枣庄市某高速公路服务区下伏煤矿采空区稳定性评价

2022-06-15冀立强郝明盛

西部探矿工程 2022年5期

冀立强，郝明盛

（山东省地矿工程勘察院，山东济南 250014）

枣庄市是山东省内主要产煤地区，也是全国重要的产煤基地，当地已探明煤矿区有68处[1]，经过多年的地下开采，形成了大面积的多层煤采空区。随着省内经济的飞速发展，山东省不断扩大高速路网体系，高速公路线路和服务区的选址位置有时不可避免地位于煤矿采空区影响范围内。

经过几十年的实践探索，我国在煤矿采空区稳定性评价方面的理论经验已达到国际领先水平[2]。汪吉林[3-4]等利用概率积分法评价了多煤层采空区的稳定性；童立元等[5-6]利用数值模拟方法，考虑不同地面建筑的特点，分析了多层煤采空区的危害；郭广礼等[7]利用力学解析方法研究了多层煤层采空区上覆岩层的稳定性；张宏贞等[8]采用神经网络模型模拟了煤矿采空区残余沉降系数。其中，采用概率积分法预测煤矿采空区地表残余变形值，参照行业相关规范对采空区进行定量评价的方法，已发展成为公认的最广泛、最成熟的煤矿采空区稳定性评价方法[9]。

本文以枣庄市某高速公路服务区为例，对研究区内下伏煤矿采空区分布、埋藏情况及顶底板岩性、采空区“三带”特征进行了系统研究，根据国标《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（规范[9]）中的要求，采用开采条件判别法和地表移动变形判别法对研究区下伏煤矿采空区的稳定性进行了综合评价。

1 研究区地质概况

1.1 地层分布

研究区地理位置属于枣庄市台儿庄区，位于京杭大运河南岸。研究区内总体地貌为黄河下游冲洪积平原，区内地势总体较为平坦，地形稍有起伏，平均海拔约34m。研究区为一埋藏式石炭—二叠系煤田，在地层区域上属华北地层大区，区内地表表层均被第四系（Q）覆盖，厚度一般4.50～21.50m，由棕黄色粉质粘土和含砂姜粉质粘土层组成；第四系下隐伏二叠系石盒子组（P1-2s）、山西组（P1s）及二叠—石炭系太原组（C2P1t）等含煤地层，该套地层由泥岩、粉砂岩、砂岩、石灰岩及多层薄层煤组成一套泥炭沼泽相沉积旋回，煤层仅部分可采，部分煤层被燕山期侵入岩侵蚀吞没。

1.2 构造特征

研究区所在大地构造上为一向北北东倾斜的大型单斜构造，地层总体走向近东西向，倾向近于正北向，地层倾角8°～15°，浅部分布次一级小型褶皱，褶皱发育不明显，煤层底板等高线略有起伏。该区域内主要发育三组断层：北东向、近东西向、北西向断层，落差超过15m的断层有8条，均为正断层（图1）。

1.3 煤层特征

研究区可采煤层分布在二叠系山西组（P1s）及石盒子组（P1-2s）含煤地层内，含煤地层总厚度约为390m，纯煤平均总厚度为6.50m，含煤系数为1.7%。区内地层包含5 层可采煤层，主要可采煤层共3 层，分别为柴煤2、2煤和3-1煤。

柴煤2煤层分布较稳定，但结构复杂，仅局部可采，平均厚度小于1.0m；2煤煤层结构复杂，被岩浆岩侵蚀成天然焦或吞没，平均厚度约2.5m，为不稳定但可采的中厚煤层；3-1煤大部分被岩浆岩侵蚀，仅少量钻孔揭露，残存伪厚0～3.55m，煤层结构简单，成分均为天然焦。

2 采空区分布情况

区内煤矿于2007 年停止开采，终采时间距今已超过13年。2009年，研究区外围农田内发生过小面积的地面塌陷，于当年将塌陷坑回填并平整，以后区内及附近其他地段未发生地面裂缝及地面塌陷现象。分析研究区内煤田详查地质报告及煤矿储量核查报告，掌握了区内下伏柴煤2、2 煤和3-1 煤煤层采空区的基本特征(表1)。

