论文部分内容阅读
【摘 要】随着国民经济的迅猛发展，做为国民经济先行的交通运输也呈快速发展之势，而线路穿越矿区时难免受到地面塌陷、地裂缝等地面变形灾害的影响和破坏，文章通过对山西省五台至盂县高速公路K72+575～K75+221.9段地面变形灾害危险性分析，强调采矿活动对公路建设的影响，提出另选线位、空区勘查治理、未采区合理留设保安煤柱等防治措施，具有一定的借鉴意义。
【关键词】地面变形；危险性分析；高速公路
Five mining collapse, and Yu highway to fracture characteristics and risk assessment
Qin Rui-ping
(Shanxi Third Geological Engineering Investigation Institute Yuci Shanxi 030620)
【Abstract】With the rapid development of the national economy, as the first national transport also showed a tendency of rapid development, and mining will inevitably be the line through the ground subsidence, cracks and other surface deformation of the impact of disasters and destruction, the article by Shanxi five Taiwan to Yuxian Highway K72 +575 ~ K75 +221.9 section of ground deformation hazard analysis, emphasizing the mining activities on the impact of road construction is proposed Alternative alignment, space exploration area of governance, not leaving in the mining area and reasonable security pillar and other control measures, with some reference.
【Key words】Ground deformation;Risk analysis;Highway
1. 前言
山西省地处中部，起着承东启西的作用，是东西部紧密联系的纽带，构建纵贯南北、承东启西、覆盖全省、通达四邻的高速公路网尤为重要、而山西省矿产资源丰富，素有“煤海”之称，煤炭资源的开采和加工历来是支柱产业，矿产资源开采大大促进了经济发展，但同时也带来负面影响，在采煤区高速公路建设从选址到施工以及建成后公路养护都大大增加了工作量和投资额。
2. 工程概况
五台至盂县高速公路是位于山西省东北部，跨越忻州市五台县和阳泉市盂县，全长75.2049Km。有煤标段为K72+575～K75+221.9，长2.6719Km，设计为路基工程，该段穿越盂县盆地，冲沟发育，地表多为第四系黄土覆盖，下伏二叠系山西组、石炭系太原组含煤地层， 赋存5、8、9、15号可采煤层，其中9号煤为大部分可采，15号煤为全区稳定可采，其它煤层均为局部可采。该段处于沁水煤田阳泉矿区盂县精查区内，目前无探矿权设置，仅设一个采矿权，为阳泉盂县石店煤业有限公司，开采方式为长壁式，现区内煤层大部分已采空，引发地面塌陷及裂缝，造成土地及房屋破坏。
3. 地质灾害发育特征
调查发现采空塌陷9处、地裂缝2组（表1），采空塌陷分布于宽缓梁坡地带，多以群集式分布，少数为长列式，分布面积0.0003～0.036Km2，陷坑形状多为圆形、椭圆形，直径0.4～6m，深1～5m。地裂缝与塌陷相伴而生，均为群集式分布，呈直线或弧形，走向与斜坡走向近一致，目前多数地段已填埋，分布面积0.08～0.1Km2，规模均属小型，处于发展变化阶段，稳定性均差［1］。
4. 危险性分析
4.1 定性分析
根据以往经验数据，当深厚比小于30时，引起地面变形破坏强烈，当深厚比在30～100之间，引起地面变形破坏较强烈，深厚比大于100时，引起地面变形破坏较轻。
9号煤层平均厚度2.33m，埋深22～87.5m，采煤深厚比为9.44～37.55，开采后引发地面变形破坏强烈～较强烈；15号煤层平均厚度6.52m，埋深37.2～141m，采煤深厚比为5.71～21.6，开采后引发地面变形破坏强烈，如是复采会更加严重。
4.2 半定量分析。
4.2.1 地基稳定性分析。
巷道顶板埋藏深度H为22～87.5m，采用小窑采空区地基稳定性评价［2］方法进行地基稳定性评价，求取使顶板岩层恰好保持自然平衡的临界深度H0，与煤层埋深H比较进行判断：
当H＜H0时，地基不稳定；
H0＜H＜1.5H0时，地基稳定性差；
H＞1.5H0时，地基稳定。
临界深度H0计算公式如下：
