（地质工程专业论文）太佳高速公路下伏采空区稳定性评价.pdf

摘要 采空区的稳定性问题作为公路建设的不良地质问题已越来越突出，对其稳定性进行 评价是一项具有理论意义及实用价值的研究课题；其是否稳定受多种因素的控制，是各 因素共同作用的结果。目前，国内外对于公路下伏采空区稳定性的研究还处于发展阶段， 大多研究是建立在经验和调查的基础上，研究手段及理论基础有待于完善。 本文在分析总结前人研究成果的基础上，利用数值模拟与模糊数学的方法主要做了 以下几方面的工作： 首先，从采动岩体的受力状态方面分析了采空区塌陷的形成机理，阐述了采空区覆 岩三带的划分及其特征，即垮落带、裂隙带与弯曲带；详述了地表移动变形特征，将地 表移动范围划分为中间区、内边缘区与外边缘区； 其次，使用有限元分析软件a n s y s 对引起地表沉陷的各因素进行了详细的分析和 研究；通过对比模拟结果，总结各因素与地表移动变形之间的规律；认为覆岩岩性、开 采宽度、深厚比以及煤层倾角是影响采空区稳定性的主要因素； 再次，在查明研究区的区域地质条件和采空区的地质采矿条件的基础上，建立地质 模型，对研究区下伏采空区的稳定性进行了数值模拟，分析其应力状态和地表移动变形 特征，进行稳定性判别；模拟结果表明，高速公路建成后，采空区地表移动变形大于高 速公路路基允许变形值，处于不稳定状态，必需进行处理； 最后，阐述了模糊信息优化处理方法的原理及计算过程，提出了指标体系的构建原 则，构建了评判体系；建立了采空区稳定性模糊信息优化处理的数学模型；并应用该方 法对研究区内采空区稳定性进行了计算，其结果与数值模拟结果相符。 高速公路下伏采空区危害程度及其稳定性评价属于一个较新的课题，本文使用数值 模拟与模糊数学的方法研究其稳定性，不仅可以对采空区塌陷灾害防治提供科学依据， 而且可以为有效防治采空区塌陷造成的灾害积累经验，并且对其他采空区的稳定性评价 具有借鉴意义。 关键词：采空区，地表沉陷，数值模拟，模糊数学，稳定性评价 s t a b i l i t ye v a l u a t i o no f t h eg o a f u n d e r l y i n gt a i - - j i ah i g h w a y a b s t r a c t s t a b i l i t yo fg o a la st h ea d v e r s eg e o l o g i c a lp r o b l e mo fr o a dc o n s t r u c t i o nh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t , i sa t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u eo ft h er e s e a r c ht o p i c t h es t a b i l i t yc o n t r o l l e db ym a n yf a c t o r si sar e s u l to fv a r i o u sf a c t o r s a tp r e s e n t , t h er o a d s t a b i l i t yo fg o a lo fr e s e a r c hi ss t i l li nd e v e l o p m e n ts t a g ea th o m ea n da b r o a d ，m o s tr e s e a r c hi s b a s e do ne x p e r i e n c ea n di n v e s t i g a t i o n t h er e s e a r c hm e t h o d sa n dt h e o r i e sn e e dt ob e p e r f e c t e d t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er e s u l t so fp r e v i o u sr e s e a r c h ，b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d f u z z ym a t h e m a t i c sm a i n l yd o n et h ef o l l o w i n ga r e a s ： f i r s t l y , a n a l y z e dt h eg o a