鄭州至寶旗煤礦1#礦斜交煤礦采空區(qū)地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評價

鄭州至寶旗煤礦1#礦斜交煤礦采空區(qū)地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評價

鄭州至石渠公路與寶旗煤礦1#礦斜交。由于交叉口和附近其他礦山的限制，該公路無法繞過。由于煤礦采空區(qū)可能會導(dǎo)致高速公路路基塌陷,影響高速公路的穩(wěn)定,需要對煤礦采空區(qū)進行定性、定量評價。一、土地形態(tài)煤礦區(qū)屬于平原區(qū),地勢平坦開闊,為近代河流帶狀沖洪積平原。二、圖像的條件該區(qū)屬于溫帶大陸性質(zhì)半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū),四季分明。多年平均降雨量701.9mm。三、地層巖性地表為第四系粘土、粉土、砂卵石層,厚度約為70m,以下為二疊系——石炭系的砂頁巖、砂巖、頁巖夾煤層。四、區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)造有汝州至寶豐坳斷盆地,新安至平頂山斷裂,九里山逆斷層和九皋山至溫泉斷裂。這些斷裂屬于活動斷裂,但近期活動較弱。五、地震煤礦區(qū)地動峰值加速度為0.05g,相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度。六、條件水條件本區(qū)的地下水主要以松散巖類孔隙水為主,未見地表水。七、鐵路和礦區(qū)之間的關(guān)系高速公路以路基形式從煤礦采空區(qū)上部通過,路基填土高度為4.8m,路基面寬度為26m,路基底面寬為40m。八、煤礦區(qū)域地下采空區(qū)的穩(wěn)定性評價1.定性評價本煤礦區(qū)的砂頁巖夾煤層的承載能力較小,在該巖層的下部出現(xiàn)大面積的空洞時,可能因巖層不能自持而造成地表的沉陷。2.采空區(qū)安全評價問題由于煤礦巷道及采空區(qū)對路基穩(wěn)定性影響相對較大,這里重點針對煤礦廠的巷道及采空區(qū)進行安全開采深度、路基地基穩(wěn)定性評價以及坍塌安全距離的評價。(1)采空區(qū)采空后圍巖應(yīng)力的變化礦層未開采前巖體內(nèi)部的應(yīng)力是平衡的,一般情況下,只存在垂直壓應(yīng)力和水平壓應(yīng)力,計算式如式(1)及式(2)。σz—垂直壓應(yīng)力(kPa);σx、σy—水平壓應(yīng)力(kPa);γ—上覆巖層重度(kN/m3);H—礦層頂板埋深(m);φ—巖層的內(nèi)摩擦角(°)。其中,土層的φ取為25°,巖層的φ取為35°,其他計算參數(shù)參照表1,將這些計算參數(shù)代入上面兩個公式,得:礦層采空后,圍巖應(yīng)力發(fā)生變化,采空區(qū)不同部位的所受應(yīng)力的性質(zhì)和種類均不同。頂板的塌落一般是受拉應(yīng)力作用,巷道側(cè)壁主要受壓應(yīng)力的作用,巷道四角則受剪應(yīng)力的作用。(2)采空區(qū)頂板方面的驗算(1)類比公路路基設(shè)計規(guī)范(JTGD30—2004)中的巖溶地區(qū)路基中的溶洞頂板的安全厚度的敘述,當(dāng)頂板的厚度與路基跨越洞室的長度之比大于0.8時,洞室的頂板巖層可不作處理”。此處煤礦采空區(qū)埋深為100m,土層埋深在70m左右,也即地下采空區(qū)的頂板厚度為30m,采空區(qū)寬度取為10m,因此該采空區(qū)的頂板厚度與寬度之比為3.0,大于0.8,滿足規(guī)范中巖溶的頂板厚度與路基跨越洞室的長度之比大于0.8的可不做處理的要求。(2)小型采空面距離地表較近,礦層采空后如圖3所示,其頂板巖塊ABDC因重力G的作用將會下沉。兩邊的楔形體ABM和CDN也對其施加水平應(yīng)力P。