鸡西市某煤矿采空区工程地质勘查及稳定性评价

鸡西市某煤矿采空区工程地质勘查及稳定性评价摘要：鸡西市某建设用地临近煤矿采空区，为了准确查明采空区工程地质条件，以及煤矿的采空范围、埋深和边界，采空区对拟建工程的影响。采用资料搜集、地面调查走访、综合物探、钻探验证及室内试验的综合勘察方法，确定了采空范围、塌陷破坏影响边界及安全边界，并对采空区的稳定性进行评价，对该建设用地的规划利用提出了合理建议。研究成果对采空区工程地质勘查及稳定性评价具有参考意义。关键词：采空区；工程地质勘察；稳定性评价；建设用地0引言鸡西市为典型的资源型城市，资源丰富，城市建设用地十分紧张。煤炭开采为地区经济发展做出贡献的同时，其开采沉陷对当地生态环境、社会可持续发展也产生了较大的影响，受采煤沉陷影响的居民、土地与基础设施密度大，采煤沉陷问题已成为影响鸡西市城市建设和经济发展的瓶颈，制约着鸡西市城市开发建设与可持续发展。因此，对煤矿采空区土地进行勘察、稳定性评价，进而进行改造达到充分利用显得尤为必要。本文即对临近煤矿采空区的拟利用建设用地进行勘察评价，为后续合理利用提供科学依据。1评价区地质采矿条件1.1地形地貌评价区位于穆棱河南侧的冲积河漫滩上。北部麻山群变质岩系形成较高山脉，西南为玄武岩形成的桌状台地，南部和东南部为白垩系桦山群地层形成的平缓丘陵，第四系冲积层覆盖在鸡西群煤系地层之上。1.2地层岩性根据资料显示，评价区周边井田含煤地层，为中生界下白垩统穆棱组、城子河组，共有煤层33个，其中城子河组为主要含煤地层，有8个可采煤层，穆棱组有5个局部可采煤层。评价区范围内共有8个可采煤层，据搜集到的资料显示，仅在评价区北侧开采两个煤层。城子河组组地层为陆相沉积含煤建造，背斜南翼地层走向近东西，地层倾向南偏东，倾角25°左右。根据岩相古地理环境分析，穆棱组地层、城子河组地层为海陆交互相沉积。1.3地质构造评价区周边矿井地质构造较为复杂，控制和影响构造形式的主体构造有穆棱河向斜，平阳—麻山逆掩断层等，压性、压扭性等不同形态，不同性质断裂构造交织在一起，相互切割成网格状构造，给矿井开拓和开采带来了很大难度。评价区周边矿井位于鸡西煤田北部含煤条带中段，穆棱河向斜北翼，全区地层走向大致呈东西向，向南倾斜的单斜结构，区内地质构造比较复杂，全区已控制和实见大断层18条，落差大于100米3条，50-100米6条，小于50米9条，断层走向为北东、西北和近东西三组，多为高角度正断层。煤矿生产过程中还实见许多落差小于20米的小断层，对开采影响十分严重。1.4煤层赋存及开采情况经调查，评价区处于煤矿井田范围内，评价区范围约48.68公顷，根据现有资料显示，煤矿开采煤层为3#、4#、7#、24#、25#、27#、29#、36#，评价区内开采煤层为29#、36#。该煤矿矿井开采方式为地下开采，矿区面积为11.3995平方公里。开采深度由250米至-900米标高，生产能力90.0万吨/年。2采空区专项勘察2.1完成工作量本次采空区勘察方案主要以资料收集、调查为主，为了了解评价区内的采空区分布、冒落压实情况以及是否存在采空空洞，我们在评价区内布置了物探、钻探实物工作量，具体工作量见下表：表1实物工作量一览表序号名称工作量单位备注一钻探1900m共计7个钻孔二物探1高密度电法1.18km2条剖面，118个点，点距10m2瞬变电磁法1.99km5条剖面，204个点，点距10m3可控源音频大地电磁测深1.99km5条剖面，204个点，点距10m4音频大地电磁测深1.99km5条剖面，106个点，点距20m5物探测井1900m密度测井、井径测井、三侧向电阻率测井、自然电位测井及自然伽马测井等三岩石试验7组块体密度、吸水率、单轴抗压、泊松比、单轴抗拉、弹性模量等四收集资料21份煤矿资料等2.2综合物探本次物探采用了四种方法，瞬变电磁法、高密度电法方法主要探测解译地表以下50-150m的地层，可控源音频大地电磁测深、音频大地电磁测深方法探测深部地层，四种方法的解译结果相互验证情况相对较好，对异常区域的圈定基本吻合。通过高密度电法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深及音频大地电磁测深的勘察，综合分析解译结果，结合评价区地层特性，推测异常区大概在地下标高50米到-400米深范围之内，范围较广，同时不排除低阻异常可能是由白垩系泥岩引起；物探推断塌陷隐患区两处：分别在10线0.2～0.45km处、20线0～0.2km处。2.3钻探根据综合物探结果以及收集到的资料情况，我们在评价区布置了7个钻孔，设计单孔孔深200-450m，设计总进尺1900m，实际完成总进尺1900m。根据钻探成果，可得出如下结论：（1）该区域覆盖层较薄，介于6.4-9.2m之间，以粉质粘土、粗砂和砾砂为主；（2）所有钻孔均揭露厚度不等的杂填土（厚度1.0～3.1m），以碎石土、矸石为主，结构松散；（3）地层以中粗砂岩为主，其次为粉细砂岩、泥岩，岩体较完整；（4）采空冒落情况：钻探深度范围内，7个钻孔均未见空洞及采空垮落带，结合简易水文观测情况，各钻孔冲洗液的漏失与消耗均未出现异常情况。