煤矿采空区勘察方法及稳定性评价方法的探讨

张会锋

摘 要：以忻州市三大板块旅游公路偏关县境内第一期工程项目（长城1号公路老牛湾至老營段）为例，通过多种勘察方法验证采空区的各项特征，根据相关规范并参照同类项目的实例简要分析煤矿采空区的稳定性问题。

关键词：煤矿采空区;勘察;评价

中图分类号：C91 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0171-02

0 引言

忻州市三大板块旅游公路，在保持山西省原五大旅游区格局不变的情况下，通过其所在区域、资源特色和产业地位，实现全域旅游的创新整合，是忻州市促进域经济发展、产业结构调整，农民增收致富、农村面貌改善，打赢脱贫攻坚战的重要任务。偏关县境内第一期工程项目作为其重要组成部分，其建成会在一定程度加快偏关县经济发展，推动脱贫攻坚的工作的进展。但在项目区内局部段落存在煤矿采空区，给公路建设带来极大隐患，如何准确勘察采空区的分布特征及评价，为设计单位提供可靠的工程地质资料就显得极为迫切。

1 简述

拟建公路K22+000-K29+000段位于草垛山-马家焉向斜核部，向斜轴向NNE，南起偏关县城北东泥焉、大庄窝一带，向北东经马家焉、草垛山至黄家梁村以北，全长约23km，为轴面近直立的平缓、对称、短轴向斜。其两翼地层为奥陶系下统三山子组白云岩及中统马家沟组灰岩，产状较缓。该向斜核部储存有厚薄不一的煤层和窝子透镜状硫铁矿，据现场调查，在麦虎村及草垛山村等地有矿口残留，其开采规模小，开采随意性很大，开采系统不正规，无完整的地质及采煤资料。

2 勘察目的与方法

2.1 勘察目的

在利用可行性研究阶段资料的基础上，进一步收集地质、采矿资料，并借助工程地质调绘、物探、钻探等手段查明采空区水文地质及工程地质条件、采空区分布及其要素特征，为采空区稳定性评价、确定采空区处置提供依据。

2.2 勘察方法

本次采空区勘察采用收集资料、工程地质调绘、物探、钻探等手段对采空区进行综合勘察。

2.2.1 收集资料

对路线左右两侧存在的煤矿进行走访，收集矿区地质报告、矿产采掘工程平面图、井上井下对照图、采区平面布置图等以及相关文字资料。

2.2.2 工程地质调绘

在收集并充分研究项目区1：5万区域地质图的基础上，运用传统的地质调查方法，结合采空区的分布、规模等特点，对区内的工程地质条件及其相关内容如地面塌陷、裂缝等进行调查和描述，采用1：2000路线地形图作为填图底图，沿路线中线左右各拓展200～300m的范围，对路线走廊带进行了工程地质调绘，重点对建设场地、不良地质及特殊岩土分布路段进行了调绘工作。

工程地质调绘方法以追索法、穿越法为主，并结合定点观察进行，路线穿越观察以设计路线为主，并结合横向穿越，必要时沿地层、构造和地貌界线追踪，以确保查明路线通过区的各种地质界线、地貌界线及不良地质现象;定点观察主要是为了解地层岩性、地质构造、岩体完整程度、地貌特征、物理地质现象的特征等。

在工程地质调绘的同时进行采空区专项调查，针对该采空区无完整资料的特点，通过走访当事人和知情人，对区内煤层的开采情况、矿井坑口的位置、采空区基本要素进行调查，调查内容包括矿山的性质、开采矿种、开采规模、开采层位、开采年限、开采方式、顶板管理方式、回采率、埋深、采厚﹑矿层顶、底板岩性、地表变形特征及地下水赋存情况等。并对采空区地表移动变形特征的现状如裂缝宽度、深度、长度与延伸方向及塌陷规模进行调绘和描述。

2.2.3 地球物理勘探

通过对调查成果分析后，进行物探工作的布设，本段采空区地形起伏较大，煤层埋深介于80～100m之间，物探方法采用瞬变电磁法。在拟建路线沿路线方向两侧各30m布设两条纵向测线，根据调查到的采空区情况确定物探点、线的距离，点距一般为10～20m，线距10～20m，在异常区布设横向测线进行加密探测。

2.2.4 钻探

根据调查及物探解译成果，对物探工作划定的采空区异常区进行钻探验证，钻探深度达到采空区底板以下稳定地层内不小于5m。钻探工作采用回转式钻探，全孔取芯，坚硬完整岩层岩芯采取率大于85%，强风化破碎岩体和采空区冒落段岩芯采取率均大于50%。对采空区冒落带及掉钻、卡钻和漏水等现象进行详细记录和描述。

