采空区稳定性范文

采空区稳定性范文（精选8篇）

采空区稳定性 第1篇

关键词：采空区,地面沉陷,概率积分法,变形规律

开采矿山时岩体内部原有的力学平衡状态被破坏, 使得岩层发生位移、变形等现象, 岩土的完整性受到了破坏。当开采的面积达到一定范围之后, 起始于采场附近的移动和破坏将扩展到地表, 引起地面沉降、地面塌陷 (统称地面沉陷) 。在老采空区上方进行工程建设是诸多煤炭生产地愈来愈普遍的现象, 采空区地基的稳定性研究也愈来愈体现出重要的经济和社会意义。在采空区进行工程建设, 需要根据已知的地质采矿条件在开采之前预先计算出地表可能产生的移动和变形。此外还应考虑地震、地下水和岩石蠕变等“活化”因素的影响。钻探、物探是目前勘查采空区的基本手段。

本文根据所获取的彩屯矿区大量实测数据, 研究了彩屯矿地表移动变形规律, 获得该区域地质采矿条件下的地表移动的概率积分法预计参数。为矿区采煤方案设计与保护煤柱合理留设以及地表灾害防护提供了重要参考。

1 地质采矿条件

彩屯煤矿位于本溪巿区太子河西岸, 北靠月牙岭, 井下东起下一区绞车道, 西至矿F3号断层, 北起开采上限, 南至950m煤层底扳等高线。矿区总面积7.3361km2。矿区位于本溪市区, 太子河以西, 北部和西部较高, 向南、向东地势渐低, 为起伏不大的低山地形地貌。矿区大地构造位于中朝准地台 (I) , 胶辽台隆 (I1) , 太子河~浑江台陷 (I12) 、辽阳~本溪凹陷 (I12-1) 内。地层发育, 出露比较齐全, 地层主要呈单斜构造, 倾向187°~239°、倾角16°~21°;断裂构造发育, 主要呈北东向, 次为北西向;岩浆岩不发育, 如图1所示。

2 地表沉陷规律研究

2.1 概率积分法数学模型

概率积分法是把岩体当作一种随机介质, 把岩层当作由大量松散的颗粒介质组成, 通过随机介质理论, 把岩层移动看作一种服从统计规律的随机过程, 由此研究岩层与地表移动。经理论研究和实践证明, 概率积分法预计的地表移动变形比较接近工程实际。 (1) 当采区内煤层全部开采后, 地表任意点 (x, y) 处的下沉为:

m——采出煤层厚度;

q——地表下沉系数;

α——煤层倾角。

CX、CY分别为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数;

l、L分别为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度;

r, r1, r2分别为走向、下山、上山的主要影响半经;

(2) 地表任意点倾斜值i (x, y) φ (沿指定的φ方向)

ix、iy分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值, mm/m;

(3) 地表任意点的曲率变形Kφ

Kx、Ky分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值。

(4) 地表任意点沿指定方向φ的水平移动值uφ

ux、uy分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处迭加后的水平移动值, mm。

(5) 地表任意点的水平变形εφ (沿指定方向)

εx、εy分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处迭加后的水平变形值, mm/m。

2.2 参数确定

彩屯矿区自1957年10月开始对地表沉陷进行观测, 到1982年10月观测结束, 26年期间获得了大量的地表沉陷实测数据。通过对观测资料的综合分析与研究, 得出了符合本地区特定地质采矿技术条件下的地表移动与变形规律、各种角量参数以及概率积分法特定参数。其中边界角值见表1和表2, 概率积分法特定参数值见表3。

2.3 计算结果

采用任意形状、多工作面地表沉陷计算与绘图软件对彩屯矿区地表沉陷进行计算, 计算区域内地表最大残余下沉值为169.16mm, 东西方向地表最大倾斜变形值为0.094mm/m, 南北方向地表最大倾斜变形值为0.509mm/m, 东西方向地表最大水平变形值为0.58mm/m, 曲率变形最多变形值为0.005 (×10-3/m) 。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》第十六条, 采空区上建筑物地基允许变形为:倾斜变形小于3mm/m, 曲率变形小于0.2×10-3/m, 水平变形小于2mm/m。根据《建筑地基基础设计规范GB50007-2011》规定, 该办公楼为7层, 高度不超过30m, 根据表2, 其地基倾斜变形允许值为3mm/m。综上计算可知, 采空区残余变形均小于上述允许值。

结论

(1) 本文从研究区地质环境条件入手, 通过收集资料, 阐述了采空区工程概况、地质环境条件、煤层发育特征及开采情况等。

(2) 概率积分法函数形式简单, 推导方便, 计算速度很快, 对于大型预测来说, 可节省大量的时间和费用。

参考文献

[1]张悼元, 王士天, 王兰生.工程地质分析原理 (第二版) [M].北京:地质出版社, 1993.

[2]蔡美峰.岩体力学与工程IML[M].北京:科学出版社, 2002.

[3]郭广礼.老采空区上方建筑地基变形机理及其控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2001.

大型复杂群空区下采场稳定性分析 第2篇

摘要：绍兴铜都矿业有限公司由于长期采用分段空场法回采,导致在-385 m水平以上存在52万m3的复杂采空区群,出现了采场垮塌、地表塌陷等严重地压现象,对深部开采安全已造成严重威胁.为此,在矿山岩体工程地质条件研究的基础上,综合运用三维弹塑性有限元正交试验方法、极限分析法和弹性力学小变形薄板理论等多种岩石力学理论方法,分析计算分段空场法采场的.稳定性,评价和预测了分段空场法采场和矿柱的力学行为和破坏特征,为深部采场提供了合理的采场结构参数,有效指导了试验采场6.4万t矿量的安全回采.作 者：李学锋 徐必根 唐绍辉 郭葵 郑荣祥 作者单位：李学锋(广西大学,广西,南宁,530004)

徐必根,唐绍辉(长沙矿山研究院,湖南,长沙,410012)

郭葵,郑荣祥(绍兴平铜集团公司,浙江,绍兴市,312050)

某矿区采空区上建筑场地稳定性评价 第3篇

目前国内外在采空区上进行工程建设的经验尚不足, 特别是高层建筑物, 少之又少。而大多数建筑物建设前均进行人工地基处理, 采用填充的方法对采空区进行处理后进行的, 其建筑的代价也是相当高的。采空区场地的稳定性是与各种地质因素及非地质因素有关的, 而且地下岩体也极其复杂, 因此采空区的稳定性评价是十分复杂的动态系统工程。

1 工程概况

徐州市中信置业房地产开发有限公司拟在徐州市贾汪区建设中信置业康桥花园, 拟建场地位于贾汪区206国道西侧, 新夏路北侧, 区域位置优越, 交通便利。

拟建工程建设用地平面分布上大致呈梯形, 建设用地面积约79 945.2 m2, 南北宽243~253 m, 东西长300~356 m, 总建筑面积116 479 m2。建筑物设计为4栋11层小高层住宅楼、26栋5~6层多层住宅楼、2栋2层门面房、1栋单层幼儿园、1栋3层会所以及小区内部道路、水、电、煤气管网等附属设施。