lf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o l l a p s ef r o mt h es t a t eo fm i n i n gr o c k s t r e s s d e s c r i b e dd i v i s i o no fo v e r b u r d e na n df e a t u r e ，t h a ti s ：c a v i n gz o n e ，f r a c t u r ez o n ea n dt h e b e n d i n gz o n e ；d e t a i l e dt h es u r f a c ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h er a n g e o fs u r f a c em o v e m e n t d i v i d e di n t om i d d l ea r e a , w i t h i nm a r g i n a lz o n ea n do u t e rm a r g i n a lz o n e ； s e c o n d l y , 、析廿1f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n l y s e ds u r f a c es u b s i d e n c eo f t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s 。c o m p a r i n gt ot h er e s u l to fs i m u l a t i o n , s u m m i n gu pt h el a w sb e t w e e n v a r i o u sf a c t o r sa n ds u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ；e d u c e dt h a t ：t h eo v e r b u r d e n , m i n i n g w i d t h , r a t i oo fm i n i n gd e p t ha n dw o r k i n gt h i c k n e s sa n da n g l eo fc o a ls e a ma r et h em a i n f a c t o r si n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t y ； f u t h e r m o r e ，i n v e s t i g a t e dt h er e g i o n a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d t h em i n i n ge o n d k i o n so f t h es t u d ya r e at oe s t a b l i s hag e o l o g i c a lm o d e lu n d e r l y i n gt h es t a b i l i t yo fm i n e d o u ts p a c et o s i m u l a t ea n da n a l y s et h es t r e s ss t a t ea n ds u r f a c ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，谢n lt h es t a b i l i t y d i s c r i m i n a n t ；r e s u l t ss h o wt h a ta f t e rt h eh i g h w a yi sc o m p l e t e d , s u r f a c ed e f o r m a t i o ng r e a t e r t h a nt h eh i g hw a yd e f o r m a t i o na l l o w s ，u n d e ra nu n s t a b l es t a t e ，s h o u l db et r e a t e d ； f i n a l l y , d e s c r i b e dt h em e t h o do ff u z z yo p t i m i z a t i o np