某新建工程采空区地基稳定性评价研究

（太原理工大学现代科技学院 山西·太原 030024）

随着综合国力的进步，逐渐开始了煤矿工业化开采，伴随着煤矿产量的不断提高，大量资源的开采引起了许多问题，尤为严重的是环境地质问题，特别是采空区塌陷引起的地面变形。地表变形不仅影响煤矿的安全生产，而且破坏地面建筑物和农田的生产，危害人民生命财产安全，给国家带来许多经济损失和社会问题。在采矿过程中，有必要从理论上预测采矿中可能遇到的相关问题，例如采矿区地面变形的沉降量和沉降面积，是否会出现裂缝甚至崩塌，滑坡等。泥石流以及沉陷和裂缝对附近工程的影响程度。某新建工程地基稳定性评价主要工作内容包括煤炭开采对新建变电站、输电线路的影响分析，合理化建议，为业主提供准确、可靠的分析数据，保证建设工程在技术上可行。

1 工程地质条件

新建施工场地地基土为第四系新冲沟成因的粉土、卵石、页岩。

（1）层粉土（Q4al+pl）：棕黄色，稍密，土质比较均匀，土壤中有植物根、砖屑和白色菌丝等。稍湿。压缩系数a1-2=0.33～0.43Mpa-1，为高压缩性土，该层分布勘察场地表层，厚度0.5-2.9M。

（2）层卵石（Q4al+pl）：杂色，密度中等，卵石主要成分为砂岩和石灰岩，磨圆度中等，充填细砂和粉砂，平均粒径70～200mm，粘土含量约20%，含粉砂透镜体。该层厚度大于5M。

（3）层页岩（C）：强风化，厚度约为1.5～2.5m，承载力标准值fak＝180kPa，工程性能良好。可作为110kV变电站主要建（构）筑物的地基持力层。

项目场地下有压矿，建于80年代，2010年整合，年产60万吨。主采碳系统15#煤层，平均厚度6.2m，煤层的开采深度约为50-60m，开采厚度比小于10。采矿方法为综采，顶板管理为自然垮落。

2 沉陷影响分析理论

2.1 地表最大沉陷量和沉陷面积

煤层矿体的开采造成原始岩层的损失，破坏了煤矿岩层的原始应力平衡，迫使上部岩体进行机械重组以达到新的稳定平衡。上覆岩体的机械复合过程影响地表，严重破坏地表变形。

在开采的早期阶段，采空区边界上方的表面出现了裂缝。随着工作面的发展，采空区上方的地面由于水平拉应力而倾斜，平移和水平位移。农田，交通道路等由于水平拉应力的集中而开裂和下沉，逐渐形成宽裂缝和不同规模的长裂缝。地表运动变形是对采空区上覆岩体变形的直接响应，导致沉降盆地的面积大于采空区。

如1所示，在稳定采空区塌陷区的地表运动之后，可以根据岩石运动和应力分布的特征将其划分为整个采煤区，可分为Ⅰ充分开采区。该区域上覆地层的变形呈条状分布，从下到上，有崩落带，破碎带和向下弯曲带，使用了最常见的长壁工作面，和岩石块跨越下降带充填在采空区中，对地表沉陷影响最大，弯曲带整体下沉，岩体不大。Ⅱ弯曲变形带，岩层主要受垂直压缩变形，采矿空间边界满足表层底部边缘的倾角，岩层覆盖层的运动角度穿透，土层覆盖层的运动角度较小，对应于盆地边缘的地表运动。

图1：上覆岩体变形与地表沉陷示意图

当采空区的中心点沿采矿方向前进时，最大的地面沉降逐渐增加，并且表面从最初的小裂缝变为增加的裂缝长度和宽度，导致沉降和破坏。当采空区的面积足够大（前进距离足够大）时，最大沉降的发展在垂直方向上急剧下降，但在水平方向上继续扩展。盆地中每个点的移动和变形并不完全相同，但最终会在表面上形成一个以采空区中心为原点的椭圆形区域。椭圆的长轴朝向较大的开采方向，而短轴朝向较小的开采方向。

