基于阳泉-盂县高速公路工程煤矿采空区工程地质稳定性分析研究

马亚坤

(河北锐驰交通工程咨询有限公司 石家庄市 050021)

1 工程概况

阳泉-盂县高速公路位于山西省中东部阳泉市境内，途径平定县、盂县等。项目起于平定县维社乡南，终于前元吉村南设盂县互通，如图1所示。

图1 阳泉-盂县地理交通位置示意图

通过现场地质勘探初步确定本项目采空区长度约6.055km，其中铝土矿采空区长度3.095km，硫铁矿采空区长度0.09km，煤矿采空区长度2.870km。

2 现场钻探取芯

本项目通过地质勘探确定采空区范围，并现场在采空区范围内取芯。通过现场取芯确定采空区范围内相关物理力学参数；通过点载荷试验确定采空区内层状分布特点。

3 煤矿采空区地表移动时间效应分析

3.1 煤矿采空区地表移动延续时间计算

对于煤矿区内，对煤层进行开采后，导致煤矿覆盖岩层在自重的影响下，产生弯曲、变形、裂缝，同时向四周移动，随着对煤层不断的开采，在达到一定范围后，煤矿覆盖岩层产生较大位移，最终导致地表发生裂缝、变形等变化。当煤层地质情况存在倾斜或者缓倾斜状况，通过现场地质勘察，煤层区地表在6个月内，沉降量小于3cm，则可以确定该煤矿覆盖岩层的位移已停止[1-2]。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，对于矿区内无地质勘探、采空区内探测解析及相关试验分析等相关地质资料，可依据公式(1)对地表移动延续时间进行初步计算：

T=2.5H0

(1)

式中：T为地表移动延续时间(d)；

H0为工作面平均采深(m)。

对于本项目煤矿采空区段初步计算地表移动延续时间：

(1)H0为40m时，T=2.5×40=100d。

(2)H0为50m时，T=2.5×50=125d。

(3)H0为60m时，T=2.5×60=150d。

3.2 地表移动延续时间与实际回采时间对比分析

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(国家煤炭工业局制定，2000年5月)初步计算该项目地表移动延续时间均在1年内，而本项目煤矿区于2003年停止采矿，该煤矿区距该项目实施7年有余，大大地超出地表移动延续时间，由此可判定该项目煤矿采空区地表移动已停止。

但是依据波兰采空区文献资料[3-4]，煤矿采空区需要在10年之后，地表移动才停止。该项目为保证施工安全性，需要进一步分析煤矿采空区地表稳定性。

4 煤矿采空区覆岩“三带”范围计算分析

4.1 煤矿采空区覆岩“三带”及其划分

对于煤矿区内，对煤层进行开采后，导致煤矿覆盖岩层在自重的影响下，产生弯曲、变形、裂缝，同时向四周移动，随着对煤层不断的开采，在达到一定范围后，煤矿覆盖岩层产生较大位移，最终导致地表发生裂缝、变形等变化，对于煤矿覆盖岩层由下到上依次为：垮落带、裂缝带和弯曲下沉带[5-7]，如图2所示。

图2 采空区覆岩破坏“三带”示意图

(1)垮落带

该地带紧邻采空区上区，属于采空区顶板岩层，受自重及上覆岩层重力的压力远超自身抗拉强度时，导致采空区上区的覆岩层重发生裂缝、分裂破碎，最终形成垮落带。

垮落带的表面发生分裂破碎向上延伸，在采矿过程中，当采出的煤矿体积与覆岩层因碎胀而产生的体积一致时，采空区上区就会形成相对平衡的岩体，岩层碎落过程终止。

(2)裂隙带

该地带紧邻垮落带，在受自重及应力的作用大于自身抗拉强度时，同样产生裂缝。分层及分裂，在此空间仍然存在岩层分层关系。

该地带所承受的自重及应力，导致岩层发生裂缝，使岩层丧失了本身的完整性。

(3)弯曲带

该地带紧邻裂隙带，在受自重及应力作用下，仅仅使岩体产生微弱的变形，岩层整体未发生分裂，但岩层出现较缓的弯曲变形。

该地带的岩层整体性较好，不存在破裂现象，但是在自重及应力作用下，仍然存在导致岩层构造断裂的危险因素，进而导致对本项目的施工安全存在危险。

4.2 煤矿采空区覆岩“三带”范围计算

对煤矿进行回采后，煤矿采空区的上空形成覆岩“三带”，依次为：垮落带、裂隙带和弯曲带。

其中垮落带和裂隙带由于受自重及上覆岩层重力的压力大于自身所能承受的抗拉强度，两地带均属于危险区，其自身所能承受的强度严重降低。但是两地带岩层的移动分裂过程是连续的且有规律，同时在能保证该岩层的完整性及分层结构的情况下，很难产生离层分裂，因此在垂直界面内，各个岩层的位移移动值就相对较小[8-9]。

