浅议小型采空区稳定性评价和治理方法

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1、浅议小型采空区稳定性评价和治理方法　　[摘要]研究目的：随着运煤专线穿越矿区段落的增多，采空区处理费用也非常可观，因此需要从处理方法上进行改进和优化。通过对采空区进行科学的稳定性评价进而确定合理的处理措施是十分必要的，本文结合某采空区工点从稳定性评价到采空区治理进行了分析，确定了探灌结合的治理方案，为其它类似工点设计提供参考。[关键词]硫磺矿;采空区;稳定性分析;探灌结合加固地基研究结论：通过分析小窑采空区的稳定性，对于深厚比小于40的浅层采空区进行加固是必要的；对于缺乏矿区开采资料的小窑采空区采用探灌结合的方法进行加固处理是节省工程投资的有效方法。中图分类号：U213

2、.1+4文献标识码：A文章编号：1．工程概况朔准铁路由于地形和既有建筑物限制需穿越硫磺矿采空区及采空影响区，路堤边坡最高19.0m，路堑边坡最高13.0m。8小硫磺矿采空区产于奥陶系灰岩侵蚀面上的中石炭系本溪组泥岩、铝土页岩中，埋藏深度20～50m。矿床厚度随奥陶系灰岩之侵蚀面而变化，矿层走向为北20度西，倾向西南，倾角5-10度左右，呈不规则结核状产出。其可采厚度0.5～4.0m，最大可采厚度达10余米，为主要开采层。小硫磺矿开采方式为炮采和镐采，主巷道宽高约2.5×2.0m，支巷道开采矿体，矿体呈鸡窝状，不规则，开采高度一般0.5～2.0m，回采率约10～20％，在

3、开挖过程中，后面的矿渣填充到前面的开挖空间内，根据调查充填率约40～60％，采空顶板岩性为砂岩和砂质泥岩，底板岩性为白云质灰岩。开采比较混乱。根据调查访问，最大窝状矿体开采长度约100m，开采宽度一般约2.0～4.0m。根据钻探揭示，孔见采空概率为36.5％；在揭示有硫磺矿开采孔中，既有空洞也有充填，揭示空洞高度1.1～4.4m，单孔钻探揭示最大累计开采厚度9.5m，揭示单层最大开采厚度6.4m，调查最大开采宽度约8.0m。目前地面未见裂缝和塌陷坑。2．稳定性分析由于硫磺矿采矿范围狭窄，呈巷道式，无支撑，属于小型采空，分别按巷道顶板稳定性计算法、洞体顶板坍塌自行堵塞估算

4、法、普氏崩坏拱法进行稳定性分析。2.1．巷道顶板稳定性计算法：8计算顶板岩层自然平衡的临界深度H0，用H与H0的关系来评价小型采空区的稳定性，其中2a为空洞宽度，φ为岩层的内摩擦角。评价标准为：当H1.5H0时，顶板及地基稳定。根据勘探所取岩样进行的强度试验指标及上覆各地层岩性的厚度确定内摩擦角。采空区上覆地层按泥岩累计厚度14m、砂岩累计厚度11m、灰岩厚度5m。根据岩石强度试验指标及φ值的选取内摩擦角分别为：45°、57°、70°，其加权平均值为：53.57°。按以上两种方法得到的φ值综合分析，此处φ按55°进行计算。计算结果如表2-1：表2-1安全深度计算表这种方

5、法是假定岩体面运动所发生的摩擦力τ=σtgφ，而顶板的凝聚力c=0。实际上，岩体的内聚力成倍增长，此时，利用上述公式计算临界深度H0会出现两种后果，首先计算结果偏大，其次φ值越大，H0随之增大，这与实际情况不符。因此，表所列的临界深度和安全深度值仅能粗略的评价小型采空区顶板的稳定性。按此理论计算，基岩覆盖层厚度少于84.5m时，地表可能塌陷或变形。2.2．洞体顶板坍塌自行堵塞估算法由于本段为硫磺矿采空，顶板为厚层状砂岩、泥岩，所以采用此种方法进行估算。8洞体顶板被裂隙切割呈块状、碎块状，顶板塌落后体积松胀，当塌落向上发展到一定高度，洞体可被松散的坍塌体自行堵塞。在没有地

6、下水搬运的情况下，可以认为洞体空间已被支撑而不再向上扩展了。设洞体空间体积为V0，塌落体体积V1松胀后不仅充填了塌落空间，还充填了V0，此时塌落高度Z可由式4确定。V0+V1＝K·V1（式1）式中：V0——洞穴原体积（m3）；V1——可能坍塌的岩体体积（m3）；k——顶板岩石的涨余系数，Ⅳ级围岩K≈1.15；砂岩按1.15。设洞体顶板为中厚层砂岩，洞体截面积为F，洞高H0，假定塌落前后洞体均为柱形，则：V0=F·H0（式2）V1=F·Z（式3）Z=H0/（K-1）（式4）根据此理论计算，采空高度按6.0m计算时硫磺矿采空区基岩覆盖层厚度少于40.0m时，地表可能塌陷或变

7、形。2.3．普氏崩坏拱法普氏采用下式确定压力拱高h1：在有侧压力的坑道内，若完全不加支撑，则岩石崩落使两侧边坡达到φ角时才停止，形成塌落拱即崩坏拱，此时，崩坏拱的高度h2按下式求得：8b2为崩坏拱跨度之半（m）a为洞室高（m）b为开挖断面跨度之半（m）f为岩体的坚实系数。对于松散土及粘性土f=tgφ，而对于岩性岩石Rc为饱和单轴抗压强度（单位：MPa）。由试验知砂岩饱和抗压强度为23.2Mpa,则内摩擦角按57°，采空高度分别按4.0m、6.0m计算。则计算结果见表2-2：表2-2巷道宽度与采空高度关系一览表Table.2-2Relati