H0= Bγ+B2γ2+4BγP0tanφtan2(45°-φ2)2γtanφtan2(45°-φ2)
H0——巷道顶板的临界埋藏深度(m)；
P0——建筑物基底单位压力(KPa)，取200KPa；
B——巷道宽度(m)，取4m；
γ——上覆岩层容重(t/m3)，取2.3t/m3；
φ——岩层内摩擦角(°)，取60°；
计算求得：H0=74.3m，1.5H0=111.4m
H0＜H＜1.5H0，说明地基稳定性差。
4.2.2 地面变形预测。
通过求取采煤后地表最大移动、变形和倾斜［3］等特征值来分析地表变形程度，各参数概算公式如下：
<1> 最大下沉值：Wmax=m•q•cosα
<2> 最大曲率值：Kmax=±1.52Wmaxr2
<3> 最大倾斜值：Imax=Wmaxr
<4> 最大水平移动值：Umax=b•Wmax
<5> 最大水平变形值：εmax=±1.52b•Wmaxr
式中：q——下沉系数；取0.80；
α——煤层倾角，取10°；
r——地面影响区半径（m），r= Htgβ；
H——开采深度（m）；
β——移动角（度）；取72°，tgβ=3.08
b——水平移动系数；取0.3；
m——煤层开采厚度（m），9下号煤为2.33m，15号煤为6.52m。
15号煤层覆岩岩性为中硬，复采区下沉活化系数a取0.2，则
q复=(1+a)q初=（1+0.2）×0.8=0.96
水平移动系数取b复=b初
计算结果详见表2，由建筑物的损坏等级表（表3）可以看出：K72+550～K75+221.9段受采煤影响发生采空塌陷、地裂缝等地面变形灾害的可能性大，建筑物的损坏等级全部达到Ⅳ级，为严重～极度严重损坏，危害程度大，危险性大，将严重影响公路建设和安全运营。
5. 结论与建议
经以上分析，采煤活动对公路建设影响大，如具备条件公路应另选线位；如果条件不具备对有采空区分布区段要进行采空区勘察，查清采空分布地面，进行帷幕、回填、固结灌浆等工程措施进行处理；尚未开采区段要严格按相关规程规范合理开采，为公路留设保安煤柱，确保公路正常施工和建成后的安全运营。
参考文献
［1］ 秦瑞萍，杨继荣等．山西省五台至盂县高速公路工程地质灾害危险性评估报告．山西省第三地质工程勘察院，2010.
［2］ 陈群，项勃等.工程地质手册（第二版）［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 1982.
［3］ 国家煤炭工业局制定，建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］.，煤炭工业出版社出版2000.
［文章编号］1006-7619（2011）06-20-626
［作者简介］ 秦瑞萍（1971-），职称：工程师，学历：本科，1989年毕业于郑州地质学校水工专业，2007年完成中国地质大学（北京）资源勘察专业，一直从事水文、工程、环境地质工作。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】地面变形；危险性分析；高速公路
Five mining collapse, and Yu highway to fracture characteristics and risk assessment
Qin Rui-ping
(Shanxi Third Geological Engineering Investigation Institute Yuci Shanxi 030620)
【Abstract】With the rapid development of the national economy, as the first national transport also showed a tendency of rapid development, and mining will inevitably be the line through the ground subsidence, cracks and other surface deformation of the impact of disasters and destruction, the article by Shanxi five Taiwan to Yuxian Highway K72 +575 ~ K75 +221.9 section of ground deformation hazard analysis, emphasizing the mining activities on the impact of road construction is proposed Alternative alignment, space exploration area of governance, not leaving in the mining area and reasonable security pillar and other control measures, with some reference.