根据《岩土工程勘察规范》 (GB50021-2001, 2009年修订版) 的有关规定[1], 确定拟建中信置业康桥花园工程重要性等级为一般工程, 场地等级为复杂场地, 地基等级为复杂地基。由于拟建场地存在采空区, 需要对建筑场地的稳定性进行研究。

2 煤矿采空区调查

拟建工程处于原徐州矿务集团韩桥煤矿矿区范围内, 该地下煤炭开采活动对地质环境的影响程度强烈。根据有关监测资料, 受地下开采活动影响, 贾汪区地表发生了大面积沉陷, 甚至局部出现深度较大的塌陷坑, 煤炭开采造成的采空地面塌陷成为了制约贾汪区城市建设的重要因素。为了查明评价区内地下采空区的分布、塌落密实情况, 本次对评价区进行了较详尽的调查。

2.1 评价区采煤历史调查

场地位于原徐州矿务集团韩桥煤矿夏桥井田范围内, 基础地质工作研究程度很高。20世纪50年代以来, 江苏省煤炭、地矿、水利等有关部门曾先后在场地及其外围附近做过区域地质调查、矿产地质、水文地质、工程地质勘察工作, 提交了相应的地质报告和成果资料。本次评价收集了跟评价区有关的井田地质、采掘资料、拟建建筑物的设计资料、研究区内水工环等资料, 为进一步分析研究评价区建筑场地稳定性、地表变形规律等提供详细的基础资料。

根据资料可知, 评价区内的主要可采煤层为下石盒子组1、3煤和大原组的17、20、21煤, 评价区内进行过开采矿井主要为韩桥煤矿夏桥井、阜宁煤矿东风井等, 开采年代从建国前直至1999年。评价区内开采煤层数量多, 开采历史久远, 采掘情况异常复杂。

由于17、20、21煤层埋深约296~381 m, 埋藏深度较大, 采高较小, 且评价区及附近各煤层有较可靠的矿井开采资料, 其采空区分布情况比较清楚, 因此本次野外勘查研究工作重点放在浅部的1、3煤层。

2.2 现状调查

评价区现状地势起伏不大, 无明显塌陷坑、塌陷槽等地表强烈移动变形特征, 说明地表移动沉降变形较均匀。而根据评价区岩土勘察初步资料, 浅部各土层没有明显起伏, 走向平缓且方向一致, 也说明地表变形主要以较均匀的下沉为主。评价区为拆迁场地, 地表高程受人类活动影响较大, 又缺乏相关专业的监测和统计数据, 地表变形值难以定量评价。对比不同时期的地质图可以看出, 地表高程已有一定程度下降, 下降幅度达0.5~1.0 m, 说明受地下采掘活动的影响, 地面已发生了大面积较均匀下沉。

3 电法勘查

3.1 电法勘查目的

为了验证收集的采掘资料, 查明评价区采空区分布范围及现状特点, 根据“物探先行, 钻探验证”的勘查原则, 对评价区先行采用了电法勘查的方法。

3.2 电法勘查施工原理

电法勘探是以岩土、矿石的导电性为基础, 通过观测分析电场分布变化规律来解决地质问题的一种地球物理勘探方法。电测深法是在勘探区布置一定的测网, 测网由若干测线组成, 每条测线布置若干测点。对地面上某一测点进行电测深法测量的实质是用改变供电极距的办法来控制不同的勘探深度, 由浅入深, 了解该测点地下介质垂向上电阻率的变化。综合每条测线的测量结果, 通过定性和定量解释, 可以获得每条测线的地电断面资料;综合勘探区内各测线的测量结果, 可以获得地下岩石沿水平方向和垂直方向变化的综合资料。

3.3 电法勘查成果

野外施工结束后, 对实测数据进行去除畸变点、虑波等处理后采用Surfer8.0绘制视电阻率等值线图。

根据收集到的评价区内采空区资料结合常规电法解译经验, 认为视电阻率低阻异常区主要为地下岩层破碎带富水区, 可以进一步推断评价区埋深30~70 m位置有大面积煤炭开采活动, 并对地下岩体结构造成了较大破坏。

4 钻探勘查

4.1 钻探勘查目的

为了验证收集的采掘资料及印证电法勘查的效果, 进一步弄清评价区空区分布及现状特点, 本次研究还采用了现场钻探的方法。具体的目的: (1) 探明场地浅部1、3煤采空区的分布状况, 包括浅部采空区垂向深度、岩石破碎程度、岩体密实度、岩体间空隙度等多种特征; (2) 探明场地内1、3煤以上的岩土层结构、岩土体特性等。

4.2 完成工作量

本次研究共在评价区内布置了6个勘探孔, 孔深至3煤底板以下10 m, 单孔深约60 m, 钻探总进尺约380 m。

4.3 钻探勘查成果

1号钻孔在28~28.7 m、31~32 m、43.3~43.9 m为采空区;2号钻孔在30.8~32.2 m、45.5~46 m分别见煤层;3号钻孔在32.7~33.8 m时见煤层, 53~54.2 m为采空区;4号钻孔在30.6~31.6 m时见煤层, 49~50m为采空区;5号钻孔在30.5~31.5m、46.0~46.4 m时分别见煤层;6号钻孔在33.5~34.8 m、52.1~53.1 m为采空区。

5 建筑场地稳定性综合评价

根据《地质灾害危险性评价技术要求 (试行) 》 (国土资发[2004]69号附件) 的有关要求, 通过对拟建建筑场地煤矿开采资料的收集及整理, 采用电法勘探和钻探的方法, 对可能导致拟建场地采空区“活化”的主要因素进行了详细分析, 对拟建场地的稳定性评价如下: (1) 根据评估区内煤层开采深度为31~381 m, 各煤层合计平均厚度约5.31 m, 其理论采深采厚比为77.58。而按照最不利组合考虑, 1煤最大采高1.5 m, 1煤层最小埋深31 m, 则最小采深采厚比为20.67。按照就高不就低的原则, 判定评价区建筑地基处于不稳定状态。 (2) 拟建场地处于采空区影响范围以内, 特别是场地下浅部开采煤层情况复杂, 地下采空区的情况也很复杂。根据电法勘查资料, 煤层埋深部位多处呈现视电阻率低阻异常, 说明地下岩土受地下煤层采动影响较大。根据钻探资料, 浅部煤采空区未完全密实, 钻探中发现在采空区部位有进尺突然加快、漏水、甚至全漏等现象, 说明采空区充填不够密实, 另外评价区仍有大量煤柱残留, 为非完全采动区, 对场地的稳定性有不利影响。 (3) 拟建场地的采空区工作面已终采超过5 a, 其地表移动变形的活跃期已经结束, 评价区采空区引发的地表主移动变形已经基本完成, 地表未来沉降以残余变形为主, 残余变形量很小。对一般多层建筑物会有一定影响, 但对于高层建筑物等沉降敏感的建筑物影响较大。 (4) 未来期间如果 (下转第131页) (上接第119页) 在评价区及其附近人类工程活动引起水文、工程地质条件改变, 特别是地下水位的变化, 可能会破坏现有的地应力场平衡, 将导致地表进一步变形下沉, 甚至导致老采空区“活化”, 地表发生较大的差异沉降, 对拟建建筑物产生一定危害, 甚至破坏。 (5) 多层建筑和高层建筑作用下荷载影响深度均大于冒裂带的埋藏上限深度, 建筑物荷载将加大地表残余变形量。 (6) 评价区作为拟建的中信置业康桥花园建筑场地适宜性为“适宜性差”。

