剩余變形率取0.1。本段最大下沉量為1 418 mm，剩余最大下沉量為142 mm，傾斜值2.8 mm/m，水平變形值1.08 mm/m，地表曲率0.086 mm/m2，本段采空區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 煤礦采空區(qū)空洞體體積估算

煤礦采空塌陷區(qū)的空洞體積估算，在公路軸向上以采空塌陷范圍為界，公路橫向上的寬度以公路兩側(cè)邊坡坡角或坡口外延10 m為起點(diǎn)，向兩側(cè)以70°煤層應(yīng)力擴(kuò)散角來考慮地表的變形范圍。通過計(jì)算該煤礦煤層采空區(qū)剩余空洞體積如表1所示。

綜上所述，ZK18+200～ZK19+060段采空區(qū)屬欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定場(chǎng)地。

5 治理方案簡述

參考山西及陜西已建成的公路對(duì)煤礦采空區(qū)設(shè)計(jì)和采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程的具體特點(diǎn)，建議采用地面全充填壓力注漿法相結(jié)合治理煤礦采空區(qū)，地表裂縫和塌陷坑根據(jù)實(shí)際情況采用灰土夯實(shí)或換填。

表1 煤礦采空區(qū)剩余空洞體積一覽表

6 結(jié)論與建議

1)K18+200～K19+060段采空區(qū)影響路基的穩(wěn)定性，在采取必要處理措施后，建議線路以路基的形式通過，路基的柔性結(jié)構(gòu)基本上能適應(yīng)采空變形的應(yīng)變需要。

2)本次采空區(qū)勘察采空區(qū)上方高壓線路較多，造成物探數(shù)據(jù)采集失真；地形起伏大，采空區(qū)埋深大，物探探測(cè)精度受到較大影響。下一步將采用瞬變電磁法，大地電磁(V8)，地震法和微重力法等多種物探方法進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，進(jìn)一步查明采空區(qū)分布情況。

3)該煤礦在整合前，為私人開采，造成部分資料缺失；由于20世紀(jì)80年代為巷道式開采，采出率較低，后經(jīng)長壁式開采，回采率較高，但實(shí)際的回采率及采空分布與煤礦提供的井下圖可能有一定的出入。

4)為了保證礦區(qū)路線的勘察設(shè)計(jì)文件達(dá)到應(yīng)有的效果，路線通過煤礦地段應(yīng)在設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上保留足夠的保安煤柱；建議依據(jù)有關(guān)法律，與煤礦方交涉，對(duì)線位區(qū)下方未開采煤礦進(jìn)行封閉停采，最大限度減小采空區(qū)對(duì)高速公路建設(shè)及運(yùn)營造成的安全隱患。