冀立強(qiáng)，郝明盛

（山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014）

棗莊市是山東省內(nèi)主要產(chǎn)煤地區(qū)，也是全國(guó)重要的產(chǎn)煤基地，當(dāng)?shù)匾烟矫髅旱V區(qū)有68處[1]，經(jīng)過多年的地下開采，形成了大面積的多層煤采空區(qū)。隨著省內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，山東省不斷擴(kuò)大高速路網(wǎng)體系，高速公路線路和服務(wù)區(qū)的選址位置有時(shí)不可避免地位于煤礦采空區(qū)影響范圍內(nèi)。

經(jīng)過幾十年的實(shí)踐探索，我國(guó)在煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的理論經(jīng)驗(yàn)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[2]。汪吉林[3-4]等利用概率積分法評(píng)價(jià)了多煤層采空區(qū)的穩(wěn)定性；童立元等[5-6]利用數(shù)值模擬方法，考慮不同地面建筑的特點(diǎn)，分析了多層煤采空區(qū)的危害；郭廣禮等[7]利用力學(xué)解析方法研究了多層煤層采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性；張宏貞等[8]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬了煤礦采空區(qū)殘余沉降系數(shù)。其中，采用概率積分法預(yù)測(cè)煤礦采空區(qū)地表殘余變形值，參照行業(yè)相關(guān)規(guī)范對(duì)采空區(qū)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法，已發(fā)展成為公認(rèn)的最廣泛、最成熟的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[9]。

本文以棗莊市某高速公路服務(wù)區(qū)為例，對(duì)研究區(qū)內(nèi)下伏煤礦采空區(qū)分布、埋藏情況及頂?shù)装鍘r性、采空區(qū)“三帶”特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，根據(jù)國(guó)標(biāo)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（規(guī)范[9]）中的要求，采用開采條件判別法和地表移動(dòng)變形判別法對(duì)研究區(qū)下伏煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層分布

研究區(qū)地理位置屬于棗莊市臺(tái)兒莊區(qū)，位于京杭大運(yùn)河南岸。研究區(qū)內(nèi)總體地貌為黃河下游沖洪積平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體較為平坦，地形稍有起伏，平均海拔約34m。研究區(qū)為一埋藏式石炭—二疊系煤田，在地層區(qū)域上屬華北地層大區(qū)，區(qū)內(nèi)地表表層均被第四系（Q）覆蓋，厚度一般4.50～21.50m，由棕黃色粉質(zhì)粘土和含砂姜粉質(zhì)粘土層組成；第四系下隱伏二疊系石盒子組（P1-2s）、山西組（P1s）及二疊—石炭系太原組（C2P1t）等含煤地層，該套地層由泥巖、粉砂巖、砂巖、石灰?guī)r及多層薄層煤組成一套泥炭沼澤相沉積旋回，煤層僅部分可采，部分煤層被燕山期侵入巖侵蝕吞沒。

1.2 構(gòu)造特征

研究區(qū)所在大地構(gòu)造上為一向北北東傾斜的大型單斜構(gòu)造，地層總體走向近東西向，傾向近于正北向，地層傾角8°～15°，淺部分布次一級(jí)小型褶皺，褶皺發(fā)育不明顯，煤層底板等高線略有起伏。該區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育三組斷層：北東向、近東西向、北西向斷層，落差超過15m的斷層有8條，均為正斷層（圖1）。

1.3 煤層特征

研究區(qū)可采煤層分布在二疊系山西組（P1s）及石盒子組（P1-2s）含煤地層內(nèi)，含煤地層總厚度約為390m，純煤平均總厚度為6.50m，含煤系數(shù)為1.7%。區(qū)內(nèi)地層包含5 層可采煤層，主要可采煤層共3 層，分別為柴煤2、2煤和3-1煤。

柴煤2煤層分布較穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅局部可采，平均厚度小于1.0m；2煤煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，被巖漿巖侵蝕成天然焦或吞沒，平均厚度約2.5m，為不穩(wěn)定但可采的中厚煤層；3-1煤大部分被巖漿巖侵蝕，僅少量鉆孔揭露，殘存?zhèn)魏?～3.55m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成分均為天然焦。

2 采空區(qū)分布情況

區(qū)內(nèi)煤礦于2007 年停止開采，終采時(shí)間距今已超過13年。2009年，研究區(qū)外圍農(nóng)田內(nèi)發(fā)生過小面積的地面塌陷，于當(dāng)年將塌陷坑回填并平整，以后區(qū)內(nèi)及附近其他地段未發(fā)生地面裂縫及地面塌陷現(xiàn)象。分析研究區(qū)內(nèi)煤田詳查地質(zhì)報(bào)告及煤礦儲(chǔ)量核查報(bào)告，掌握了區(qū)內(nèi)下伏柴煤2、2 煤和3-1 煤煤層采空區(qū)的基本特征(表1)。