6 结论与建议

拟建场地位于采空区影响范围内, 采空区地表移动变形的活跃期已经结束, 在现状条件下采空区基本上是稳定的。尽管采空区地表移动变形的活跃期已经结束, 未来的地表移动变形以采空区引发的地表残余沉降为主, 残余变形量较小, 但采空区坍塌不够密实, 对场地的稳定性仍有一定的影响。在人类工程活动、地震等影响下, 则评价区内残余变形有突然加大的可能, 甚至会发生老采空区“活化”。因此, 评价区作为拟建建筑场地“适宜性差”, 在此场地上进行建设必须对影响建筑物安全的地下采空区进行处理, 以消除或减弱残余变形及采空区“活化”引起的建筑物的破坏。

依据建筑抗变形措施及要求, 结合评价区内采空区分布的形态及现状情况, 建议采用如下地基处理方式:对浅部1、3煤采空区进行充填处理, 处理深度应至3煤底板, 即深度约50~55 m, 并对开采1、3煤形成冒裂带进行注浆处理。

对地下采空区及冒裂带的处理应请专门的有资质单位进行设计、施工、检测。

摘要：通过对徐州市中信置业康桥花园建筑场地煤矿采空区资料的收集, 合理布置勘探工作量。通过电法勘探及钻探的方法查明了采空区的埋藏深度及其“三带”的分布规律, 根据勘查成果, 按照有关技术要求及标准运用多种方法对拟建场地采空区的稳定性进行了评价, 对拟建建筑物提出了地基及结构处理措施。。

关键词：建筑场地,采空区,稳定性,评价,地基处理

参考文献

采空区稳定性 第4篇

开采煤层气的方法有2类,即采前预抽和采后卸压抽采。瓦斯抽采方法的选择主要决定于煤层的地质构造、透气性、瓦斯含量以及煤层钻进成本等因素。我国的煤层透气性普遍偏低,采前预抽效果较差。而在采空区深部瓦斯富集,其瓦斯最高浓度为工作面瓦斯浓度的几十倍甚至上百倍,采空区的卸压瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要来源之一。因此,利用地面钻井进行采空区瓦斯抽采是行之有效的方法。

1 地面钻井抽采瓦斯的原理

地面钻井抽采采空区瓦斯是近年来煤炭行业新兴的煤层瓦斯抽采技术之一,在美国及澳大利亚的许多矿井得到了成功应用。采用地面钻井抽采采空区瓦斯的原理:由于受煤层采动影响,工作面上覆岩层产生的移动裂隙可分为“竖三带”和“横三区”(见图1)。在工作面推移过程中,采空区覆岩中的弯曲下沉带内产生大量离层、裂隙,增大了煤层透气性,成为煤层释放瓦斯的流动通道,通过将地面钻井打进裂隙带内,将采空区瓦斯抽采至地面。

1煤壁支撑影响区;2离层区;3重新压实区;Ⅰ冒落带;Ⅱ裂隙带;Ⅲ弯曲下沉带。

2 现场抽采试验

2.1 试验工作面情况

进行地面钻井抽采试验的11418工作面为张北矿的首采工作面,工作面宽240 m,长1 320 m。开采的8号煤层均厚3.2 m。煤层沿工作面推进方向向上倾斜2°～3°。工作面上覆岩层以厚层的第四系沉积岩为主。从地面到基岩为400 m厚的第四系沉积岩,且含水层、断层发育,地质构造较复杂。

2.2 地面钻井施工参数设计

本次试验施工了2个钻井,钻井通过3个钻进和装套管阶段完成。1#钻井在距开切眼100 m、上风巷50 m处布置,孔深526.41 m,终孔位置距8#煤层顶板5 m,其具体参数如下:第一阶段,钻孔深度0～417.5 m,Φ 311 mm,内装Φ 245 mm10 mm的套管,并注浆加固;第二阶段,钻孔深度417.5～480.0 m,Φ 216 mm,内装Φ 177 mm9.19 mm的套管,并注浆加固;第三阶段,钻孔深度480.0～508.6 m,Φ 190 mm,内装Φ 39.7 mm9.17 mm的石油管,其总长为38.997 m。槽管(Φ 139.7 mm9.17 mm)和整体套管(Φ 177 mm9.19 mm)重叠部分的长度为10.397 m(见图2)。2#钻井在距开切眼943 m、上风巷37 m处布置,具体参数与1#钻井大体相同。

3 地面钻井抽采考察及分析

迄今为止,淮南矿区已经先后试验了12个地面瓦斯抽采钻井,部分钻井实验数据如表1所示。

从表1中各矿井的试验数据比较可以看出,试验抽采钻井都是在回采工作面推过30 m后开始破坏,但是靠近风巷侧的钻井有效工作日期较短,钻井破坏时工作面推过距离较短,而位于工作面中心线的钻井有效抽采日期相对较长,钻井破坏时工作面推过距离较长 (在图3中可以更直观地看到这点)。试验表明,随着钻井布置位置向风巷的偏移,抽采钻井井筒的稳定性呈现出减弱趋势,钻井布置位置不宜过分靠近风巷。

在正常工作期间,各钻井均抽采出了高浓度的瓦斯,但是靠近风巷侧的钻井瓦斯抽采流量相对较大,而位于工作面中心线的钻井瓦斯抽采流量相对较小;表明采空区中部的裂隙由于顶板冒落重新压实而靠近风巷侧的覆岩内裂隙更加发育,从而在采空区内部形成了“外空中实”的采动裂隙环形圈,采空区边缘的卸压瓦斯聚集量比中部要高,因此,钻井终孔点布置在偏离采空区中部、稍微偏向风巷侧有利于瓦斯抽采。

4 采空区覆岩移动分析及钻井参数确定

影响采空区瓦斯地面抽采钻井稳定性的因素主要分为外界客观因素和钻井自身参数2大类。外界客观因素包括地质条件、开采方式、覆岩移动等,由于钻井为采动后抽采采空区瓦斯,因此覆岩移动影响更为突出。钻井自身参数包括钻井位置、井筒直径、护井方式、井体结构等,钻井位置与井筒直径的影响尤为重要。

4.1 覆岩采动影响位移分析

从试验结果可以发现,钻井中途破坏是影响试验顺利进行的重要因素。钻井破坏的根源在于煤层覆岩的错动、破坏,其中水平移动的剪切作用对钻井稳定的影响尤为严重。为此,用COSFLOW软件模拟了11418工作面推进过程中,距风巷不同距离处的覆岩水平移动情况。

图4和图5分别为11418工作面推过2#钻井40 m和120 m时,用COSFLOW模拟的距离风巷不同位置上覆岩层的水平移动曲线。从图4可以看出当工作面推过钻井40 m时,位于采空区中部的钻井附近的采空区覆岩水平移动量最大,最高值近250 mm,而随着岩层位置向风巷侧方向靠近,水平移动值逐渐减小。从图5可以看出当工作面推过钻井120 m时,距离风巷40 m处的钻井附近的采空区上覆岩层水平移动量最大,最高值可达370 mm,而随着岩层向采空区中部方向靠近,水平移动值逐渐减小。