r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o ns t e p s m a d e daf u z z yi n f o r m a t i o no p t i m i z a t i o np r o c e s s i n gm o d e ls t a b i l i t yi n d e xs y s t e mp r i n c i p l e so f g o a f b u i l t e de v a l u a t i o ns y s t e m ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h em e t h o do fs t a b i l i t yi nt h es t u d y a r e ao fc a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sc o n s i s tw i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t s t h eg o a lu n d e r l y i n gh i g h w a yh a r m f u ll e v e l so fi t ss t a b i l i t yi sar e l a t i v e l yn e ws u b j e c t , t h ep a p e ru s e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df u z z ym a t h e m a t i c sm e t h o d st os t u d yt h es t a b i l i t yo f g o a l n o to n l yp r o v i d e das c i e n t i f i cb a s i sf o rc o l l a p s eo fm i n e da r e ad i s a s t e rp r e v e n t i o n ，b u t a l s of o r t h ee f f e c t i v ep r e v e n t i o nc a u s e db ym i l l i n gs u b s i d e n c ea r e aa c c u m u l a t e de x p e r i e n c e ， a n dr e f e r e n c ef o rt h es t a b i l i t yo fo t h e rg o a le v a l u a t i o n k e y w o r d s ：g o a s u r f a c es u b s i d e n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f u z z ym a t h e m a t i c s ，s t a b i l i t y e v a l u a t i o n i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：丝筵盈：i 指导教师签名： 渺年月彦日卿年c f j lle t 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：丝缸钟 沙0 年具罗日 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的选题依据及研究意义 随着交通事业的发展，采空区的稳定性问题作为公路建设的不良地质问题己越来越 突出。高速公路路基下伏采空区是一类特殊的岩土工程问题，高速公路与下伏采空区的 相互影响给采空区高速公路建设带来了特殊的困难。在工程建设中一般应尽量避开，但 矿区采空区往往星罗棋布，高速公路建设不可避免地要穿越采空区，相应地会给路基、 路面及其他桥隧等构筑物的施工带来风险与潜在危害。采空区上方地表可能产生连续性 或非连续性位移变形，对高速公路的危害主要有如下几个方式【1 】：采空区的失稳冒落， 使地表剧烈变形，产生陷坑、台阶等；路基沉陷，造成路基、路面局部开裂，使承载力 下降，使用条件降低，或造成路面低洼积水破坏；倾斜使坡度发生变化，导致行驰车辆 重心偏移，在弯道处易发生事故；水平变形和曲率使路面受拉伸开裂、受压缩隆起，使 路面发生波浪起伏及路面与路基间的局部离层等。