【Key words】Ground deformation;Risk analysis;Highway
1. 前言
山西省地处中部，起着承东启西的作用，是东西部紧密联系的纽带，构建纵贯南北、承东启西、覆盖全省、通达四邻的高速公路网尤为重要、而山西省矿产资源丰富，素有“煤海”之称，煤炭资源的开采和加工历来是支柱产业，矿产资源开采大大促进了经济发展，但同时也带来负面影响，在采煤区高速公路建设从选址到施工以及建成后公路养护都大大增加了工作量和投资额。
2. 工程概况
五台至盂县高速公路是位于山西省东北部，跨越忻州市五台县和阳泉市盂县，全长75.2049Km。有煤标段为K72+575～K75+221.9，长2.6719Km，设计为路基工程，该段穿越盂县盆地，冲沟发育，地表多为第四系黄土覆盖，下伏二叠系山西组、石炭系太原组含煤地层， 赋存5、8、9、15号可采煤层，其中9号煤为大部分可采，15号煤为全区稳定可采，其它煤层均为局部可采。该段处于沁水煤田阳泉矿区盂县精查区内，目前无探矿权设置，仅设一个采矿权，为阳泉盂县石店煤业有限公司，开采方式为长壁式，现区内煤层大部分已采空，引发地面塌陷及裂缝，造成土地及房屋破坏。
3. 地质灾害发育特征
调查发现采空塌陷9处、地裂缝2组（表1），采空塌陷分布于宽缓梁坡地带，多以群集式分布，少数为长列式，分布面积0.0003～0.036Km2，陷坑形状多为圆形、椭圆形，直径0.4～6m，深1～5m。地裂缝与塌陷相伴而生，均为群集式分布，呈直线或弧形，走向与斜坡走向近一致，目前多数地段已填埋，分布面积0.08～0.1Km2，规模均属小型，处于发展变化阶段，稳定性均差［1］。
4. 危险性分析
4.1 定性分析
根据以往经验数据，当深厚比小于30时，引起地面变形破坏强烈，当深厚比在30～100之间，引起地面变形破坏较强烈，深厚比大于100时，引起地面变形破坏较轻。
9号煤层平均厚度2.33m，埋深22～87.5m，采煤深厚比为9.44～37.55，开采后引发地面变形破坏强烈～较强烈；15号煤层平均厚度6.52m，埋深37.2～141m，采煤深厚比为5.71～21.6，开采后引发地面变形破坏强烈，如是复采会更加严重。
4.2 半定量分析。
4.2.1 地基稳定性分析。
巷道顶板埋藏深度H为22～87.5m，采用小窑采空区地基稳定性评价［2］方法进行地基稳定性评价，求取使顶板岩层恰好保持自然平衡的临界深度H0，与煤层埋深H比较进行判断：
当H＜H0时，地基不稳定；
H0＜H＜1.5H0时，地基稳定性差；
H＞1.5H0时，地基稳定。
临界深度H0计算公式如下：
H0= Bγ+B2γ2+4BγP0tanφtan2(45°-φ2)2γtanφtan2(45°-φ2)
H0——巷道顶板的临界埋藏深度(m)；
P0——建筑物基底单位压力(KPa)，取200KPa；
B——巷道宽度(m)，取4m；
γ——上覆岩层容重(t/m3)，取2.3t/m3；
φ——岩层内摩擦角(°)，取60°；
计算求得：H0=74.3m，1.5H0=111.4m
H0＜H＜1.5H0，说明地基稳定性差。
4.2.2 地面变形预测。
通过求取采煤后地表最大移动、变形和倾斜［3］等特征值来分析地表变形程度，各参数概算公式如下：
<1> 最大下沉值：Wmax=m•q•cosα
<2> 最大曲率值：Kmax=±1.52Wmaxr2
<3> 最大倾斜值：Imax=Wmaxr
<4> 最大水平移动值：Umax=b•Wmax
<5> 最大水平变形值：εmax=±1.52b•Wmaxr
式中：q——下沉系数；取0.80；
α——煤层倾角，取10°；
r——地面影响区半径（m），r= Htgβ；
H——开采深度（m）；
β——移动角（度）；取72°，tgβ=3.08
b——水平移动系数；取0.3；
m——煤层开采厚度（m），9下号煤为2.33m，15号煤为6.52m。
15号煤层覆岩岩性为中硬，复采区下沉活化系数a取0.2，则
q复=(1+a)q初=（1+0.2）×0.8=0.96
水平移动系数取b复=b初
计算结果详见表2，由建筑物的损坏等级表（表3）可以看出：K72+550～K75+221.9段受采煤影响发生采空塌陷、地裂缝等地面变形灾害的可能性大，建筑物的损坏等级全部达到Ⅳ级，为严重～极度严重损坏，危害程度大，危险性大，将严重影响公路建设和安全运营。
5. 结论与建议
经以上分析，采煤活动对公路建设影响大，如具备条件公路应另选线位；如果条件不具备对有采空区分布区段要进行采空区勘察，查清采空分布地面，进行帷幕、回填、固结灌浆等工程措施进行处理；尚未开采区段要严格按相关规程规范合理开采，为公路留设保安煤柱，确保公路正常施工和建成后的安全运营。
参考文献
［1］ 秦瑞萍，杨继荣等．山西省五台至盂县高速公路工程地质灾害危险性评估报告．山西省第三地质工程勘察院，2010.
［2］ 陈群，项勃等.工程地质手册（第二版）［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 1982.
［3］ 国家煤炭工业局制定，建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］.，煤炭工业出版社出版2000.
［文章编号］1006-7619（2011）06-20-626
［作者简介］ 秦瑞萍（1971-），职称：工程师，学历：本科，1989年毕业于郑州地质学校水工专业，2007年完成中国地质大学（北京）资源勘察专业，一直从事水文、工程、环境地质工作。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文