表1 采空区分布特征一览表

3 采空区“三带”特征

煤矿采空区覆岩的破坏类型可分为垮落带、断裂带和弯曲带，统称为采空区“三带”，为了摸清各煤层采空区“三带”发育特征，在前期研究的基础上先后进行了物探和钻探工作。

实验组经新辅助放化疗后，CR 9例，PR 29例，PD 3例，SD 12例；新辅助放化疗前后患者临床分期变化情况。化疗前：Ⅱ期 34例，Ⅲ 19例；化疗后：Ⅰ期 24例，Ⅱ期 25例，Ⅲ 4例。见表1。

3.1 CSAMT法解译特征

根据煤层采空区与周边岩石地层的电性差异特征，采用了可控源大地音频电磁法（CSAMT 法）对研究区下伏的煤层采空区进行了物探勘查。研究区内地下水位埋深常年在3.5m 左右，表明深部各煤层采空区均充水，根据CSAMT 法的解译结果，研究区地下-200～-300m之间电阻率小于250Ω·m，存在明显的低电阻异常，具明显的充水电性反映，据此可推测该异常为深部2 煤及3-1 煤采空区及“三带”充水引起的电性异常（图2）。

图2 CSAMT法电阻率异常解译图

3.2 钻孔揭露采空区特征

根据物探解译情况，结合拟建建筑的特点，在区内拟建高层建筑位置布置了3 个勘察钻孔（ZK1、ZK2、ZK3）。3 个钻孔均揭露了柴煤2 采空区，ZK3 揭露了2 煤及3-1煤采空区。钻孔钻进至各煤层采空区时均可见岩芯破碎、见煤渣、钻孔漏水、进尺加快等现象；揭露各煤层采空区可见不同程度的充填情况，充填物主要为细砂岩、粉砂岩碎块，夹少量煤渣及煤矸石碎块，揭露各采空区顶板岩性为碎块状—短柱状的粉砂岩及细砂岩，钻孔揭露采空区已基本塌落密实，“三带”分带特征不明显（表2、图3）。

表2 钻孔揭露采空区详情一览表

4 采空区稳定性评价

目前，国内煤矿采空区稳定性评价均按规范[9]进行。煤矿采空区稳定性评价工作，一般采用开采条件判别法等定性方法进行初步评价，然后利用数据计算采空区地表移动变形值进行定量评价，并按稳定等级、基本稳定等级和不稳定等级进行划分。

4.1 开采条件判别法

开采条件判别法的判别依据一般在调查研究的基础上，利用工程比较和邻区以往的经验，综合多个评价因素进行判别，以采空区最终开采时间为主要因素，并采用地表移动变形特征、采空区覆岩类型及地表松散土层厚度等评价因素进行综合判别。

4.1.1 按终采时间判别

根据规范[9]的相关要求，当煤层平均开采深度小于400m时，地表移动的持续时间可通过以下公式进行计算：

式中：T——地表移动延续时间，d；

H0——煤矿平均开采深度，m。

研究区内采空区埋深为30～430m，平均埋深267m，代入上述公式计算后，得知区内地表变形移动延续时间为668d（1.83 年）。该地区内的煤层2007 年停止开采，距今已有13年。可以确定地表移动变形已进入了残余变形期，地表基本处于稳定状态，根据规范[9]要求，按采空区最终开采时间可判定区内采空区的稳定性等级为稳定。

4.1.2 按变形特征判别

现场勘察结果表明，该地区部分区域于2009 年发生过小面积的地面塌陷，此后区内未发生地面裂缝及地面塌陷现象。区内地表变形情况处于稳定阶段，表现为连续变形，根据规范[9]的要求，按地表移动变形特征可判定区内采空区的稳定性等级为稳定。

4.1.3 按顶板岩性及松散层厚度判别

区内表层第四系松散土层平均厚度为10.20m。本次施工钻孔揭露柴煤2的顶板岩性为灰黑色细砂岩、粉砂岩，岩石较完整—较破碎，局部可见裂隙发育，平均厚度8.80m，抗压强度21.3～37.9MPa，为较软岩—较坚硬岩；揭露2煤的顶板岩性为灰白色细砂岩、粉砂岩，岩石较完整，平均厚度9.70m，抗压强度36.8～38.9MPa，为较坚硬岩；揭露3-1煤顶板岩性为灰黑色粉砂岩、细砂岩，岩石较完整，平均厚度9.18m，抗压强度20.4～38.9MPa，为较软岩—较坚硬岩。根据规范[9]的要求，按采空区顶板岩性及表层松散土层厚度可确定采空区稳定性为基本稳定。