因此，开展对高速公路下伏采空区稳定 性评价的研究工作，对采空区处理、采空区上方构筑物布置及其抗变形结构设计等都具有 极其重要的理论意义和实际运用价值。然而国内外对于公路下伏采空区及其重点构筑物 稳定性评价的研究还是处于发展阶段；理论基础和研究手段有待于完善 2 】。 本文依托导师的科研项目，对太佳高速公路沿线e k 8 8 + 6 5 0 e k 8 8 + 9 5 0 段下伏采空 区进行了分析与研究。研究地下采空区对高速公路工程的影响，利用采空区地表移动变 形预测的结果可以定量的分析受开采影响的岩层及地表在空间和时间上的规律；对指导 工程实践具有重要作用。因此，对采空区稳定性进行分析研究，不仅可以对采空区塌陷 灾害防治提供科学依据，而且可以为有效防治采区塌陷造成的灾害积累经验，并且对其 他采空区的稳定性评价具有借鉴意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 采空区稳定性评价的发展历史 高速公路下伏采空区稳定性评价研究在国内外都属于一个较新的课题。长期以来， 关于采空区问题的研究，国内外主要是在煤炭系统开展，如波兰、前苏联、英国和中国 等主要产煤国家从2 0 世纪5 0 年代开始就对“建筑物、水体、铁路下 采煤技术进行了 详细研究，同时对采空区地表构筑物保护和防治技术也进行了大量试验研究，积累了宝 第一章绪论 贵的经验 3 剖。 2 0 世纪8 0 年代开始，英国、波兰、德国等国的一些学者相继研究了采空区等地下 空洞对公路的危害性问题，如m c w a n g r l 、j o n c e l 8 】1 9 、s e r g e a n t 1 0 】等，但这些研究大都 是建立在经验和调查的基础上之，虽有指导意义，但文献比较零落，没有系统的普遍规 律。d r u m 1 1 】等人再调查研究的基础上，将和空洞接触的岩土简化成理想的弹塑性介质， 研究了在弹性极限条件下子这些岩土的沉陷破坏机理。另外，美国的一些学者也不同程 度的研究了洞穴塌陷对地面基础工程的影响，但文献比较零落，也未见系统的研究报告。 在我国，煤炭系统在“三下 采煤方面做了不少的研究，积累了一些经验。近年来， 随着我国高速公路建设的飞速发展，晋焦、乌奎、太旧与保阜公路陋u 1 等都不同程度地 遇到了煤矿采空区次生地质灾害问题，我国的一些学者对采空区对公路的影响进行了研 究：李永树【l6 】等人根据开采沉陷地区地表点的实测移动轨迹，探讨了由于岩梁下沉引起 的地表水平移动的机理；西安矿业学院余学义( 1 9 9 7 ) 1 7 l 给出了评价采空区对高速公路 影响程度的概率积分法的应用程序；李仁明、方磊( 2 0 0 2 ) 1 8 】进一步对概率积分法改进， 提出多层采空区的预计评价方法；张志沛、王芝银( 2 0 0 5 ) 【1 9 】针对实际勘察资料，使用 有限元方法对高速公路下伏煤层采矿过程的变化规律进行了研究，并对采空区的长期稳 定性进行了评价；孙忠弟等人在研究高等级公路下伏空洞对路基场地稳定性的影响时， 开发了二维弹塑性理论有限单元法计算软件；刘维民 2 0 1 等人应用随机介质理论分析了采 空区对高速公路的影响，提出了临界深度的计算方法。 总体说来，我国采空区高速公路建设技术尚处于摸索阶段，尚未形成系统的治理理 论与技术，无规范规程可循，特别是对于复杂煤矿采空区的处理问题成功经验甚少。 1 2 2 采空区稳定性评价的研究方法 对于采空区的稳定性评价，归纳现有的研究方法，一般可以分为预计方法、解析方 法、半预计半解析结合的方法。预计方法是以波兰学者k n o t h e l 2 u 所提出的几何学理论 为基础，以现场观测为依据，利用概率统计中的正态分布规律来预计由于空洞或采矿所 引起的地表下沉和倾斜。后来b u d r y k 在k n o t h e 理论的基础上，引入有关参数，构成著 名的b u d r y k k n o t h e 理论，它不仅可以预计地表的下沉，而且可以预计地表的水平移动。 该理论方法在波兰、中国及西欧一些国家都得以成功的应用，是目前公认较准确的预计 理论之一，但误差较大。预计的另外一种做法，是以随机介质理论为基础，应用概率积分 法来预测地表的下沉，然后根据实测下沉量和水平位移关系，给出水平移动系数，来预 2 西北大学硕士学位论文 9 = 矽+ 却。一2 厂= p 一日协9 t a n 2 ( 4 5 。一詈) + 硫 ( 1 1 ) 耻芝一 2 ) 当日 凰时，地基不稳定； 日 6 0 6 0 3 0 3 0 - 1 5 1 5 88 - 44 2 f 1 01 0 77 - 55 33 2 2 1 则基底下距洞穴顶部的安全厚度为： 5 第一章绪论 z - o ：z ，+ h ：! 