5.12震后石梯村煤矿采空区稳定性分析及应急处理方法

2016-10-26张国起

科学中国人 2016年26期

关键词：彭州市采空区活化

张国起

河北省地矿局国土资源勘查中心

5.12震后石梯村煤矿采空区稳定性分析及应急处理方法

张国起

河北省地矿局国土资源勘查中心

本文应用《矿山开采沉陷学》的基本理论对5.12震后四川省彭州市新兴镇石梯村采空区及石梯村新建安置点残余变形进行了预测计算，分析了采空区“活化”的可能性，提出了性价比较高的地基应急处理方案，通过后期5年的变形监测，证明效果良好，很好的完成了测绘应急保障任务。

煤矿采空区；残余沉降量；测绘应急保障；变形监测

5.12地震以后，四川省开展了大规模地质灾害治理工作。本论文结合四川省煤矿开采的经验和资料，通过现场调查，在详细的测绘应急保障预案的基础上，对彭州市新兴镇石梯村地表移动残余变形进行了预测计算，为震后采空区安置点选址提供了理论依据，并采用科学的地基处理方法，确保新建安置点地基稳定，随后通过变形监测对新建安置点稳定性进行验证。

1　石梯村煤矿采空区概况

四川省彭州市新兴镇石梯村，距离彭州市城北332°方向，直线距离约16.5km。石梯村煤矿创建于1964年，为小规模开采。2007年根据有关政策该煤矿关停。开采煤层为翻转红煤层。采矿方法为长壁后退式采煤法，即采煤工作面由采区边界向绞车道方向推进。

根据现场调查和四川省地质矿产勘查开发局四0二地质队提交的《四川省彭州市新兴镇石梯村煤矿矿产资源储量核实报告》（2007年9月），矿区范围内基本形成采空区，面积0.318km2，采空区高1.90m，采空区有翻转红煤层地表出露斜向南倾角约45°，采空区埋深在285m左右。

煤层顶板岩性为泥岩、砂质泥岩为主，厚2.0m左右，质软，抗压强度小，易于冒落，稳定程度为不稳定～中等稳定；底板有0.1m左右的砂质泥岩为主，老底板为3m厚的砂岩。煤层直接顶板为泥质岩类，岩性较软，稳定性差，易于造成底板鼓胀。

老采空区在+636m标高以上，贯穿翻转红煤层地表出露位置，据调查老采空区曾经出现多处地面塌陷，采空区顶板出现过多处垮塌，采空区内存在积水现象。5.12地震前均出现过地面裂缝和建筑物裂缝。

为了推动彭州市石梯村重点区域灾后重建步伐，需要拓展应急测绘保障领域，加强灾情评估能力。因此，需要对石梯村采空区进行稳定性分析。

2　石梯村采空区稳定性分析及采空区处理

2.1石梯村采空区地表移动变形延续时间分析

石梯村采空区为老窑和小窑采空区，覆岩结构为“三带”结构（即冒落带、导水裂隙带、弯曲沉降带）。采煤技术较为落后，留下隐患较为严重。采煤方式为长臂后退式，其沉陷活化机制为：破碎岩体缓慢蠕变，自然压密；破碎岩体在水和空气作用下，风化和强度衰减；残留煤柱衰减；外力作用，如地震、地面附加荷载等。

按地表移动盆地最大下沉点的移动速度，地表移动分为3个阶段：开始期、活跃期、衰退期。三者总称为地表移动延续时间。

石梯村老采空区的移动主要应考虑衰退期的地表点移动。这一移动主要是破碎岩体和上覆岩层结构在覆岩重力及上部荷载作用下的逐渐变形、自然压密的结果，这一变形受覆岩地质环境条件的影响。如覆岩结构在水等条件下弱化，使结构失稳、强度降低，引起地表移动变形，这一时间过程较长。

