郑州至宝旗煤矿1#矿斜交煤矿采空区地质特征及稳定性评价

郑州至宝旗煤矿1#矿斜交煤矿采空区地质特征及稳定性评价

郑州至石渠公路与宝旗煤矿1#矿斜交。由于交叉口和附近其他矿山的限制，该公路无法绕过。由于煤矿采空区可能会导致高速公路路基塌陷,影响高速公路的稳定,需要对煤矿采空区进行定性、定量评价。一、土地形态煤矿区属于平原区,地势平坦开阔,为近代河流带状冲洪积平原。二、图像的条件该区属于温带大陆性质半湿润半干旱季风气候区,四季分明。多年平均降雨量701.9mm。三、地层岩性地表为第四系粘土、粉土、砂卵石层,厚度约为70m,以下为二叠系——石炭系的砂页岩、砂岩、页岩夹煤层。四、区域地质结构主要构造有汝州至宝丰坳断盆地,新安至平顶山断裂,九里山逆断层和九皋山至温泉断裂。这些断裂属于活动断裂,但近期活动较弱。五、地震煤矿区地动峰值加速度为0.05g,相当于地震基本烈度Ⅵ度。六、条件水条件本区的地下水主要以松散岩类孔隙水为主,未见地表水。七、铁路和矿区之间的关系高速公路以路基形式从煤矿采空区上部通过,路基填土高度为4.8m,路基面宽度为26m,路基底面宽为40m。八、煤矿区域地下采空区的稳定性评价1.定性评价本煤矿区的砂页岩夹煤层的承载能力较小,在该岩层的下部出现大面积的空洞时,可能因岩层不能自持而造成地表的沉陷。2.采空区安全评价问题由于煤矿巷道及采空区对路基稳定性影响相对较大,这里重点针对煤矿厂的巷道及采空区进行安全开采深度、路基地基稳定性评价以及坍塌安全距离的评价。(1)采空区采空后围岩应力的变化矿层未开采前岩体内部的应力是平衡的,一般情况下,只存在垂直压应力和水平压应力,计算式如式(1)及式(2)。σz—垂直压应力(kPa);σx、σy—水平压应力(kPa);γ—上覆岩层重度(kN/m3);H—矿层顶板埋深(m);φ—岩层的内摩擦角(°)。其中,土层的φ取为25°,岩层的φ取为35°,其他计算参数参照表1,将这些计算参数代入上面两个公式,得:矿层采空后,围岩应力发生变化,采空区不同部位的所受应力的性质和种类均不同。顶板的塌落一般是受拉应力作用,巷道侧壁主要受压应力的作用,巷道四角则受剪应力的作用。(2)采空区顶板方面的验算(1)类比公路路基设计规范(JTGD30—2004)中的岩溶地区路基中的溶洞顶板的安全厚度的叙述,当顶板的厚度与路基跨越洞室的长度之比大于0.8时,洞室的顶板岩层可不作处理”。此处煤矿采空区埋深为100m,土层埋深在70m左右,也即地下采空区的顶板厚度为30m,采空区宽度取为10m,因此该采空区的顶板厚度与宽度之比为3.0,大于0.8,满足规范中岩溶的顶板厚度与路基跨越洞室的长度之比大于0.8的可不做处理的要求。(2)小型采空面距离地表较近,矿层采空后如图3所示,其顶板岩块ABDC因重力G的作用将会下沉。两边的楔形体ABM和CDN也对其施加水平应力P。因此,在AB和CD两个面上将存在因P的作用而产生的摩阻力F。取采空段以下以巷道单元长度为计算单元体,则作用在巷道顶板上的压力将按式(3)计算。式中,Q—巷道单位长度顶板上所受的压力(kN/m);G—巷道单位长度顶板上岩层的总重力,设巷道宽度为2a,则G=γ×H×2a(kN/m);F—巷道单位长度侧壁的摩阻力(kN/m),F=P×tanφ,其中P为楔形体ABM和CDN作用在AB或CD面上的主压应力,当取其最大值时,P=[γH2tan2(45°-φ/2)]/2则式(3)为:由式(8-4)知,当H达到某一深度时,顶板上方岩层的自供力恰好能保持自然平衡而不塌陷,这时的H即为临界深度H0,则:取煤矿厂采空区的宽度的范围值为3~10m,则:当a取1.5m即当巷道宽度为3m时,H0=15.6m当a取5m即当采空区宽度为10m时,H0=52.1m;(3)如果把巷道及地下采空区上面的岩层看作是完整顶板,就可以按照完整顶板厚度计算模型来进行计算,截取1m单位长度的路基及以下的地层作为计算单元,计算模型中把作用于巷道顶板的荷载简化为路基重力、土层重力、岩层重力。见图4。计算中采用的参数见表1。由力学平衡关系式,Q1+Q2+Q3=τ×L×H,得:安全顶板厚度H=(Q1+Q2+Q3)/(τ×L)(6)式中,Q1、Q2、Q3,分别为路基、粘土层、岩体层作用于煤矿巷道顶部的重力,考虑到保守计算原则,采用宽度为巷道宽度b的柱形模型估算采空区承受上部地层重力。L为路基下巷道的平面周长,m,L=2(B+b)。将以上式子带入公式(6),得:H=(γ路×B×h路+γ土×B×h土+γ岩×B×h岩)×根据钻孔资料,地表以下70m开始出现较完整的基岩,也即巷道的完整顶板厚度为30m,大于临界顶板厚度16m。(4)按照松散层洞穴顶板坍塌高度估算巷道安全顶板厚度在松散土层中洞穴未坍塌时,相当于天然拱处于平衡的状态,如发生坍塌时则形成破裂拱。破坏拱以上的土体重量因拱的作用由拱自身承担,其上可视为平衡状态,计算模型示意见图5。根据M·M普洛特尼可夫的松散介质平衡理论,可得出破坏拱高公式(7):式中,h—破坏拱高度,m;h0—洞穴高度,m;b—洞穴宽度之半,m;φ—松散层的内摩擦角,°;α——摩擦角有关的系数,α=1/tgφ。煤矿厂的巷道正在进行第一层煤层的开采,深度为100m,如果把巷道煤层以上的砂页岩岩体层也看成是松散介质的话,根据以上公式便可以计算出巷道顶板的安全厚度。为了求出地下采空区的顶板厚度的极大值,这里把地下采空区以上的地层全部看成是松散介质。计算参数见表2。将计算参数代入公式(7),将上面四种安全开采深度计算方法的结果列入表3,由表3可以看出,四种计算开采安全深度的结果差别较大,但标明煤矿都是稳定的。总得来说,采用完整顶板概念法计算得出的结果小,与实际情况也是相差最大,该值忽略了结构面的存在,是最不保守的计算方法;普氏松散介质平衡拱理论法把岩土层都看为松散介质,是比较保守的计算方法,其结果有一定的借鉴意义。(3)采空区临界深度确定当建筑物已修建于小型采空区的影响范围以内时,设建筑物基地的单位压力为R(kN/m2),则采空段顶板上的压力Q为:当H大到某一深度时,Q即为0,代入上式,即得相应的临界深度H0:其中,R=γ路h路,γ路取为20kN/m3,h路取为4.9m,即R=98kN/m2。代入式(8)得:当a取1.5