旦! 二翌! ! 皇+ 旦 ( 1 5 ) 2 p ：t a n 0f 除了上述的评价方法外，还有开采条件判别法、地表变形观测法【3 、模糊数学方法 【3 2 】等稳定性评价方法。开采条件判别法是综合考虑采空区开采方式、开采时间、覆岩性 质、矿物赋存条件及地形地质条件等影响因素，进行采空区稳定性评价的一种定性方法。 地表变形观测法是通过在采空区内布置变形监测网，进行高精度、周期性观测而获取空 间多点的整体变形信息，对比地表当前的变形数据及公路采空区地表允许的变形值，即 可对采空区场地的稳定性进行评价。 总之，虽有上述的各种关于采空区稳定性的研究成果，但是由于采空区的隐蔽性， 工程的复杂性，计算参数选取的不确定性，目前国内外对于采空区稳定性的评价还很薄 弱，对于采空区的研究和理论还不完善，还有很多的问题需要解决。 1 3 研究内容 本文主要以太佳高速公路下伏采空区为研究背景，通过现场勘察、室内试验、力学 分析、理论研究和数值计算相结合的方法，对采空区的失稳机理、影响采空区稳定的因 素进行了较为深入系统的研究。具体研究内容如下： ( 1 ) 从地形地貌、地层岩性、地质构造、地震、气候、植被、水文、等方面概括介绍 该采空区的区域地质条件，查明矿区开采方向与公路走向的关系、开采厚度、开采方式、 倾角、埋深、开采范围、顶板岩性等地质采矿条件；选择典型地段采集大量试验样品， 为室内试验( 包括弹性模量、粘聚力、抗拉强度、泊松比、重力密度) 奠定基础； ( 2 ) 对采空区稳定性进行研究，首先要对采空区失稳机理进行分析，全面剖析采空区 的应力状态、破坏模式、移动变形规律、沉陷规律和影响范围；影响采空区的因素有很 多，包括地质的和非地质的因素，使用有限元分析软件a n s y s 对各影响因素进行分析； ( 3 ) 对于该项目采空区，其变形特征、受力状态及破坏模式比较复杂，使用a n s y s 对研究区下伏采空区的稳定性进行了数值模拟，分析其应力状态和地表移动变形特征， 进行稳定性判别； ( 4 ) 使用模糊数学优化处理方法评价采空区稳定性。介绍模糊数学优化处理方法的原 理及主要分析程序；构建采空区稳定性评判标准及单因素评判指标；建立模糊关系矩阵， 进行一、二级模糊近似推论；并将此方法应用到该项目采空区稳定性评价中。 6 西北大学硕士学位论文 1 4 研究方法及技术路线 结合采空区实例资料，参阅国内外相关研究新进展，以岩土力学、弹塑性力学、开 采沉陷学、模糊数学与数值模拟等学科为理论依据，以先进的试验设备进行试验，并使 用计算机进行数值仿真模拟，然后对所获得的结果进行整理、分析，进行采空区稳定性 评价。本文采用的主要技术路线如图示： 自然地理概况卜i 研究区地质环境i1 地质采矿条件 上 采空区特征调查 i1 分布特征三带高度划分 岩石尺q d 指标 l 采空区塌陷的形成机理h 采空区地质分析h 地表移动变形特征及范围 上 数值模拟各因素对采空区的影响 一 iill i 开采宽度 深厚比覆岩岩性留设煤柱煤层倾角重复采动 llill 太佳高速公路下伏采空区稳定性评价 数值仿真模拟模糊信息优化处理 ll i l 获 建计信模信 取 立 算息糊息 力地结分 近集 学 质 果 配似中 参 模分推 数型析论 j 稳定性判别 上 结论 图l 技术路线图 7 第二章研究区i 程地质概况 2 1 工程概况 第二章研究区工程地质概况 太佳高速公路是山西省高速公路网“人字骨架，9 纵9 横”主骨架第四横的重要组 成部分，它是山西省北部地区的重要通道。 采空区位于珠峰煤矿常胜窑矿区内珠峰煤矿隶属山西珠峰煤业有限公司，由常胜 窑矿区、安子湾矿区和辽海矿区三家整合而成，对线路有影响的是常胜窑矿区。常胜窑 矿区属多年老矿，开采规模多属于集体、个人小煤窑开采，开采方式主要以巷道式为主， 采煤活动无规律，煤层顶板无任何支护任其自然垮落，由于采煤工艺落后，于2 0 0 5 年被迫停产，目前被珠峰煤矿整合，正在重新申报开采中。 22 自然地理 22l 地理位置及交通条件 研究区位于娄烦县静游镇赤土壑村，所在位置乡村小道纵横交错，且靠近公路，交 通较为便利。 图2 1 研究区地理位置田 西北大学硕士学位论文 2 2 2 地形地貌 研究区属黄土丘陵地貌，海拔标高1 2 4 8 1 2 7 2 米左右，最大相对高度2 4 米，地势 较起伏，辽庄赤土华一带为山涧河谷区。区内植被不发育。地形起伏不大。开阔，地势 较平缓，侵蚀冲沟发育，沟坎众多，坡高般1 3 米，冲沟切割黄土深度一般较小，多 呈v 字型，坡度较缓，深度一般在1 0 米左右，自然边坡稳定。 