由于石梯村6社塌陷区以前没有地面沉降实测资料，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，地表移动从矿区停采开始延续时间计算公式为：

tm=2.5hav

式中：hav——工作面平均采深（m）。

考虑石梯村6社新安置点震后应急勘查的特殊性，在无实测资料证实时，采空区停采边界上方地面沉降延续时间可按下式计算：

tm=2.5×hav=2.5×285=713（天）

石梯村采空区停采时间为2007年11月，到2010年3月开始应急勘查已有870天，已经超过了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》计算的地表移动时间。从时间上推测石梯村采空区地表移动变形已经趋于稳定。对采空区上新建安置点影响不大。

2.2石梯村采空区最大沉降量及残余沉降量预测分析

根据采矿沉陷学理论，考虑石梯村采空区工程地质条件，采用如下公式计算采空区地表沉：

式中m煤层厚度，煤层平均厚度为2m，

K1围岩自由碎胀系数，取1.35

α为煤层倾角，平均35°

式中：m煤层厚度，k2冒落带岩石剩余碎胀系数，取值1.25，k3碎胀系数取值1.025

⑶弯曲沉降带高度

h3=∑H-h1-h2=285-6.98-14.55=263.47m

式中：∑H煤层埋深为285米，

⑷地表最大下沉量

矿区开采范围走向长1000m，倾向长350m，预测首次非充分采动情况下地表最大下沉量。

计算公式：

式中Wmax首次采动非充分采动情况下最大下沉量。

η充分采动情况下最大下沉系数取0.2

ht煤层厚度（含煤矸石）取平均值2.0米。

n2煤层倾角，取平均值35°

n2煤层倾斜方向采动程度，n2沿矿层走向方向采动程度。

其中n1=0.3D1÷H0=0.388

n2=0.3D2÷H0=1.11

D1，D2采空区沿倾斜方向及走向的距离。

经过计算，该矿区最大沉降量预计为0.2米。根据2.1所叙内容，石梯村采空区从时间上推算已经进入剩余移动期，根据国内外老采空区剩余变形的经验，石梯村采空区剩余沉降预测参数选择如下：（石梯村工作面停采2～5年）剩余沉降系数η=0.05，则剩余沉降量计算如下：

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，采空区残余沉降量为0.05米，对石梯村新建安置点影响不大。

2.3石梯村采空区“活化”分析

采空区的“活化”是指废弃采空区垮落堆积物及其覆岩体在外界因素影响下，物理力学性质发生变化，导致地表残余变形发生异震后石梯村采空区具有如下特点：

常变化。

隐蔽性：老采空区一般深埋于地下，人员难以进入，其特征一般难以弄清，采空区“活化”过程难以直接观察。

复杂性：其“活化”过程受多种自然和人为因素的影响，其“活化”机理、过程及对地表的影响规律相当复杂。石梯村安置点建筑荷载及5.12地震可能是重要的“活化”因素。

突发性：经过调查，该采空区是存在较大残留矿洞的老采空区，其失稳破坏常常是突发性的，其塌陷时间难以准确预计。

长期性：老采空区的“活化”是一个长期的过程，可能采后几年或十年甚至上百年后发生，也可能是长期的缓慢变形过程，在发生过明显活化的老采空区仍有再次活化的可能。如，苏格兰某报废矿于118年后的突然塌陷等。

通过以上分析，采空区有“活化”的可能，使得地面残余沉降加速，石梯村采空区上新建安置点，关系到建筑物的安全性，应当慎重对待。

2.4石梯村采空区应急处理方法

在现状条件下，尽管2.1中从时间上推算采空区地表移动变形已趋于稳定，地表变形活跃期早已结束；2.2中推算的残余沉降量已经非常小，从理论上可以推测出采空区对新建安置点影响不大。为了防止石梯村采空区存在地震作用下和荷载作用下复活的可能性，采用注浆加固技术对新建安置点区域上覆岩层结构进行结构补强，增强覆岩结构的长期稳定性。其具体做法是从地面打钻孔，然后压密灌浆，使浆液渗入岩层裂隙，并胶结而使破碎岩体形成一强度高、刚度大，类似于“大板结构”的完整岩体，达到类似于跨越的目的和避免地表塌陷的发生。这种方法具有工程量小、工程费用低、岩体结构稳定、效果好等显著特点。通过后期沉降监测，证明效果良好。