比较图4、图5可以揭示出,在整个采动过程中,由于老顶岩层来压破断,采空区中部上覆岩层中首先发生大的水平移动破坏,但是随着工作面持续向前推进,采空区中部覆岩的水平移动量稍有增加,而靠近边缘位置的覆岩水平移动量增加幅度却相对较大,当工作面推过钻井一定距离后,靠近采空区外围的上覆岩层错动破坏程度就会超过采空区中部,最终采空区外围覆岩破坏程度要比中部剧烈、复杂。

通过图4、图5的比较可以看出,在工作面的整个推进过程中,采空区上部距离地表325～375 m的覆岩水平移动最为剧烈,表明此段范围内的钻井井筒最容易因岩层水平错动而发生剪断或者挤压破坏;对11418-1钻井的数值模拟结果也显示出在此地段的覆岩水平移动最为剧烈。查阅11418工作面地质资料发现,此范围是表土层与基岩交界处。对已破坏的11418-1钻井重新钻探测量发现钻井首发故障的实际深度在270～290 m,该故障层位于砂岩和软泥岩的交界面附近,揭示出在岩层交界面附近,岩层在采动影响下容易发生大的错动,此范围的钻井井筒应重点保护和监测。

4.2 钻井参数的选定

现场试验发现,地面钻井位置与井筒直径是关系到抽采技术成功运用的关键因素,不仅关系到抽采效果的好坏,而且还决定着钻井抽采有效期的长短。因此,选定合理的钻井布置位置以及井筒直径至关重要。

4.2.1 钻井位置的确定

通过现场试验数据和数值模拟分析可知,随着钻井布置位置向风巷偏移,井筒的稳定性呈现出有规律性的减弱趋势;从稳定性方面考虑,钻井位置不宜过分靠近风巷。而采空区内部的采动裂隙具有“外空中实”的环形圈特点,靠近风巷侧的覆岩内裂隙更加发育,采空区外围的卸压瓦斯聚集量比中部要高;从抽采效果方面考虑,钻井布置在靠近风巷侧更有利于瓦斯抽采。综合分析结果可以推定:兼顾抽采效果及钻井稳定两方面的因素,可以将抽采钻井的位置选定在稍微偏向风巷的区段,即布置在距离回风巷60～80 m处。

4.2.2 钻井井筒直径的确定

由于11418工作面上覆岩层含水层发育,一旦钻井套管破裂,水浆、泥沙就有可能进入套管,堵塞瓦斯抽采通道,中断现场抽采。因此为了保护抽采套管内部不受损坏,钻井设计直径应不小于套管直径与覆岩最大水平移动值之和,即钻井直径大于等于套管直径+覆岩最大水平移动值。同时,套管与钻井之间的空隙可以考虑采用具有流变特性的弹性材料充填加固,以降低岩层移动对井筒的剪切破坏作用。

另外,由于数值模拟中工作面为拟连续开采,实际上工作面在通过钻井时可以采用加快采掘速度等方法减少采动影响,而且实际条件下钻井套管及其与钻井之间的充填材料会起到一定的锚固作用,削弱岩层移动,因此,模拟的采空区上覆岩层位移量与实际情况有一定差异。矿井在采用地表钻井抽采采空区瓦斯时,应根据监测钻井的实际资料进行其他钻井的设计优化,以期更好地实现节约施工成本,实现煤与瓦斯共采的目的。

5 结论

1) 在岩层交界面附近,岩层在采动影响下容易发生大的水平错动,对维护抽采井筒的稳定性不利,应该重点保护和监测位于交界面附近的钻井井筒。

2) 通过试验数据和数值模拟分析可知,随着钻井布置位置向风巷偏移,井筒的稳定性呈现减弱趋势,钻井布置位置不宜过分靠近风巷。而靠近风巷侧的覆岩内裂隙更加发育,钻井终孔点控制在靠近风巷侧有利于瓦斯抽采。兼顾抽采效果及钻井稳定两方面的因素,对于开采宽度为240 m左右的工作面,地面抽采钻井的位置确定在距离风巷60～80 m处。

3) 采空区上覆岩层含水层发育时,钻井直径应不小于套管直径与覆岩最大水平移动值之和,即钻井直径大于等于套管直径+覆岩最大水平移动值。套管与钻井之间的空隙可以考虑采用具有流变特性的弹性材料充填加固,以降低岩层移动对井筒的剪切破坏作用。

摘要：以淮南矿区张北矿地面钻井抽采采空区瓦斯试验为背景,通过对比分析淮南矿区各试验钻井抽采数据,运用数值模拟的手段,分析讨论了采空区上覆岩层在采动影响下的时空运移、破坏规律,在此基础上对影响地面抽采钻井稳定性的主要参数进行了分析,并总结出提高地面抽采钻井稳定性的相关建议,对采空区瓦斯抽采技术的研究和推广应用具有一定的指导意义。

关键词：地面钻井,采空区,瓦斯抽采,钻井稳定性,采场覆岩

参考文献

[1]淮南矿业(集团)有限责任公司,煤炭科学研究总院重庆分院,澳大利亚联邦工业科学院.地面钻井抽采采动区域瓦斯技术研究[R].重庆:煤炭科学研究总院重庆分院,2006.

[2]刘玉洲,陆庭侃,于海勇.地面钻孔抽放采空区瓦斯及其稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(增1):4982-4987.

[3]胡千庭,梁运培,林府进.采空区瓦斯地面钻孔抽采技术试验研究[J].中国煤层气,2006,3(2):3-6.

采空区稳定性 第5篇

随着“西部大开发”和“可持续发展”战略的实施,许多公路需要建立在或穿越老采空区。预计在未来20年内,国民经济仍将处于持续、稳定、高速的发展时期,道路工程建设正以前所未有的速度推进,由于对老采空区缺乏深入的理论研究和较少工程实践,工业和民用建筑及交通设施等在附加静荷载和运输工具动荷载的影响下,采空区在部分地区出现了“活化”,导致地表残余变形过大,影响到了正常使用甚至发生了事故。所以,从降低成本,确保安全的角度出发,使所建道路工程能够安全、有效地发挥作用,对于断层地质构造采空区的路基路堑稳定性进行深入、系统的研究就显得十分紧迫。

本文针对矿区开采引起断层地质构造“活化”不利路基路堑稳定性,运用同济曙光有限元正分析软件,研究断层“活化”、路基路堑的变形和地基不稳定性,为寻找防治路基路面出现不连续变形、沉陷,确定合理设计提供技术依据。同济曙光有限元正分析软件GeoFBARV3.0,是上海同岩土木工程科技有限公司、上海软圣科技发展有限公司和同济大学隧道及地下工程研究所共同开发的岩土及地下工程设计与施工分析软件。

1 断层地质构造对采空区路基稳定的影响

天然岩体是经过长期的地质演化过程形成的复杂结构体,它经历了漫长的自然历史过程,经受了各种地质作用,并在地应力的长期作用下,在其内部存在着各种永久变形的现象和各种各样的地质构造形迹,岩体中的这些缺陷导致岩体介质的非连续性、非均质性、非弹性、各向异性,并最终导致岩体破坏过程的高度非线性和不可逆性等复杂性质。天然岩体的结构性表明它是一种特殊的材料,它既非离散介质(因为它是结晶材料),又不是连续介质(因为存在宏观、细观、微观上的不连续性)。因此岩体材料实质上是似连续又非完全连续、似破断又非完全破断的介质。由此可见,岩体是受到各种性质的软弱面切割而形成的综合体,由于软弱面的存在,岩体的强度要远低于岩石强度。因而对于涉及到包含各种软弱面岩体的各种工程岩体的稳定与破坏理论来说,起决定作用的是岩体强度,而不是岩石强度。