2 3 地质构造 采空区处于吕粱一太行断块西部的吕梁块隆区和中部的五台山块隆区内，受褶皱构 造的影响，岩体节理裂隙较发育。从钻孔揭露来看，岩体较破碎。查阅相关煤矿勘查资 料，构造形态大致为一走向北西，倾向北东的单斜构造，地层倾角3 1 8 0 ，线路区域内 发育有一正断层，走向北东，倾向北西，北西盘下降，南东盘上升，落差1 5 5 0 m 。地 表被黄土覆盖。 2 4 地层岩性 根据野外现场勘察并结合钻孔资料，采空区地基覆盖层主要为第四系晚更新统风积 成因的黄土，以及冲洪积卵石，基岩为晚第三系( 二叠系) 的泥岩、砂岩，石炭系的煤 层组成( 见表2 1 ) 。 表2 1 研究区地层岩性特征 系符号成因层号岩性特征揭露厚度 e o l黄土9 2 0 m 第四系9 q l + p l 卵石1 1 0 m 强风化砂岩 1 9 7 0 m 全风化砂岩 3 o m 强风化砂岩1 7 5 0 m 二叠系 p l + 2 强风化泥岩3 7 0 m 强风化砂岩 8 8 0 m 强风化泥岩1 4 0 m 石炭系 c 煤8 1 0 m 岩性特征：黄土：浅黄色，稍湿，稍密。主要成分以粉粒为主，含有较多钙质， 土质均匀，有针孔状小孔洞。卵石：杂色密实，稍湿。母岩成分主要为硅质岩，少量 砂岩碎块，含量约6 0 0 o , - 6 5 ，呈次棱角状，颗粒级配一般，充填物主要为泥质，少量 砂质。强风化砂岩：灰色，中粒结构，块状构造。节理裂隙发育，岩质较软，岩体较 完整，手易折断。全风化砂岩：紫红色，原岩结构以破坏，局部夹强风化岩块，吸水 9 第二章研究区工程地质概况 后易软化崩解。强风化泥岩：棕红色，泥质结构，中厚层构造，裂隙发育，岩体破碎， 风干后易开裂。煤：黑色，稍密，稍湿，煤层结构疏松，易钻进，局部夹炭质泥岩， 煤块无光泽。 2 5 气象水文 该区属北温带半干旱大陆性季风气候区，地形复杂多样，海拔差异较大，所以高山、 丘陵、沟谷、平原等各类地形在气温、降雨、日照、风速、霜期等气候要素方面差异很 大，特征明显，构成多种区域气候；即盆地温暖，丘陵温和，山地温良，高山寒冷等气 候区域；项目区降水少，昼夜温差大，四季分别，春季多风干燥，风沙肆虐，春旱频繁， 冬季有雪、干燥，无严寒，夏季多雨无酷热。秋季凉爽宜人，天高云淡。总体气候特征 为干燥，雨量较少，气温较低，风力一般，阳光充足，湿热同季。昼夜温差大。 气温：区内气温一月份最低，七月份最高。随海拔标高，每升高1 0 0 m ，气温下降 0 3 d 6 0 。 降雨：区内降雨量受地形地貌的控制出现差异性。随海拔标高升高降雨量增大，全 年降雨量集中在7 、8 、9 月。平均降水量5 0 0 m m 以下。 2 6 水文地质条件 2 6 1 区域地下水类型 根据不同的含水岩性、补给方式、潜水面的高低，结合地表径流及收集到的井泉资 料，将地下水归纳如下两种类型： ( 1 ) 松散岩类孔隙水 分布于冲积平原区，河流侵蚀堆积区及山区基岩裂隙水的侧向补给黄土丘陵区，含 水层为第四系，上第三系砂土、砂砾卵石层。河流冲积区含水层岩性为砂、砂砾石，水 位埋深o 1 0 米。含水层厚5 2 0 米。主要由大气降水，地表水补给。 ( 2 ) 碎屑岩类裂隙水 分布于基岩中低山区和黄土覆盖中低山区一黄土覆盖梁峁区。含水层岩性为三叠系 砂岩及节理裂隙发育的泥页岩，除由大气降水补给外，在沟谷外还接受河水的渗透补给， 径流受构造、岩层产状的发育控制。在本区弱富水的含水岩组，泉水流量o 0 1 o 11 。 l o 西北大学硕士学位论文 2 6 2 研究区水文条件 根据钻孔水文地质观测和地表水文点观察，结合地形地貌，岩性的构造条件判断， 地下水不发育，钻孔未见地下水。 2 7 不良地质 ( 1 ) 采空区：对线路有影响的是常胜窑矿区。据有关技术人员反映和资料显示，常胜 窑自东南方向向赤土华方向打了两个主巷道到赤土华采煤，由于煤层较浅，上部有龙泉 河，在洪水期间塌方，引起河面塌陷，巷道走向1 2 0 度，宽度3 5 米左右，高2 3 米。 过河后未有支线。 ( 2 ) 湿陷性黄土：线路走廊带内局部分布第四系全新统冲洪积成因黄土，黄褐色、稍 密、稍湿，颗粒成分主要为粉粒，裂隙较发育，孔隙大，土芯呈土块状、土柱状；遇水 后易软化崩解。参考探坑试验资料，一般具有二级( 中等) 湿陷性，对路基建设影响较大。 2 8 地震烈度 山西省是地震频发的地区之一，历史上地震活动主要发生在新生代断陷盆地内，震 源多与盆地边界主干断裂关系密切。是新构造活动的强烈地区。 史料记载，太原盆地内共发生6 5 级地震3 次，5 5 9 级地震1 次，从以上值分析， 走廊带属板内构造地震区，震源浅、强度大；震源深度呈层状约1 4 , - , 2 0 k i n 之间，平面 上为北北东向。 