图2：地表下沉盆地和边缘区示意图

2.2 地表动态沉陷变形具有滞后性和阶段性

在下沉影响范围内，采矿过程中地表沉陷和变形的整个过程可以分为三个阶段：初始沉陷阶段—活动沉陷阶段—衰减沉陷阶段。即使采煤工作面没有断层，老采空区被活化，当采深比小于30时，沉降速度的变化往往在时间和空间上是不连续和不平缓的，活动沉降阶段发生较早，活动沉降速率大。

下沉盆地的雏形是在下沉发育阶段形成的。当工作面开始从切割处前进到一定距离时，上覆岩层的弯曲沉降会扩展到地面，并且地面开始下沉。该阶段是弯曲阶段，最大下沉率小。此时，工作面的前进距离约为采矿深度的0.4倍。随着工作面前进距离的不断增加，地表沉陷盆地由小到大逐渐增大，不仅平面范围逐渐扩大，而且沉陷量也逐渐增大。当估计工作面一定距离时，动态最大沉降值不再显著增加。

图3：动态沉降发展阶段的沉降变形曲线

图4：动态沉降充分阶段的沉陷变形曲线

进入衰减阶段。采矿结束时，前进距离保持不变，下沉曲线略微向前移动，最大下沉速度迅速衰减，地面沉降进入衰减阶段。停止开采后，地面沉降将在几年甚至几十年内完全消失。

2.3 地面裂缝

到目前为止，采矿塌陷区尚未发生滑坡，塌陷或泥石流。从理论上讲，井区的松散盖层薄，基岩剥蚀平缓，起伏不大，深厚比大。通常，不会有自然滑坡，塌陷，泥石流和其他不利的地质现象。

2.4 水文因素对地表下沉的影响

覆盖层变形在采煤塌陷过程中起决定性作用。水文因素也影响地面沉降，另外也会影响地下水位的变化。因此，地下开采间接引起的地表沉陷，同样也会发生在采煤沉陷移动边界以外的一定范围内。

3 围护带宽度与保护煤柱留设分析

3.1 保护要求

根据开采建筑物(构筑物)的重要性、用途和造成的后果，矿区内建筑物(构筑物)的保护等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级。

地面保护区包括被保护对象及其周围的围护带。围护带是设计保护煤柱范围时，为安全起见，沿被保护物周围增加的带状面积。围栏带的宽度取决于要保护的对象的保护级别。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与原煤开采规程》（煤炭工业出版社2004.6）表1、表2，工程受护对象保护等级及其围护带宽度如下所示：

表1：工程保护等级及围护带宽度统计

3.2 保护煤柱计算分析

当采用长壁放顶煤采煤法时，确定被保护变电所内保护煤柱的水平宽度，计算参数覆岩层移动角、覆土层移动角（）选取《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与原煤开采规程》“附表5-1典型工作面观测站地表移动实测参数”，阳泉矿区208个工作面相对完整的地表移动参数在全国各大煤矿测得（地层年代为石炭二叠纪），为 45°、（）为 71°。、（）即相似开采条件的参考数据和预测的工作面地表移动。

通过垂直截面法计算得出的变电站保护煤柱的水平宽度S为：

4 结论

（1）地下采煤破坏了周围岩石的原始应力平衡。在此基础上，它沉入岩石和地表，引起诸如裂缝的地质问题，从而对矿区的生态以及经济产生了恶劣影响。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与原煤开采规程》(煤炭工业出版社2004.6)规定进行分析，变电站保护煤柱水平宽度应不小于45.5m，而目前工作面已推进至变电站围护带下部，且距离变电站围墙仅7m，显然7m远小于要求的45.5m。该场地不再适合作为变电站施工场地。

（2）开采引起的覆盖层和地表变形主要取决于煤顶的岩性，开采厚度，开采深度和开采技术。现场调查发现，沉降变形在鲁东站一侧的乡村道路和邻近道路的山脊上产生了裂缝。道路西侧的裂缝宽度比较大，最大裂缝宽度大于300mm，相邻道路的地下供水管道破裂。根据地表变形程度，认为地表裂缝反映的是地表附近的采煤面可能在柱子中塌陷，弯曲变形后顶板塌陷并破坏，地表沉陷进入了地表活动期。由于工作面的屋顶塌陷和后退，因此不适合进行填充操作。用煤石填充采矿空间并维护原始场地是不可行的。

（3）如果站址外确实是只有巷道，而未回采致顶板跨落，地面无裂缝。可在巷道内做浆砌毛石，回填巷道可视为围护带考虑。