2 模拟方案及过程

1)模型的建立。

为了研究断层地质构造对采空区路基路堑稳定性的影响,对本次模拟选用的模型假设:断层面两侧岩体为弹塑性介质、断层面两侧岩体的变形为小变形、屈服破坏符合摩尔—库仑准则、简化为平面应变模型、只考虑土体的自重荷载而不考虑其他荷载的影响。

2)材料参数。

根据前人的经验以及本次模拟的实际条件,选用的物理力学参数如表1所示。

3)边界条件。

模型的大小是根据岩层移动可波及的范围来确定的,即在此范围以外的岩体不受开采的影响。模型上边界为地表,取自由边界,左边界和右边界选用位移约束条件,水平位移为0,模型底部的节点也选用位移约束条件,水平、竖直位移和转动都为0。即:模型的两侧为水平向约束,底边为水平约束、垂直约束和转动约束。

4)单元类型的确定。

单元类型为四边形单元。

5)网格剖分。

模型网格剖分充分考虑了计算机的容量和构造的断层面性质,自动生成多区域加密的四边形单元。

3 计算结果及分析

禹州—登封高速公路K69+450路堑工程有限元数值分析结果如下(考虑留设安全煤柱设计):

从模拟结果可以看出:采用非线性平面应变模型对开采沉陷中断层的影响进行研究是可行的。地下煤层开采后,上覆岩层的应力重新分布,且断层的存在对应力的分布有强烈的阻隔作用,断层增大了岩体的变形值,而且断层面的存在打破了水平移动、下沉变形的对称性。模拟分析结果具体如下:

1)煤层开挖后在采空区正上方存在着一个压力平衡拱(见图1),这与理论结果吻合;

2)由于断层的存在使主应力分布在断层面两侧,有强烈的应力集中现象(见图1),使得分布在采空区中部上覆岩层中的最大主应力变小;

3)由于断层的存在对应力的分布有强烈的阻隔作用,在断层面外侧主应力较无断层侧岩体主应力小(见图1);

4)由于断层面的存在,打破了上覆岩体下沉的对称性(见图1),表现为冒落向断层侧偏移;

5)由于煤层倾斜、断层面的存在打破了最大主应力和最大剪应力分布的对称性(见图1,图2);

6)煤层开采后,最大剪应力在断层面两侧有应力集中现象(见图2);

7)由于断层的存在对应力分布有强烈的阻隔作用,而且随着开采范围的增大,这种对应力分布的阻隔作用就越强烈。

以上分析说明,无论断层倾向与煤层倾向相同还是相反,先开采断层上盘煤层,比先开采断层下盘煤层产生台阶的可能性小,根据以上分析,如果断层上下盘同时开采,断层两翼同时移动,则在断层露头处不会产生台阶状移动盆地。

断层对地基移动的影响主要表现在以下4个方面:

1)断层露头处地表产生台阶状裂缝;

2)断层处地表变形增大;

3)使地表移动范围增大或缩小;

4)使地表下沉位置移动。

4 结语

本文运用同济曙光有限元正分析软件GeoFBARV3.0较好地模拟分析了由于矿区开采引起断层地质构造“活化”,从而使采空区路基路堑产生变形,进而引起地基不稳定性,为寻求防治路基路面出现不连续变形、沉陷、确定合理设计提供了技术依据。

进一步加强矿区开采引起断层地质构造“活化”和上部路堤沉陷与失稳影响过程分析的研究,对于更好的认识矿区开采引起断层地质构造“活化”和上部路堤沉陷与失稳影响的各种病害有着重要的参考和使用价值,也为矿区开采引起断层地质构造“活化”和上部路堤沉陷与失稳影响理论的进一步完善提供有益的帮助。

参考文献

[1]王玉标.采空区高速公路路基路面变形破坏规律与演化分析[D].长沙:长沙理工大学硕士学位论文,2007.

[2]赵建锋.岩体弱面的分形性与含弱面岩体破坏的力学行为研究[D].锦州:辽宁工程技术大学硕士学位论文,2001.

[3]刘玉洁.断裂错动引起上覆土体的破裂效应及工程对策[D].西安:长安大学硕士学位论文,2003.

[4]焦俊虎.采空区建筑地基稳定性分析的非线性有限元理论和应用研究[D].太原:太原理工大学硕士学位论文,2003.

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[6]朱合华,丁文其.地下结构动态施工仿真模拟分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(sup):864-886.

采空区稳定性 第6篇

1)工程概况。红神铁路专用线位于陕西省神木县境内,为连接既有包西铁路及新建包西铁路通道的运煤专用线,设计标准为国铁Ⅰ级。该铁路DK28+700～DK29+600段以路堤形式通过边不拉煤矿采空区,路堤高度一般为2 m～10 m。2)地形地貌。工点位于考考乌素沟右岸,毛乌素沙地边缘风沙堆积区,地形较平缓,地势开阔。3)地层岩性。工点范围内自上而下地层为第四系全新统风积细砂,厚度约6 m～17 m,第四系上更新统冲积、湖积细砂,厚度约11 m～28 m,下伏侏罗系中统砂岩,产状近水平;煤层就分布于砂岩层,厚度约6 m～7.5 m。

2 采空区稳定性分析

2.1 煤矿采空区特征

边不拉煤矿为集体村属煤矿,井田面积2.99 km2,设计能力为3.0万t/年,2002年9月开采,两主斜井分别在DK28+240左120 m,DK28+260左80 m,通风井约在DK28+200左120 m处,其开采方式采用主副平硐,主巷道配以支巷道向两侧呈网格状或“干”字形开采,采煤方式为炮采落煤,一般采宽7 m留7 m煤柱,采高约4.1 m～4.3 m,留顶煤,不放顶,采空率一般可达50%以上。中央并列式通风,人工装煤,防爆小四轮运输(见图1)。

2.2 采空区勘探情况

在收集煤矿开采巷道图和访问的基础上,对线路通过边不拉煤矿矿区段落沿线路按左60 m,中、右60 m布置了3条物探探测线,物探结果显示:DK28+700～DK29+600段存在采空区低阻(高密度电法)异常。并在DK28+752,DK28+815,DK28+855,DK29+280,DK29+540 5处布置钻探对中线物探采空异常点进行了验证。

钻探显示,DK28+815,DK28+855,DK29+540位置钻孔均钻至采空巷道上,较好的验证了物探测试判断结果。

2.3 采空区稳定性分析

2.3.1 定性分析

《铁路工程地质手册》中,铁道第一勘测设计院根据阳涉铁路小煤窑采空的具体特征:以斜井为主,主巷道呈网格状,支巷道间距为25 m～30 m,支巷道断面宽2 m～2.5 m,高2.5 m～3.0 m,一般为房柱式开采,最后形成25 m～30 m、高6 m、宽6 m的采空腔,采完即封闭。给出了判断小煤窑采空区稳定性的判断标准:Ⅰ为可能塌陷区,顶板厚度小于30 m时,所有工程需处理;Ⅱ为可能变形区,顶板厚度30 m～60 m,重点工程应处理;Ⅲ为基本稳定区,顶板厚度大于60 m,一般工程不处理,重点工程结合工程的重要性综合考虑。