表1 采空區(qū)分布特征一覽表

3 采空區(qū)“三帶”特征

煤礦采空區(qū)覆巖的破壞類型可分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，統(tǒng)稱為采空區(qū)“三帶”，為了摸清各煤層采空區(qū)“三帶”發(fā)育特征，在前期研究的基礎(chǔ)上先后進(jìn)行了物探和鉆探工作。

實(shí)驗(yàn)組經(jīng)新輔助放化療后，CR 9例，PR 29例，PD 3例，SD 12例；新輔助放化療前后患者臨床分期變化情況?；熐埃孩蚱?34例，Ⅲ 19例；化療后：Ⅰ期 24例，Ⅱ期 25例，Ⅲ 4例。見表1。

3.1 CSAMT法解譯特征

根據(jù)煤層采空區(qū)與周邊巖石地層的電性差異特征，采用了可控源大地音頻電磁法（CSAMT 法）對(duì)研究區(qū)下伏的煤層采空區(qū)進(jìn)行了物探勘查。研究區(qū)內(nèi)地下水位埋深常年在3.5m 左右，表明深部各煤層采空區(qū)均充水，根據(jù)CSAMT 法的解譯結(jié)果，研究區(qū)地下-200～-300m之間電阻率小于250Ω·m，存在明顯的低電阻異常，具明顯的充水電性反映，據(jù)此可推測(cè)該異常為深部2 煤及3-1 煤采空區(qū)及“三帶”充水引起的電性異常（圖2）。

圖2 CSAMT法電阻率異常解譯圖

3.2 鉆孔揭露采空區(qū)特征

根據(jù)物探解譯情況，結(jié)合擬建建筑的特點(diǎn)，在區(qū)內(nèi)擬建高層建筑位置布置了3 個(gè)勘察鉆孔（ZK1、ZK2、ZK3）。3 個(gè)鉆孔均揭露了柴煤2 采空區(qū)，ZK3 揭露了2 煤及3-1煤采空區(qū)。鉆孔鉆進(jìn)至各煤層采空區(qū)時(shí)均可見巖芯破碎、見煤渣、鉆孔漏水、進(jìn)尺加快等現(xiàn)象；揭露各煤層采空區(qū)可見不同程度的充填情況，充填物主要為細(xì)砂巖、粉砂巖碎塊，夾少量煤渣及煤矸石碎塊，揭露各采空區(qū)頂板巖性為碎塊狀—短柱狀的粉砂巖及細(xì)砂巖，鉆孔揭露采空區(qū)已基本塌落密實(shí)，“三帶”分帶特征不明顯（表2、圖3）。

表2 鉆孔揭露采空區(qū)詳情一覽表

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

目前，國(guó)內(nèi)煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)均按規(guī)范[9]進(jìn)行。煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作，一般采用開采條件判別法等定性方法進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，然后利用數(shù)據(jù)計(jì)算采空區(qū)地表移動(dòng)變形值進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并按穩(wěn)定等級(jí)、基本穩(wěn)定等級(jí)和不穩(wěn)定等級(jí)進(jìn)行劃分。

4.1 開采條件判別法

開采條件判別法的判別依據(jù)一般在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，利用工程比較和鄰區(qū)以往的經(jīng)驗(yàn)，綜合多個(gè)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行判別，以采空區(qū)最終開采時(shí)間為主要因素，并采用地表移動(dòng)變形特征、采空區(qū)覆巖類型及地表松散土層厚度等評(píng)價(jià)因素進(jìn)行綜合判別。

4.1.1 按終采時(shí)間判別

根據(jù)規(guī)范[9]的相關(guān)要求，當(dāng)煤層平均開采深度小于400m時(shí)，地表移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：T——地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間，d；

H0——煤礦平均開采深度，m。

研究區(qū)內(nèi)采空區(qū)埋深為30～430m，平均埋深267m，代入上述公式計(jì)算后，得知區(qū)內(nèi)地表變形移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為668d（1.83 年）。該地區(qū)內(nèi)的煤層2007 年停止開采，距今已有13年?？梢源_定地表移動(dòng)變形已進(jìn)入了殘余變形期，地表基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)規(guī)范[9]要求，按采空區(qū)最終開采時(shí)間可判定區(qū)內(nèi)采空區(qū)的穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

4.1.2 按變形特征判別

現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果表明，該地區(qū)部分區(qū)域于2009 年發(fā)生過小面積的地面塌陷，此后區(qū)內(nèi)未發(fā)生地面裂縫及地面塌陷現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)地表變形情況處于穩(wěn)定階段，表現(xiàn)為連續(xù)變形，根據(jù)規(guī)范[9]的要求，按地表移動(dòng)變形特征可判定區(qū)內(nèi)采空區(qū)的穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