3 采空区分布特征

根据现场调查及物探、钻探成果，K23+400-K23+760和K26+360-K27+330段位于采空区范围。开采煤层1层，一般厚度0.5-2.0m，平均厚1.0m，顶板为砂岩，底板为泥岩，岩层产状249°∠15°。

麦虎村煤矿位于万家寨镇麦虎村，位于K23+400-K23 +760段，长度约360m，该煤矿于1950年开采，1995年停采，主巷道宽约2-3m，高约1.5-2.0m，煤层埋深90-100m，主巷道走向南南西，延伸长度约1800m，年产量约9000t/年，房柱式开采，回采率约30%。

草垛山村煤矿位于万家寨镇草垛山村，位于K26+360-K27+330段，长度970m，该煤矿于1971年开采，1995年停采。主巷道宽约2-3m，高约1.5-2.0m，煤层埋深80-100m，主巷道走向北北东，延伸长度约1000m，年产量约7000t/年，房柱式开采，回采率约30%。

4 采空区稳定性分析评价

4.1 采深采厚比计算评价

本采空区类型为房柱式，根据《采空区公路设计与施工技术细则》第4.2条采空区稳定性评价标准，对于不规则柱式采空区，应根据其采深采厚比按规范中表4.2.1-4的相关规定评价场地稳定性，具体标准如表1。

计算评价结果如表2。

4.2 地表移动的延续时间计算评价

煤矿开采影响到地表而产生移动和变形的时间，主要与开采深度、松散层厚度、煤层上覆岩层的岩性、开采速度等因素有关。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的规定，地表移动的延续时间（T）可根据下式进行估算：

T=2.5H0（d）

式中：H0-平均采深，此处取100m。

经过计算得出T=0.685a。

计算结果表明，地表移动延续时间不超过1年，而项目区有影响的所采煤层终采时间距今约23年，所以项目区遭受老采空影响的地表移动期已基本结束。另据我国采空区对地表影响经验，当采空区停采10年以上，在地基稳定性论证的基础上，采空区上方及采区影响范围内进行工程建设基本可行。

4.3 采空区冒落带、裂缝带计算评价

煤层采空后，采空区覆岩在垂直方向上的破坏可分为冒落带、裂缝带及弯曲带，简称“三带”。冒落带是指由采煤引起上覆岩层破裂并向采空区垮落的范围;裂隙带是指冒落带上方的岩层产生断裂或裂缝，但仍保持其原有层状的岩层范围;弯曲带是指断裂带上方直至地表产生弯曲的岩层范围。

根据本次勘察成果，该煤矿采空区上覆岩层主要为砂岩、砂质页岩，属中硬岩，依据《采空区公路设计与施工技术细则》附录C提供的冒落带、裂缝带高度计算公式：

Hm=

Hli=

式中：Hm-冒落带高度（m）;

Hli-裂缝带高度（m）;

∑M-累计采厚（m）（取1.0m）。

經过计算得出Hm=6.42m;Hli=24.83m。

对于老采空区影响范围内的工程建设问题，在无新的开采扰动的情况下，可以采用以构造物荷载影响深度、采空区“冒落裂缝带”发育高度是否相互重叠，作为评价老采空区的“活化”、地基稳定性及其对构筑物影响的主要依据。也就是说“冒落裂缝带”高度和地面构筑物荷载影响深度之和小于煤层开采深度为稳定，“冒落裂缝带”高度和地面构筑物荷载影响深度之和大于煤层开采深度为不稳定。

拟建公路以一般路基形式穿越采空区，其工程荷载影响深度一般不大于10m，“冒落裂缝带”高度与地面构筑物荷载影响深度之和为41.25m，小于煤层最小开采深度80m。因此拟建公路在该采空区场地地表的加载不会导致采空区上覆岩层和地表移动“活化”而失稳，地基处于稳定状态。

5 结论

该采空区场地处于基本稳定状态，地基处于稳定状态，采空区对公路建设的影响不大，不必对采空区进行处理。可考虑加铺土工布、土工格栅等材料，提高路基的整体稳定性，路面设计可采用柔性材料，以满足采空区剩余变形要求，并加强路基沉降观测工作。

6 结语

山西省为煤炭资源大省，采空区分布很广，公路建设受采空区影响越来越突出，且山西省采煤历史悠久，采空区类型、规模及开采形式各有不同，采空区勘察应采用工程地质调绘、现场调查、地球物理勘探及钻探等手段详细查清采空区的分布特征及上覆岩体的工程性质，稳定性评价应根据采空区的分布特征选用不同的评价方法，为设计单位进行后续路线设计工作奠定基础。

参考文献

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