本段工程为路堤工程,顶板换算厚度约为40 m～63 m(见表1),对比以上小煤窑采空区稳定性判断标准,该采空区属可能变形区,重点工程应处理,路堤工程属一般工程,可不处理。

但小煤窑采空区稳定性判断标准煤窑采空条件与边不拉煤矿开采实际情况不符:边不拉煤矿虽为村属煤矿,采宽7 m留7 m煤柱,采高约4.1 m～4.3 m,留顶煤,不放顶,回采率约为33%～35%,但采空率高达约50%,早已不属于传统意义上的小煤窑,但又不属于大煤矿采空(回采率较低)。据此判定边不拉煤矿采空区的稳定性已失去意义。所以对其稳定性需另进行计算分析。

2.3.2 定量计算分析

1)采空区顶板稳定性的力学计算。根据《铁路工程地质手册》第389页4-5-5公式:

H0=2a/[tan2(45°-φ/2)tanφ]。

其中,2a为巷道宽度,7 m;φ为岩层的内摩擦角,煤层采空后,巷道围岩为砂岩,内摩擦角φ=60°～73°,分别取60°,73°(包西铁路通道砂岩内内摩擦角采用值为60°)。对采空区顶板稳定性计算其临界深度H0,见表1。

由表1可以看出,当内摩擦角为73°(基岩通用采用值),60°(包西铁路通道采用值)时,采空区顶板换算厚度基本小于H0,采空区上的所有建筑工程均需处理。

2)采空区地基稳定性计算。根据《铁路工程地质手册》第389页4-5-7公式:

${\rm H}{}_0=\frac{2a\gamma +\sqrt{4a{}^2\gamma {}^2+8a{}^2\gamma {}^{2}R\text{t}\text{a}\text{n}{}^2\left(45°-\frac{\phi }{2}\right)\tan \phi }}{2\gamma \tan {}^2\left(45°-\frac{\phi }{2}\right)\tan \phi }$。

本段为路基工程,路肩高程基本与地面高程一致,当不考虑列车荷载及轨道荷载,即R=0时,4-5-7公式变为4-5-4公式,同样可以得到此时地基稳定性评价的计算结果,见表1。

同理,H≤H0,故判定顶板及地基不稳定,所有工程需处理(注:以上计算分析是基于顶板为基岩,第四系地层以3∶1换算成基岩厚度进行计算的,未对顶板地层进行分层计算)。

3)采空区顶板垮落断裂带高度计算。

煤层开采后,上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带,岩石被断裂成块状,岩块之间存在较大的裂隙。在断裂带,岩层产生断裂、离层、裂隙,岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带,岩层基本呈整体下沉,破坏轻微。因此,垮落带、断裂带的岩层虽然经过多年的压实,仍不可避免地存在裂隙和离层,其抗压、抗拉、抗剪强度明显低于原始岩体的强度。如果建筑物荷载传递到这两带,势必加大建筑物的不均匀沉降,甚至造成建筑物破坏。垮落断裂带发育高度主要与煤层采厚、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等因素有关。

根据《工程地质手册》第285页3-5-2公式:

Hli=100M/(aM+b)±c。

其中,Hli为垮裂带的高度;M为采厚(4.1 m～4.3 m);a,b,c均为与覆岩物理力学性质有关的系数,顶板岩性为侏罗系砂岩,采用《工程地质手册》第285页表3-5-1数据,分别为1.6,3.6,5.5。

计算:Hli=41.0 m～46.5 m/40.4 m～45.9 m。

而该采空区顶板岩层厚度为27.8 m～53.8 m,采空区小里程端顶板岩层厚度基本小于垮裂带厚度Hli,换算顶板厚度H也基本小于或接近Hli(46.5 m),这表明地表路堤工程直接置于垮裂带上部,路堤工程可能产生较大沉降变形。为控制路堤沉降,需对垮裂带进行处理。

4)采空腔(巷道)坍塌平衡法。根据《铁路工程地质手册》第379页公式:

h=B/2λtanθ。

查表4-4-9,θ=(0.7～0.9)×φ,计算坍塌高度h,见表2。

显然,采空腔(巷道)顶板换算高度仅39.6 m～62.7 m,均小于采空腔坍塌高度h(70 m),地表会出现较大沉降。

5)采空腔(巷道)顶坍塌堵塞法。根据《铁路工程地质手册》第380页公式:

h=h0/(K-1)。

其中,h为坍塌土体高度;h0为洞穴原高度;K为岩体胀余系数,取1.1～1.15。

经计算h=27 m～43 m。

故据此判断,本段采空区顶板坍塌会严重影响地面沉降变形。

3 结语

2007年8月29日3:00左右,边不拉煤矿在本段线路左侧约1 km处,发生大面积坍塌,引起3级地震,坍塌面积约300亩～500亩,地面最大裂缝错断高差约30 cm,裂缝水平间距约2 cm～5 cm,2007年10月17日再次察看时,地面裂缝范围已向外延伸约50 m。经访问该矿矿长及技术人员,坍塌区开采情况基本与线路通过位置相同,仅回采时放炮落顶煤,空腔高度增加至6 m～7 m,最长开采时间不足5年。较好的证明以上定量计算的可行性,特别是规范中的计算是偏于安全,更符合现实情况。综上分析:边不拉煤矿采空区顶板及地基处于极不稳定状态或塌陷临界塌陷状态。该采空区由于埋深较大(70 m～88 m),采空率达50%,采用回填处理危险性大,灌浆处理费用高,最终该段改线以桥沿考考乌素沟河谷而上以绕避采空区。

参考文献

[1]铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[2]工程地质手册编委会.工程地质手册[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社,1999.

[3]TB 10012-2007,铁路工程地质勘查规范[S].

[4]GB 50123-99,土工试验方法标准[S].

[5]TB 10013-2004,铁路工程物理勘探规程[S].

[6]GB 50021-2001,沿途工程勘察规范及规程[S].

[7]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2008.