2 9 研究区内采空区调查 2 9 1 采空区分布特征 研究区所在的地区煤炭开采历史较长，但主要开采时期为2 0 世纪8 0 年代到2 l 世 纪初。从8 0 年代开始，研究区内陆续开采了十数个个体、村办、乡办煤矿，后由山西 珠峰煤业有限公司承办，煤矿开采成为了当地的支柱产业。 对线路有影响的是常胜窑矿区。常胜窑矿区属多年老矿，开采方式主要以巷道式为 主，采煤活动无规律，煤层顶板无任何支护，任其自然垮落，由于采煤工艺落后，于2 0 0 5 年被迫停产。由于地方小窑开采的煤层较浅，且采矿工艺、技术比较落后，回采率较低， 一般为3 0 州0 ；从8 0 年代开始，该地区陆续出现了地面塌陷和水源枯竭的现象， 给当地人民的生产和生活带来了严重的影响，并直接威胁到了太佳高速公路的安全。 第= 章研究区i 程地质概况 圈2 2 研究区内采空区厦巷道位量示意朋 为了查明地下采空区的分布情况，采用了瞬变电磁勘探法与钻探法相结合的方法对 地下采空区进行了勘察。根据已知的地质资料以及本次采空区探测的地质任务要求，并 考虑到研究区的实际地表情况，结合钻孔资科，圈定了地下开采煤层的采空匡范围，见 采空区及巷遭位置示意图( 图2 2 ) 。 2 9 2 研究医地表移动变彩特征 经现场实际调查，研究区内煤层开采无规律，回采率低开采深度较浅，在6 0 8 0 r a 之间，开采厚度2 s m ，开采宽度在2 0 8 0 m ，煤层倾角3 1 8 。；开采方式以巷道式为主， 采矿工艺技术落后。经调查访问，研究区内采空区已停采约5 年，但目前仍有明显的沉 降特征，地表局部范围出现塌陷坑与地表裂缝( 图23 26 ) ，裂缝宽度在2 - 2 2 c m 之间， 深度在十几厘米到几十厘米间，采空区仍在发生缓慢的变形，说明采空区变形仍未结束。 图2 , 3 研究区内的地表裂缝“ 图24 研究区内的地表裂缝b 两北大学硕学位论文 圈2 5 研究区内的地袭囊缝c 2 9 3 采空区覆岩三带划分 田2 6 研究区内的塌陷坑 地下矿层开采后引起上覆岩层的移动和变形，形成上三带，即垮落带、裂缝带及弯 曲变形带，从而影响地表，产生下沉盆地。上覆岩层的岩性和结构对覆岩破坏发育高度 有很大影响。一般而言岩性越硬，覆岩破坏发育越高，岩性越软，则相反。研究区煤 矿开采深度浅，且大多不支护，开采结束后任其自然垮落，其三带发育程度较好。 覆岩变形和破坏高度的发育程度与许多地质因素有关，理论上给出他们之间多元相 关的表达式很难。实际上，人们使用一些常用的经验公式，用以表征冒落带和裂隙带发 育高度的计算。 ( 1 ) 垮落带高度计算 研究区煤层倾角在3 1 8 。之问，覆岩主要有强风化的砂岩、强风化泥岩互层及松散 地表黄土构成，根据有关资料，将其划分为软弱岩层：其垮落带高度拟采用如下公式进 行计算： h = 面羔忑 ( 2 1 ) 式中：肼一煤层开采厚度； k 一垮落岩层碎涨系数； e 一煤层倾角。 ( 2 ) 裂隙带高度计算 采用如下公式： 即嵩“o 他z ， 按上述公式计算得出垮落带高度和裂隙带高：结果见( 衰2 2 ) 。 第二章研究区工程地质概况 表2 2 研究区三带高度h - ，g 值 孔号 累计采厚煤层倾角 计算冒高计算裂高两带高度 0 12 3 m4 。5 1 1 m1 1 2 1 1 9 2 1 m16 - 3 2 2 4 3 2 m 0 24 2 m4 08 4 2 m15 9 8 - 2 3 9 8 m2 5 4 0 3 2 3 0 m 0 3 3 5 m 5 07 0 3 m14 5 6 2 2 5 6 m21 5 9 2 9 5 9 m 0 43 1 m 6 0 6 2 3 m 1 3 6 m 乏1 6 0 m19 8 3 2 7 8 3 m 0 53 6 m8 07 4 5 m 14 7 8 2 2 7 8 m 2 2 2 3 3 0 2 3 m 0 62 2 m9 04 4 4 m9 2 3 17 2 3 m1 3 6 7 2 1 6 7 m 0 75 0 m9 。1 0 1 2 m17 2 7 - 2 5 2 7 m2 7 3 9 3 5 3 9 m 0 85 8 m1 1 01 1 7 4 m19 3 2 ，2 7 2 3 m31 0 6 3 9 0 6 m 0 95 3 m1 2 01 0 8 4 m 18 1 5 2 6 1 5 m 2 8 9 9 - 3 6 9 9 m 1 05 2 m1 5 01 0 7 7 m17 9 8 2 5 9 8 m2 8 7 5 3 6 7 5 m 根据矿山开采沉陷学1 3 5 1 中的理论，采出厚度与塌陷垮落带及裂隙变形带之间有 如下关系：垮落带高度主要取决于采出厚度与上覆岩层的碎胀系数，通常为采出厚度的 3 5 倍，当顶部为软弱岩层时，垮落带高度为采出矿层厚度的2 - - 4 倍；垮落带和裂隙带 合称两带，两带高度与岩性有关，一般情况下软弱岩石形成的两带高度为采厚的9 - 1 2 倍，根据上表计算结果可以看出，垮落带高度为采出矿层厚度的2 0 1 2 2 3 倍，两带高 度是采出岩矿厚度的7 0 9 1 0 5 7 倍。 