轨道交通勘察对煤矿采空区稳定性评价解析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 03 日 作者简介：覃建兴（1989），男，壮族，广西柳江人，本科，北京城建勘测设计研究院有限责任公司南宁分院，中级工程师，研究轨道交通以及市政工程勘察。-188-轨道交通勘察对煤矿采空区稳定性评价解析 覃建兴1 梁 波2 1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司南宁分院，广西 南宁 530000 2.南宁市勘测设计研究院集团有限公司，广西 南宁 530000 摘要：摘要：煤矿采空区稳定性评价是轨道交通勘察的一个重要研究领域。随着城市规模扩大，轨道交通穿越采空区的问题日益凸显。作为一种不良地质作用，采空区稳定性关系到轨道交通的可行性。目前对于采空区稳定性对轨道交通影响的研究相对较少，因此有必要对煤矿采空区稳定性进行研究，并评估其对轨道交通的影响。本文旨在通过对采空区稳定性评价以及轨道交通与采空区相互影响的分析，探讨采空区稳定性评价方法，并进行案例分析验证。通过本研究，可为煤矿采空区稳定性评估提供参考，为轨道交通勘察提供评价依据。关键词：关键词：煤矿采空区；轨道交通；稳定性评价；变形；影响 中图分类号：中图分类号：TD325 0 引言 本文旨在评估煤矿采空区的稳定性对轨道交通的影响。首先，通过对煤炭采空区的相关概述，了解采空区成因类型、变形特征和影响因素。其次，探讨轨道交通与采空区变形的相互作用。最后，通过介绍采空区稳定性评价方法及结合南宁轨道交通*号线北延工程案例分析，提供科学可行的评价方法，为轨道交通勘察中采空区稳定性评估提供参考。本研究的意义在于为煤矿采空区的稳定性评估提供理论和实践指导，为轨道交通中的采空区问题提供参考依据，保障轨道交通的建设与运行。1 采空区的相关概述 采空区在勘察中被视为一种不良地质条件，煤炭采空区指在煤矿开采过程中，采取煤炭后形成的空洞区域。其形成的影响因素有煤层结构、煤层地质条件、采煤方法。根据开采规模、形式、时间、采深及煤层倾角等又可以对煤矿采空区进行如下划分：考虑煤层倾角可分急倾斜、倾斜、水平缓倾斜采空区。考虑开采形式可分房柱式、条带式、短壁式、长壁式开采。考虑开采规模可分小窑、大面积采空区。考虑开采时间可分老采空区、新采空区、未来采空区。考虑采深采厚比可分浅层、中深层、深层采空区。2 采空区稳定性问题 采空区稳定性问题是指采空区的变形和破坏现象对周边既有、拟建建（构）筑物的影响问题。采空区变形方式主要包括下沉、断裂和塌陷等。2.1 采空区地表变形的特征 对地下煤矿层进行开采之后，上部的岩土层没有了支撑，岩层内应力分布情况产生变化，破坏了原始平衡条件，当超过平衡极限，先由采空区顶板的塌落弯曲，发展到地表以后形成地表移动盆地。由于岩土层破裂角的存在，盆地范围比采空区更大。从移动盆地中心点到边缘可分为中间区（平坦无变形）、内边缘区（地表呈凹面状，压缩变形）、外边缘区（地表呈凸面状，拉张变形）。一般来说，沿矿层走向移动盆地对称于采空区。沿矿层倾向盆地中心点向倾向方向上偏移，移动盆地非对称于采空区。根据煤层倾角大小划分三种地表移动盆地模型，特征分别有：倾角55，大倾角或急倾导致的偏移，使移动盆地的中心点与采空区中心点更加不对称。下山方向移动盆地下边界偏离开采范围很远，而上山方向移动盆地上边界影响范围则达到矿层底板的岩层。移动盆地底板的水平移动最大值大于下沉变形最大值，最大下沉角15。最大下沉值向采空区下边界偏移。2.2 采空区地表变形影响因素 采空区地表变形影响因素一般有四大类，分别有：岩性因素：岩石的软硬程度是采空区地表变形的主要因素。一般来说，在没有控制性的裂隙构造的情况下，岩质越硬，采空区上覆岩体抗变形能力越强，岩质越软弱，采空区上覆岩体抗变形能力越弱。若上覆岩层强度高，需要采空面积够大，时间够长，超过极限平衡状态才会出现地表变形。若上覆岩层强度低，破坏作用很快超过过极限平衡状态，导致变形速度快而且地表变形较大。脆性岩层抗拉强度低，地表容易出现裂缝。塑性高且厚度大的软质岩，会冲掩下部相对硬质岩石。上覆软弱岩层厚度小，则会很快出现地表裂缝。