2.4专项勘察综合成果本次勘察所揭露地层主要为白垩系地层，钻探揭露深度范围内显示各煤层均未开采，物探推断低阻异常区可能为采空区充水造成的，同时不排除低阻异常可能是由白垩系泥岩引起；经7个钻孔验证，异常位置均揭露有泥岩或以泥岩为主的泥岩砂岩互层，并未发现采空区。钻孔ZK7的钻探揭露情况与物探推断的结果基本吻合，物探推断20-30m范围内有煤层，钻孔显示21.75-23.1m为煤层；钻孔ZK3的钻探揭露情况与物探推断的结果基本吻合，物探推断40-50m范围内有煤层，钻孔显示43.8-44.65m为煤层。总体对比分析物探解译、钻探验证情况，物探结果准确率较，可作为评价依据。根据综合物探和钻探结果，本区域250m以浅上覆岩层受煤层开采影响较小，岩石较完整，裂隙不发育，未发现采空区。3地表移动变形计算及场地地基稳定性分析评价3.1计算方法目前，概率积分法是我国在山区和平原地区被广泛推广应用的地表移动变形计算方法，并且我国在山区和平原地区建立了大量的地表移动观测站，取得了相应的概率积分法实测计算参数，为山区和平原区开采沉陷计算奠定了基础。鸡西矿区各煤矿采煤沉陷规律符合概率积分原理，为提高计算的准确性，计算采用概率积分法的等价转换线积分计算方法。该计算方法及编制的计算程序已在（包括鸡西矿区在内）几十个矿区得以应用，计算结果表明，本方法适用于鸡西矿区采煤沉陷区的分析计算。3.2计算参数的选取根据煤层开采时间不同以及借鉴《鸡西矿区地表及岩移观测资料综合分析报告》（鸡西矿务局、阜新矿业学院、沈阳煤炭科学研究所(1991年))，确定变形预计参数如下：下沉系数q=0.55--0.84；主要影响角，沿走向方向δ=75°，沿上山方向γ=75°，沿下山方向β=δ－0.6α=58.2°；水平移动系数b=0.3；拐点偏移系数s=0.05H（可不考虑）；重复采动影响系数n=1。3.3计算结果根据上述参数结合拟建场地的范围，采用概率积分法计算该区域的地表残余变形值，并根据计算结果绘制拟建场地的地表下沉等值线图、地表倾斜变形等值线图。计算结果：（1）29#煤层采动影响残余变形最大下沉值Wcm=479mm；残余变形最大水平移动值Ucm=316mm；最大倾斜icm=3.2mm/m；最大水平变形εcm=1.47mm/m；最大曲率变形值kcm=0.033（10-3/m）。（2）36#煤层采动影响残余变形最大下沉值Wcm=562mm；残余变形最大水平位移Ucm=373mm；最大倾斜icm=3.0mm/m；最大水平变形εcm=1.38mm/m；最大曲率变形值kcm=0.025（10-3/m）。综上所述，经叠加计算，在29#煤层、36#煤层采动影响下，拟建场地残余变形最大下沉值为780mm，地表水平变形极值为2.45mm/m，倾斜极值为3.9mm/m，最大曲率变形值为0.05（10-3/m）。3.4场地地基稳定性分析评价据相关规范要求，按照终采时间和地表移动变形值确定本采空区场地稳定性等级为不稳定～基本稳定～稳定，其中：不受36#煤层、29#煤层采空区地表移动变形影响范围以外区域为稳定区；稳定区以外，受残余变形影响Ⅱ级变形以下的区域为基本稳定区；基本稳定区以外，受残余变形影响Ⅱ级及Ⅱ级以上的区域为采空区场地不稳定区。综上分析，结合地表移动变形计算结果和评价区拟建建筑物高度，对照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014）中表12.3.1（采空区场地工程建设适宜性评价分级表），评价区分为基本适宜Ⅰ区、基本适宜区Ⅱ区和适宜性差区三个部分：基本适宜区Ⅰ区面积27.9hm2，占总面积的57.31%；基本适宜区Ⅱ区面积3.87hm2，占总面积的7.95%；适宜性差区面积16.91hm2，占总面积的34.74%。4结论本研究以鸡西某煤矿采空区为对象，在资料搜集、地面调查走访、综合物探、钻探验证及室内试验的综合勘察方法基础上，对拟利用建设用地进行了地基稳定性分析评价，对该建设用地的规划利用主要认识如下:（1）规划布局时应充分考虑评价区采空区的特点，平面规划，应根据采空区分布特点进行布局，以有利于减轻采空区对其影响，如拟建建筑物的长轴宜平行于地表下沉等值线；建筑物平面形状应力求简单、对称、等高。（2）基本适宜区Ⅰ区要求民用建筑建设限高75m；基本适宜区Ⅱ区建筑要求建设限高50m，同时建筑要求采取Ⅱ级抗变形结构设计措施；对适宜性差区，要求进行进一步的可行性论证方可建设，如经监测确定地表变形达到规范要求的稳定状态，可进行工程建设，但建筑须限高20m。（3）评价区内需建立系统的地表与建筑物移动变形观测站，分别进行地表变形、建筑物不均匀沉降的观测，监测点间距、观测频率及周期应按相关规范规程要求设置，以便根据变形情况及时采取相应措施，确保建（构）筑物安全。参考文献:［1］李洪嘉,闫绍波,张超.综合物探技术