4.1.3 按頂板巖性及松散層厚度判別

區(qū)內(nèi)表層第四系松散土層平均厚度為10.20m。本次施工鉆孔揭露柴煤2的頂板巖性為灰黑色細(xì)砂巖、粉砂巖，巖石較完整—較破碎，局部可見裂隙發(fā)育，平均厚度8.80m，抗壓強(qiáng)度21.3～37.9MPa，為較軟巖—較堅(jiān)硬巖；揭露2煤的頂板巖性為灰白色細(xì)砂巖、粉砂巖，巖石較完整，平均厚度9.70m，抗壓強(qiáng)度36.8～38.9MPa，為較堅(jiān)硬巖；揭露3-1煤頂板巖性為灰黑色粉砂巖、細(xì)砂巖，巖石較完整，平均厚度9.18m，抗壓強(qiáng)度20.4～38.9MPa，為較軟巖—較堅(jiān)硬巖。根據(jù)規(guī)范[9]的要求，按采空區(qū)頂板巖性及表層松散土層厚度可確定采空區(qū)穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。

4.2 地表移動(dòng)變形判別法

采用地表移動(dòng)變形判別法定量評(píng)價(jià)煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性，主要方法是通過參數(shù)計(jì)算煤礦采空區(qū)上部地表的殘余變形值，參照規(guī)范要求，利用殘余變形值確定采空區(qū)的穩(wěn)定性。當(dāng)區(qū)內(nèi)沒有進(jìn)行過地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)時(shí)，可以采用概率積分法預(yù)測(cè)采空區(qū)上部地表的殘余變形值。

4.2.1 概率積分法的預(yù)測(cè)方法

概率積分法預(yù)測(cè)地表殘余變形值一般通過軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)。MSPS礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)是基于概率積分法原理的開采沉陷預(yù)測(cè)軟件，多用于華北地區(qū)煤礦采空區(qū)沉陷預(yù)測(cè)，在實(shí)踐應(yīng)用上取得了良好的成果[10-11]。將礦區(qū)的地表沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)輸入軟件后，可自動(dòng)計(jì)算地表殘余變形值，并能生成地表殘余變形等值線圖。

利用概率積分法預(yù)測(cè)采空區(qū)地表殘余變形需要一定的數(shù)據(jù)參數(shù)，當(dāng)個(gè)別參數(shù)難以獲得時(shí)，可采用典型礦區(qū)在相同開采條件下的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在綜合分析的基礎(chǔ)上取值。常用的方法是引用規(guī)范[9]中典型礦區(qū)的地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)，本次地表沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)引用規(guī)范[9]中棗莊地區(qū)煤礦地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)值（表3）。

表3 棗莊礦區(qū)煤礦地表沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)

將表1 中的各煤層參數(shù)及表3 中的預(yù)測(cè)參數(shù)輸入MSPS 礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)軟件，得出了研究區(qū)的地表最大殘余變形值（表4），并生成了區(qū)內(nèi)殘余變形等值線圖（圖4）。

表4 地表最大殘余變形值一覽表

4.2.2 地表移動(dòng)變形判別采空區(qū)穩(wěn)定性

對(duì)圖4 的殘余變形等值線圖進(jìn)行分析，可以看出，研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)殘余變形值較小，服務(wù)區(qū)下部因分布埋深較淺的柴煤2采空區(qū)，該處地表殘余變形值比研究區(qū)內(nèi)其他區(qū)域的地表殘余變形值更大。

根據(jù)表4的計(jì)算數(shù)值和圖4的殘余變形等值線圖，參考規(guī)范[9]中的要求，可以看出，研究區(qū)內(nèi)地表最大殘余變形值滿足采空區(qū)穩(wěn)定等級(jí)的判別要求，據(jù)此判定區(qū)內(nèi)采空區(qū)穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

圖4 殘余變形等值線圖

5 結(jié)論

（1）利用資料分析、地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等綜合勘察手段，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)分布有3層煤層采空區(qū)，各煤層采空區(qū)形成時(shí)間超過13年，采空區(qū)“三帶”分帶特征不明顯，已基本塌落密實(shí)。

（2）采用開采條件判別法，根據(jù)最終開采時(shí)間、變形特征、頂板巖性和松散層厚度確定采空區(qū)穩(wěn)定性為穩(wěn)定—基本穩(wěn)定；利用概率積分法預(yù)測(cè)了采空區(qū)地表殘余變形值，并利用地表移動(dòng)變形判別法判定區(qū)內(nèi)采空區(qū)穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定。

（3）服務(wù)區(qū)下部分布較淺的柴煤2 采空區(qū)，區(qū)內(nèi)地表殘余變形值較大，地面建筑有引發(fā)采空區(qū)活化的可能，建議對(duì)地面建筑采取合理的抗變形措施，并做好變形監(jiān)測(cè)工作。