若软硬岩层相互交错并且倾角较陡，层间由结合面粘聚力、内摩擦角控制的抗滑力小于岩体重力在倾向上的分力，则常常会出现层离的现象。地表厚层第四纪堆积物，地表变形值大，但呈现均匀而平缓的现象。矿层因素：考虑矿层倾角、厚度、埋深等情况。一般倾角越大，上覆岩土体重力沿倾角方向的分力越容易克服矿层之间的抗滑力，使得水平移动值越大，地表越可能出现裂缝，地表移动盆地中心点与采空区的中心点偏移更大；矿层埋深越大伴随着开采深度越大，变形沿破裂角发育，传递到地表需要的时间就会越长，变形值越小，地表移动盆地范围越大。矿层厚度越大，本属于有利因素，但此情形必然会使采空的空间越大，从而使地表的变形值越大。构造因素：断层面一般夹杂软弱的断层泥，相对于两侧岩体而言，强度是很低的。采动一旦涉及断层带，断层构造破坏地表的作用一般要大于其他因素，控制地表变形并改变地表移动盆地大小、位置。岩层节理裂隙构造越发育，会使变形越快，变形范围和地表裂缝区越大。开采条件因素：煤层开采既是以破坏岩土体内应力平衡为前提条件的，当工作面推进速度越快、采空区面积越大，均使变形速度、地表变形越大。顶板管理办法、保护煤柱留置情况亦能起到影响作用。地下水因素：地下水活动是所有工程都应重视的安全因素，在采空区能起到加剧地表变形作用，加快变形速度，使地表变形范围扩大。综上所述，采空区的变形受到多种因素的综合影响，需全面考虑这些因素，才能科学评估采空区的稳定性，为轨道交通建设提供可靠依据。3 轨道交通与采空区影响分析 3.1 轨道交通对采空区的影响 首先，轨道交通建设对采空区的稳定性产生直接影响，由于采空区这种不良地质条件的存在，轨道交通建设需要进行地下开挖和支护，施工动载和地铁结构的附加荷载会导致采空区应力变化，影响采空区的稳定性，加剧地表变形。其次，轨道交通在运营过程中，地铁车组的行驶动载会进一步加剧采空区的变形。此外，轨道交通还会对采空区周边的地下水位和地下水流动产生影响，进而影响采空区的稳定性。3.2 采空区变形对轨道交通的影响 首先，采空区的地表沉降和变形，对轨道交通线路和设施造成不利影响。地表沉降导致轨面高程变化，引起轨道变形，影响地铁列车的运行安全。其次，采空区变形可能导致轨道基础的沉降和破坏，进而影响轨道的稳定性和使用寿命。而且，采空区的变形还可能对轨道交通的地基稳定性造成威胁，地基承载力不足会使轨道交通主体结构和轨面结构产生一系列问题。此外，采空区的变形还可能引发地下水位变化和水文地质问题，这将对轨道交通排水系统和地下结构造成不利影响。水文地质问题的出现还可能导致隧道渗漏和涌水。综上所述，采空区稳定性对轨道交通有直接而重要影响。城市轨道交通规划和建设必须要充分考虑采空区潜在的变形问题，采取科学合理的措施以保证轨道的安全稳定。4 采空区稳定性评价 一般采用定性评价与定量评价相结合的方法进行煤矿采空区场地稳定性综合评价。定性评价主要考虑的因素有采空区类型、顶板岩性、开采方式、顶板管中国科技期刊数据库 工业 A-190-理、终采时间等。定量评价主要考虑因素有覆盖层厚度、采深采厚比、地表移动变形特征、煤柱稳定性等。4.1 采空区稳定性评价的方法（1）地表移动变形判别法：属于定量评价的办法，适用于开采顶板垮落充分且规则，基本不再发生地表持续变形的采空区场地稳定性评价，应当通过现场实际的变形监测数据加以正确的计算地表变形预测值作为判别依据。（2）开采条件判别法：属于定性评价的办法，适用于大多数类型采空区场地稳定性评价，可用工程类比法以及本地经验判别。无当地经验时，可以根据搜集的采厚深度值计算的地表移动延续时间 T 和终采时间 t 作为主要参考因素判别采空区场地的稳定性。（3）煤柱稳定分析法：适用于煤矿的单一巷道、房柱、穿巷等采空区场地稳定性评价，属于定量评价的方法。应按国家规范煤矿采空区岩土工程勘察规范GB51044-2014 附录 K 计算煤柱安全稳定性系数并判别场地稳定性等级。4.2 采空区稳定性评价案例分析 采空区稳定性评价案例分析是本论文的重要部分，通过对实际案例的分析，可以更加深入地了解采空区稳定性对轨道交通建设的评估。本部分将选择南宁轨道交通*号线北延工程的具体案例进行分析。