因此,在AB和CD兩個面上將存在因P的作用而產(chǎn)生的摩阻力F。取采空段以下以巷道單元長度為計算單元體,則作用在巷道頂板上的壓力將按式(3)計算。式中,Q—巷道單位長度頂板上所受的壓力(kN/m);G—巷道單位長度頂板上巖層的總重力,設(shè)巷道寬度為2a,則G=γ×H×2a(kN/m);F—巷道單位長度側(cè)壁的摩阻力(kN/m),F=P×tanφ,其中P為楔形體ABM和CDN作用在AB或CD面上的主壓應(yīng)力,當(dāng)取其最大值時,P=[γH2tan2(45°-φ/2)]/2則式(3)為:由式(8-4)知,當(dāng)H達到某一深度時,頂板上方巖層的自供力恰好能保持自然平衡而不塌陷,這時的H即為臨界深度H0,則:取煤礦廠采空區(qū)的寬度的范圍值為3~10m,則:當(dāng)a取1.5m即當(dāng)巷道寬度為3m時,H0=15.6m當(dāng)a取5m即當(dāng)采空區(qū)寬度為10m時,H0=52.1m;(3)如果把巷道及地下采空區(qū)上面的巖層看作是完整頂板,就可以按照完整頂板厚度計算模型來進行計算,截取1m單位長度的路基及以下的地層作為計算單元,計算模型中把作用于巷道頂板的荷載簡化為路基重力、土層重力、巖層重力。見圖4。計算中采用的參數(shù)見表1。由力學(xué)平衡關(guān)系式,Q1+Q2+Q3=τ×L×H,得:安全頂板厚度H=(Q1+Q2+Q3)/(τ×L)(6)式中,Q1、Q2、Q3,分別為路基、粘土層、巖體層作用于煤礦巷道頂部的重力,考慮到保守計算原則,采用寬度為巷道寬度b的柱形模型估算采空區(qū)承受上部地層重力。L為路基下巷道的平面周長,m,L=2(B+b)。將以上式子帶入公式(6),得:H=(γ路×B×h路+γ土×B×h土+γ巖×B×h巖)×根據(jù)鉆孔資料,地表以下70m開始出現(xiàn)較完整的基巖,也即巷道的完整頂板厚度為30m,大于臨界頂板厚度16m。(4)按照松散層洞穴頂板坍塌高度估算巷道安全頂板厚度在松散土層中洞穴未坍塌時,相當(dāng)于天然拱處于平衡的狀態(tài),如發(fā)生坍塌時則形成破裂拱。破壞拱以上的土體重量因拱的作用由拱自身承擔(dān),其上可視為平衡狀態(tài),計算模型示意見圖5。根據(jù)M·M普洛特尼可夫的松散介質(zhì)平衡理論,可得出破壞拱高公式(7):式中,h—破壞拱高度,m;h0—洞穴高度,m;b—洞穴寬度之半,m;φ—松散層的內(nèi)摩擦角,°;α——摩擦角有關(guān)的系數(shù),α=1/tgφ。煤礦廠的巷道正在進行第一層煤層的開采,深度為100m,如果把巷道煤層以上的砂頁巖巖體層也看成是松散介質(zhì)的話,根據(jù)以上公式便可以計算出巷道頂板的安全厚度。為了求出地下采空區(qū)的頂板厚度的極大值,這里把地下采空區(qū)以上的地層全部看成是松散介質(zhì)。計算參數(shù)見表2。將計算參數(shù)代入公式(7),將上面四種安全開采深度計算方法的結(jié)果列入表3,由表3可以看出,四種計算開采安全深度的結(jié)果差別較大,但標(biāo)明煤礦都是穩(wěn)定的?？偟脕碚f,采用完整頂板概念法計算得出的結(jié)果小,與實際情況也是相差最大,該值忽略了結(jié)構(gòu)面的存在,是最不保守的計算方法;普氏松散介質(zhì)平衡拱理論法把巖土層都看為松散介質(zhì),是比較保守的計算方法,其結(jié)果有一定的借鑒意義。(3)采空區(qū)臨界深度確定當(dāng)建筑物已修建于小型采空區(qū)的影響范圍以內(nèi)時,設(shè)建筑物基地的單位壓力為R(kN/m2),則采空段頂板上的壓力Q為:當(dāng)H大到某一深度時,Q即為0,代入上式,即得相應(yīng)的臨界深度H0:其中,R=γ路h路,γ路取為20kN/m3,h路取為4.9m,即R=98kN/m2。代入式(8)得:當(dāng)a取1.5