2 9 4 岩石质量指标【3 3 , 3 4 】 岩石质量指标r q d ( r o c kq u a l i t yd e s i g n a t i o n ) ，是用来表示岩体良好度的一种方法， r o d 是根据修正的岩心采取率来决定的，所谓修正的岩心采取率就是将钻孔中直接获 取的岩心总长度，扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度，再与钻孔总长之比。在计算岩心长 度时，只计算大于1 0 c m 坚硬的和完整的岩心。迪尔依据岩体质量指标( r q d ) 将岩体分 为5 级( 如表2 3 ) 。尺汐定义为岩芯中长度等于或大于1 0 c m 的岩芯累计长度与钻孔进尺 总长度之比。其计算公式如下： r q d = ( 1 0 c m 以上长度岩芯累计长度统计段钻孔总进尺) 1 0 0 ( 2 3 ) 表2 3 迪尔所建议的分级标准 r q d 9 0 1 0 07 5 9 05 0 7 52 5 5 00 n 之5 岩体质量描述非常好好较好不好非常不好 由于尺指标是关于岩芯采取率、岩芯平均长度、最大长度等受岩体裂隙发育程 度、硬度、均质性质的指标，因此r q d 指标反映了岩体被各种结构面切割的程度。由 于指标意义明确，可在钻探过程中附带得到，又属于定量指标，因而在国外的分级中被 1 4 西北大学硕士学位论文 广为采用。但目前多数r 妒值受钻孔机具、工艺水平等影响很大，同一岩体得出的r o d 指标有时差异很大。研究区岩石的r q d 计算结果如表2 4 所示。 表2 4 研究区岩心采取率露q d 值统计表 若拦 刃号 砂岩砂岩砂岩泥岩砂岩泥岩煤 z k o l4 8 5 25 5 3 43 6 7 64 0 2 36 2 7 54 4 4 33 0 2 0 z k 0 25 6 4 16 0 2 07 2 3 73 8 7 47 0 。8 34 3 5 53 5 4 3 z k 0 36 4 3 24 5 5 46 6 8 45 0 3 26 8 9 73 9 3 04 1 2 9 z k 0 44 2 3 53 8 7 24 7 5 45 4 3 26 5 4 35 8 o o4 0 4 0 z k 0 53 5 6 44 8 9 25 0 4 05 4 3 87 4 3 25 7 3 14 4 2 4 平均r q d 值 5 6 3 84 9 7 45 4 7 84 7 5 06 8 4 64 8 5 33 8 - 3 1 从表2 4 中可以看出，该矿区的采空区围岩r q d 值表现不一，差的地方仅3 8 3 1 ， 而好的地段则达到了6 8 4 6 ；其中砂岩的r q d 值均大于5 0 ，而泥岩与煤层的r q d 值n 4 , 于5 0 ，从整体上来，研究区内的围岩属于质量不好的岩石。 2 1 0 本章小结 通过野外的地质调查与收集资料，查明了研究区地形地貌、地层岩性、地质构造、 地震、气候、水文等区域地质条件；并对研究区内的采空区进行了调查，具体如下： 研究区属黄土丘陵地貌、季风气候区；地层为第四系晚更新统风积成因的黄土， 与冲洪积卵石，基岩为晚第三系的泥岩、砂岩，石炭系的煤层组成，岩体较破碎；地下 水不发育；地震频发，是新构造活动的强烈地区； 研究区内煤层开采无规律，回采率低，开采深度较浅，在6 0 8 0 m 之间，开采厚 度2 5 m ，煤层倾角3 1 8 0 ；开采方式以巷道式为主，采矿工艺技术落后。虽停采近五年， 但地表仍在发生缓慢的变形，说明采空区变形未结束； 对研究区覆岩破坏高度进行了计算，计算结果表明，垮落带高度为采出矿层厚度 的2 0 1 2 2 3 倍，两带高度是采出岩矿厚度的7 0 9 1 0 5 7 倍，与理论值较为接近； 通过现场对钻孔获取的岩心采取率进行统计，计算岩体的r q d 指标，结果表明， 该矿区的采空区围岩r o d 值表现不一，差的地方仅3 8 3 l ，而好的地段则达到了 6 8 4 6 ；其中砂岩的r 值均大于5 0 ，而泥岩与煤层的只值n d , 于5 0 ，从整体 上来，研究区内的围岩属于质量不好的岩石。 1 5 第三章采空区塌陷机理及其基本特征 第三章采