（1）拟建工程概况 南宁轨道交通*号线北延工程西起既有金桥客运站，东至嘉和城站，地下线 2.3km，高架线 5.9km。初近远期采用 B 型车 6 辆编组。根据搜集的岩土工程勘察报告，拟建北延工程场地工程地质条件主要为第四系地层残坡积（Q4el+dl）黏性土层，基岩为古近系中统（E2）成岩程度较低的且具有高塑性低液性的半成岩（粉砂质泥岩、炭质泥岩、煤层等）。（2）煤矿采空区概况 拟建工程部分地下工程涉及已关停的南宁市兴宁区二塘煤矿，采空区移动盆地边界影响自北延工程起点至 K36+130。开采方法为以斜井开拓，顶板管理方法为全部陷落法，主井断面 5.8m2，副井断面 3.7m2，煤层顶板以泥岩为主，采深20210m，采厚为0.71.9m，平均厚度 1.1m，倾向北西，倾角 57。二塘煤矿始采于 20 世纪 60 年代，关停于 2002 年 11 月，距今已 20 年有余。（3）采空区地面变形计算 采空区地面变形定量计算主要有四种方法，而我国国内一般常用的计算方法为概率积分法，由实际监测量的数据资料为计算依据，以正态分布函数作为变形计算影响函数，以二重积分式表示地表移动盆地边界条件。图 1 地面变形计算模型 根据图 1 计算模型及搜集的监测数据，取里程K35+342 附近地面 A、B、C 三点作为监测前参考点，A、B、C为变形监测终止后的相应位置，lAB为 AB 两点 间 距，lBC为BC两 点 间 距，水 平 变 形mmml/13.1/，倾斜变形mmml/34.4/i，mmmlBCBCBC/51.1/i,mmmi/83.2，曲率mliiBCAB/1055.0/K3-21B）（，曲率半径31082.1/1000BBKR。二塘煤矿采空区煤层倾角 57，地面主要影响半径mHr8.41tan/，地表最大下沉值mmqMWcm5.76cos，最大水平移动值mmWPbUcmcm60.17)7.0(0，最大倾斜变形值mmmrWicmcm/83.1/，最 大 曲 率 变 形 值mrWcmcm/1007.0/52.1k32，最大水平变形值mmmrWbcmcm/83.0/52.1。按地表移动变形值确定场地稳定性为基本稳定，残余变形值对工程影响程度中等。煤柱稳定分析法，根据勘察成果和开采因素，采用条带式开采，煤柱稳定性系数=01(+)=1.54，满足 1.2KP2，可以判断基本稳定。计算地表移动延续时间 T=2.5H0=287.5d，终采时间 t=20365=7300d，满足判定条件 t1.2T 且 t730d，可以判断采空区场地稳定性等级为稳定。综上，案例中二塘煤矿采空区稳定性按最不利原则可综合判为基本稳定。按场地稳定性及工程重要性中国科技期刊数据库 工业 A-191-等级，南宁市轨道交通*号线北延工程对变形要求高，重要性等级高，采空区对工程影响程度为大中等。兴宁区二塘煤矿采空区垮落裂隙带基本密实，对轨道交通*号线北延工程影响中等；轨道交通*号线北延工程的建设对兴宁区二塘煤矿采空区稳定性影响中等。采取规划、建筑、结构、地基处理等措施可以控制兴宁区二塘煤矿采空区残余变形对轨道交通*号线北延工程的影响。即使需要进行地基处理，处理难度小且造价较低，兴宁区二塘煤矿采空区的场地对轨道交通建设适宜性为基本适宜。地面、建筑物无开裂，地表不再发生不连续变形，兴宁区二塘煤矿采空区活化的可能性小，邻近同类型采空区场地有南宁市轨道交通*号线一期项目既有金桥客运站的成功经验，采用工程类比法定性分析采空区对工程的影响程度小。5 总结 通过对采空区不良地质稳定性评价方法的选择和对采空区稳定性评价指标的确定以及案例模型的应用计算，在轨道交通岩土工程勘察中对采空区的稳定性进行评估，得出该采空区在地铁建设中的稳定性评价结果，进一步评价采空区对轨道交通建设的影响程度和适宜性。通过对轨道交通建设中的采空区稳定性评价的案例分析，可得出结论：采空区的稳定性对轨道交通建设具有重要影响，需要采取规划、建筑、结构、地基处理等措施控制采空区残余变形对轨道交通工程的影响，此外还需采取监测措施，对出现的变形异常及时处理，以确保地铁建设安全和运行稳定。参考文献 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