采空区稳定性 第7篇

采空区的失稳具有时间性和空间性, 在此以玻璃工业园区建设工程为例, 为保证园区内的建筑物及敏感精密仪器不受采空区地表变形的影响, 需要对现有采空区引起的地表变形时间阶段和范围进行稳定性评价。

1 工程简介

拟在某煤矿采空区地面附近建一玻璃工业园区, 其位于该矿井田九采区北侧上方, 开采水平在-200 m, 4#, 5#, 6#煤层为开采煤层 (开采时间见表1) , 采用长壁采煤法, 全部陷落法控制顶板。该水平采区于2004年基本结束, 现已形成采空区。拟建工业园区与煤矿开采相对位置如图1所示。

1.1 煤系地层

该煤田属二叠系龙潭煤组, 底部以厚0～4 m的杂色角砾岩和灰白色铝土页岩与茅口灰岩分界, 煤系顶部以厚1～3 m的灰白色砂质页岩与兴灰岩分界, 煤系地层总厚为80～110 m。

1.2 主采煤层赋存特征

该煤田主采煤层有4#, 5#, 6#等3层, 开采顺序为先采5#煤层, 再上行开采4#煤层, 最后开采6#煤层。各主采煤层赋存特征见表1。

6#煤层顶板属二类垮落顶板 (中等垮落顶板) , 局部有伪顶, 由泥质页岩、炭质泥岩组成, 直接顶为深灰色钙质页岩含硫化铁、生物碎屑, 厚度随煤层厚度变化而变化。5#煤层直接顶为灰色泥灰岩、深灰色页岩, 老顶为砂质页岩。4#煤层顶板为二类中等垮落顶板, 局部有黑色炭质泥岩、泥质页岩伪顶, 直接顶为灰色粉砂岩、泥岩, 老顶为砂岩、灰岩。

2 采空区地表沉陷时间

2.1 采空区地表移动时间效应分析

采空区上方地表移动从开始到结束, 其总的移动时间大致分为初始期、活跃期、衰退期。根据我国部分煤矿实测和研究表明, 地表移动延续总时间与开采深度密切相关:采深在100 m时地表移动总时间为1.5 a, 采深每增加100 m, 地表移动延续总时间就增加约1 a。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》[1]的规定, 在无矿区实测开采资料情况下, 煤层开采地表移动延续时间T总 (d) 可按下式计算:

T总=2.5 H0 (1)

式中H0为采深, m。

2.2 采空区上方地表移动总时间的确定

该区域开采深度已超过500 m, 地表移动延续时间T总由式 (1) 计算。从安全考虑, 涉及到-200 m水平的九采区各工作面地表移动, 其数据见表2。

从表2看出, -200 m水平开采的采空区上方地表经过多年的沉陷移动, 4#, 5#煤层的采空区上方地表基本上不再进行移动变形, 处于稳定状态;只有6#煤层由于开采时间晚, 还处于未完全稳定状态。

3 采空区覆岩破坏高度分析

煤层回采后, 位于采空区上方的岩层, 由于应力场的重新分布, 形成破碎和变形程度不同的“三带”。由下至上依次为垮落带、断裂带和弯曲带。

根据我国煤矿开采经验, 在煤层倾角小于55°的情况下, 可采用以下经验公式来计算垮落带的高度:

中硬顶板undefined

式中m为矿体的法线厚度, m。

根据开采4#, 5#, 6#煤层厚为5.3 m左右的技术条件, 顶板属于中硬顶板, 经过计算, 得到九采区开采后顶板的总垮落带的高度在12～14 m。

断裂带高度的计算, 根据煤矿钻孔实测资料进行统计, 在正常地质构造和充分采动的条件下, 矿体倾角小于55°的情况下, 采用以下公式计算断裂带高度:

中硬顶板undefined

依据矿区的开采技术条件, 经过计算得到断裂带的高度在38～50 m。

弯曲带的高度随着岩性的不同而有所差异, 根据煤矿实际开采情况, 弯曲带高度在100～200 m。

三带高度之和在150～260 m, 初步得出:该采区形成的垮落带和断裂带一般不会达到地表, 地表仍将位于完整岩层的上方。

4 采空区地表变形范围的概率积分法评价

4.1 概率积分计算方法

为了分析采空区上覆岩层移动对地表造成的影响, 反映地表变形的变化情况, 在此采用随机介质理论条件下的概率积分计算方法。

概率积分法自波兰学者李特威尼申引入岩层移动研究, 后经我国学者刘宝琛、廖国华等人的研究发展, 已成为预计开采沉陷变形破坏较成熟的、应用最广泛的方法之一。近年来, 该理论成功地解决了地表移动预计空间、覆岩移动预计等问题[2]。

应用概率积分法评价采空区地表沉陷变形主要是计算地表倾斜、地表水平变形等参数, 其计算公式为[3]

倾斜:undefined

曲率:undefined

水平变形:undefined

式中:Wmax为最大下沉值, mm, Wmax=qmcos α; r为主要影响半径, m;q为下沉系数;b为水平移动系数;m为矿体厚度, m;α为矿体倾角, (°) 。

4.2 评价参数的确定

利用概率积分法预计地表变形值时, 需要确定一定的参数, 研究中应仔细观测、计算。如果个别参数难以获得, 则应详细分析评估区条件, 参考相邻开采条件下的观测数据, 在综合分析的基础上, 依据有关规程[1], 按照开采覆岩的性质来确定采动下沉系数q, 主要影响角正切值tan β, 拐点偏移距d等经验系数。概率积分法参数经验取值见参考文献[4]。

4.3 采空区地表变形评价

为了评价采空区地表变形是否对玻璃工业园区产生的影响大小, 取-200 m水平开采的3层煤对地表产生的影响作为评价区。根据煤矿的地质条件及开采煤层的状况, 选取的计算参数见表3。

利用上述计算参数, 采用概率积分法计算出3层煤开采后的走向变形叠加影响, 根据沉陷变形值绘制沉陷影响等值线图和地表变形图, 见图23。

从图2可以看出, -200 m水平采空区引起的地表沉陷变形范围已波及到玻璃工业园区。如图3所示, 玻璃工业园区内所处地面最大水平变形εx不超过0.8 mm/m, 曲率Kx不超过0.008 (10-3m-1) , 倾斜Tx不超过0.5 mm/m。对照规定[1], 地表变形对园区内南部边界部分建筑物有影响, 其影响属于轻微损坏。

5 保护措施

在采空区上方及其附近进行工业园区的建筑物建设, 应对其地基稳定性进行相应的评价, 但由于采空区的沉陷具有不确定性, 还应采取相应的安全保护措施。

1) 设立保护矿柱[5], 开采禁止越过保护矿柱。目前该煤矿在-450 m水平进行开采, 为防止采空区引起的地表变形危及工业园区, 应设立保护矿柱, 保证开采工作面不越过保护矿柱, 使工业园区与开采边界有足够的安全距离。

2) 根据园区场地情况, 对拟建建筑物进行合理布置, 对有振动或对变形较敏感的精密仪器, 应尽可能布置远离采区的园区北部;同时在园区建设及生产期间, 应进行相应的地表变形监测工作, 以保证工业园区建筑及精密仪器生产线的安全。

6 结语

结合工程实例定性地评价了-200 m水平采空区对地表的影响, 从采空区移动时间效应考虑, 工作面采动后, 采空区经过多年沉陷变形, 基本处于稳定状态;利用“三带理论”对采空区的沉陷变形高度进行了计算, 采空区形成的垮落带和断裂带一般不会达到地表, 建筑物基础仍将位于完整岩层的上方。概率积分法定量评价结果表明, -200 m水平采空区对玻璃工业园区不会造成大的影响。工业园区在此基础上施工有关建筑物, 其地基是稳定的, 地表变形不会造成地面建筑物的破坏。

摘要：由于地下矿体的开采, 导致采空区上方地表及其附近出现沉陷变形, 为防止损坏地面建筑物, 需要对建筑物的地基进行稳定性评价。以玻璃工业园建筑工程地基稳定性的研究为例, 利用采空区沉陷的时间效应、三带理论对采空区上方及附近地基的稳定性进行定性评价;应用概率积分法对采空区的沉陷变形及影响范围进行了定量评价, 并对采空区上方建设建筑物提出了相应的安全保护措施。

关键词：采空区,稳定性评价,时间效应,三带理论,概率积分法

参考文献

[1]金连生, 牟金锁.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2000.