本项目按照地质勘探结果，将采空区覆岩层定为中硬岩，则垮落带的最大垂直高度：

(2)

式中，∑M为累计采厚，m。

阳泉至盂县高速公路煤矿采空区上覆岩层“三带”计算：

(1)垮落带最大高度

(2)裂隙带最大垂直高度

(3)

式中，∑M为累计采厚，m。

(3)裂隙带高度

阳泉至盂县高速公路煤矿采空区裂隙带最大厚度为41.6m，根据地勘资料及取芯情况分析，煤矿采空区上覆岩层厚度在5～40m，说明该地带的煤矿采空区上覆岩层全部受到扰动破坏。

由此可见，阳泉至盂县高速公路煤矿采空区的稳定性较差。

5 煤矿采空区顶板及路基稳定性评价

5.1 煤矿采空区稳定性评价

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)的要求，采深/采厚>30的建筑物，当地表已稳定时，可不需要进行稳定性分析评价；深/采厚<30的建筑物，需要结合建筑物的基底压应力、煤矿采空区的埋深范围和采空区的上覆岩层的地质情况等，对采空区进行稳定性分析评价。

本项目依据地质情况报告，煤矿采空区埋深约5～40m，开采厚度约2.5m，其采深/采厚约2～16小于30，由此可判断阳泉至盂县高速公路煤矿采空区场地的地基稳定性差。

5.2 煤矿采空区顶板稳定性分析

(4)

式中，H—矿石顶板埋深(m)；

H0—临界深度(m)；

φ—上覆地层平均内摩擦角取φ=55°；

a—巷道宽度的一半(m)，取a=2m。

当H1.5H0时，顶板稳定。经计算得，H0=28.2m，1.5H0=42.3m。

根据地勘资料及取芯情况分析，煤矿采空区上覆岩层厚度在5～40m，由此可见，该煤矿采空区顶板的稳定性较差。

5.3 高速公路地基稳定性分析

依据《工程地质手册》采空区场地稳定性评价中：“当建筑物已建在影响范围以内时，可按下式验算地基的稳定性”：

(5)

式中，H0—临界深度(m)；

B—巷道宽度(m)，取B=4m；

φ—上覆地层平均内摩擦角，取φ=55°；

γ—上覆地层平均容重，取γ=2.5t/m3；

P0—建筑物基底单位压力，取P0=15t/m3。

当H1.5H0时，地基稳定。

经计算得H0=33.2m，1.5H0=49.9m。

根据地勘资料及取芯情况分析，煤矿采空区上覆岩层厚度在5～40m，由此可见，该煤矿采空区的地基的稳定性较差。

结合工程施工经验，由于建筑物的自重一定，对地基的扰动也是有限的。煤矿采空区的覆岩层本身存在一定的分裂状态，在没有建筑物的荷载下，其采空区存在较好的稳定性，但是当增加建筑物，对煤矿采空区的覆岩层增加额外的荷载，有很大的可能对其采空区破坏其应力平衡，进而产生坍塌事故。

通过实地考察、地质勘探、采空区内探测解析及相关试验分析，并结合煤矿采空区地表移动延续时间、煤矿采空区覆岩“三带”范围计算分析、煤矿采空区顶板及路基稳定性评价，阳泉至盂县高速公路煤矿采空区上覆岩层存在不稳定性状态，需要对其进行补强加固，以保障阳盂高速公路的安全施工和通车后的安全运营。

6 结论

通过实地考察、地质勘探、采空区内探测解析及相关试验分析，并结合煤矿采空区地表移动延续时间、煤矿采空区覆岩“三带”范围计算分析、煤矿采空区顶板及路基稳定性评价，得出：

(1)依据现行规范，对煤矿采空区地表移动延续时间进行了分析评价，同时对该采空区的覆岩“三带”进行了分析与计算，由此得出，阳泉至盂县高速公路煤矿采空区上覆岩层稳定性较差。

(2)依据地基荷载传递原理，对本项目的煤矿采空区顶板及路基稳定性分析评价，由此得出，阳泉至盂县高速公路煤矿采空区上覆岩层稳定性较差。

综上所述，阳盂高速公路煤矿采空区覆岩在受到建筑物荷载的扰动下，需要对其进行补强加固措施，以保障阳盂高速公路的安全施工和通车后的安全运营。