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采空区稳定性 第8篇

老采空区建筑地基稳定性评价在国内属于一个较新的课题。国内对于老采空区在建筑物荷载作用下的地基稳定性评价方面的研究成果较少, 张家口市乃至河北省这方面的研究成果则少之又少。

下花园煤矿是河北省煤矿采空区最发育的区域之一, 也是煤矿采空区进行工业建设的示范性区域之一, 故对下花园煤矿老采空区地基稳定性评价的研究是非常重要和迫切的。

下花园煤矿概述

该煤矿为向斜构造, 走向长5km, 倾向宽3km。下花园煤矿远在明朝时期就有记载, 由于古代开采设备和运输设备等条件有限, 当时只能在地表浅部开采。二十世纪六十年代至七十年代, 该煤矿处于规模开采期, 进入二十世纪八十年代, 玉带山矿也步入了晚期, 主要是在旧采区内进行复采。2001年10月底破产清算程序终结后, 下花园煤矿区底部为成片、多层采空区。

下花园煤矿玉带山矿井田范围西起涿鹿胡庄煤矿边界, 东至下花园发电厂保护煤柱, 北起洋河煤柱 (+420水平) , 南至Ⅲ组煤层露头, 面积15km2。生产能力0.6Mt/a。井田内共有三组可开采煤层, Ⅰ组煤层平均采厚3.39m, Ⅱ组煤层平均采厚1.7m, Ⅲ组煤层平均采厚5.51, 累计开采总厚度1.6~10.59m, 玉带山向斜北翼煤层倾向为135~180°, 倾角为18~70°, 玉带山向斜南翼煤层倾向为315~10°, 倾角22~65°。矿井开拓方式为斜井、暗斜井多水平石门开拓。采煤方式为走向长壁、巷道长壁、落垛采煤法, 全部塌落法管理顶板。

地层岩性

地层岩性

玉带山矿区范围内地层主要分布如下。

1.青白口系下马岭组 (Qnx) :总厚度450m。由紫色、绿色、灰色及杂色页岩组成, 页理发育, 与铁岭组呈假整合或不整合接触, 多为煤系地层基底。

2.侏罗系 (J)

由下花园组 (J1x) 和玉带山组 (J2y) 两部分组成, 本区平均厚590m。

1.下花园组 (J1x)

为主要含煤地层, 本组厚约151m, 可分为两段:

一段:主要岩性由深灰色粉砂岩、黏土岩组成, 间夹数层泥灰岩, 底部夹一层砂砾岩, 仅下花园北部有出露, 厚约52m。

二段:主要为含煤地层, 共含煤四组, 岩性以深灰色粉砂岩、砂页岩为主, 间夹炭质黏土岩及煤层, 总厚约99.14m。

2.玉带山组 (J2y)

本组地层与下花园组呈不整合接触, 总厚448m。分为四段:

一段:绿灰、褐灰等杂色砂砾岩, 间夹少量凝灰岩, 底部为1m左右底砾岩、层位不稳定, 西部缺失。

二段:以绿灰及褐灰色安山质角砾岩, 集块岩为主, 夹少量凝灰质砂岩及含砾粗砂岩, 厚约100m。

三段:绿灰, 灰白、肉红色凝灰熔岩, 绕玉带山山腰, 呈环状分布, 远看如玉带一般, 故称玉带山。本段总厚95m。

四段:绿灰及紫灰色安山集块岩, 厚153m。

3.全新统 (Q4)

主要分布于洋河两岸, 一般为冲积、洪积及淤积物、人类活动形成的人工堆积物, 厚约0~60m, 沉积物主要为石灰岩、凝灰岩、碎屑与黄土的混合物及淡黄色黄土与卵砾石互层。

岩浆岩

辉绿岩:呈岩墙或岩床侵入于下马岭页岩及下侏罗系煤系与中侏罗系火山岩系, 多沿层理或微斜交层理呈层状侵入。

采空区地基稳定性评价方法

老采空区上方修建建筑物的关键问题是对老采空区建筑地基的稳定性评价问题。目前, 国内外文献中有关老采空区建筑地基稳定性定量评价的方法主要为力系平衡法和附加应力法。

力系平衡分析法1

该法适用于小煤窑采空区地基稳定性的评价。

如图1所示, 取采空段 (巷道) 单位长度为计算单元, 矿层采空后其顶板岩块ABCD在重力和基底附加应力作用而下沉, 两边的楔体ABM和CDN也对其施以水平压力P。因此, 在AB和CD两个面上又受到因P的作用而产生的摩阻力f的抵抗。当顶板岩层恰好保持自然平衡时, 此时的深度称之为临界深度H0, 见式1。

式中B—巷道宽度 (m) ;

—岩层的重度 (k N/m) ;

P0—作用于基础底面平均附加应力, k N/m;

ϕ—岩层平均内摩擦角

当H<H0时, 地基不稳定;H0<H<1.5H时, 地基稳定性差;H>H0时, 地基稳定。

玉带山矿历史上有过小煤窑的开采, 主要分布于玉带山向斜的翼部, 开采深度一般小于50, 由于这些小窑开采不具有规律性、搜集资料困难, 勘察时应采用物探和钻探验证的方法查明采空区的分布, 进而采用力系平衡法来评价地基的稳定性。

附加应力法2

国内有学者提出了以建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带发育高度是否重叠来判断采空区地基的稳定性的方法3。

如图2所示, 冒落裂隙带发育高度与建筑物荷载影响深度之间存在3种情况。

(1) 当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面之间有一定的距离时 (图2a) , 建筑地基稳定。

(2) 当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面正好接触时 (图2b) , 这种情况为临界状态。

(3) 当建筑物荷载影响深度进入冒落裂隙带内时 (图2c) , 建筑地基不稳定。

建筑物荷载影响深度 (H影) 可取地基变形计算的深度, 地基变形计算深度分别按《岩土工程勘察规范》和《建筑地基基础设计规范》推荐的方法确定并取其较大者。《岩土工程勘察规范》确定的地基变形计算深度对中、低压缩性土可取附加应力等于上覆土层有效自重压力20%的深度;对于高压缩性土可取附加应力等于上覆土层有效自重压力10%的深度。《建筑地基基础设计规范》确定的地基变形计算深度按式2计算。

冒落裂隙带的高度可根据煤层的倾角采用不同的计算公式4。位于玉带山向斜轴部区域由于煤层倾角55~65°, 属于极倾斜煤层计算公式按式3。玉带山向斜中部及翼部区域其煤层倾角22~55°, 属于缓、中倾角煤层, 计算公式按式4计算。

式中:M为煤层开采厚度, m。

H为上下两煤层最小垂距, m。

±为中误差。

该法适用于玉带山矿区的大部分地段 (除小煤窑采空区地段) , 由于矿区范围覆岩基本为侏罗系砂页岩, 属于中硬岩层, 地基评价时按煤层倾角的不同采用不同的冒落裂隙带高度计算公式。

结语

(1) 文中介绍的方法以下花园煤矿玉带山矿为例, 在其它煤矿采空区地区也可适用。