煤矿采空对地下隧洞的影响评价与防治对策——以新安引畛济涧工程为例

牛书安，闫思泉

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

0 引言

新安引畛济涧工程采用自流引水，从畛河引水至新安县涧河。引水隧洞自引水口开始先沿西南方向然后折向正南，先后经洞子崖煤矿、小村联办煤矿、鑫山煤矿、新义煤矿采空区至黑山沟附近沿北京路穿越县城，在上河村附近注入涧河，隧洞进口高程252.50 m，出口高程249.80 m，长度13.60 km，引水流量2.2 m3/s。鉴于煤矿矿区是地质灾害多发区，在煤矿区进行工程设计与建设过程中，首先要从采空区的一般变形规律入手，预测评价其对工程的影响程度，根据影响程度采取相应的防治对策，以避免地质灾害的发生。

1 采空区与地下隧洞的关系

隧洞区有二1、七2两层可采煤层，其中，二1煤为二叠系下统山西组(P1s)，七2煤为二叠系下统下石盒子组(P1x)。在隧洞区形成了老采空区、现采空区和未来采空区，对隧洞带来了不利影响。

1.1 老采空区

老采空区主要为开采七2煤层所形成，该煤层厚0.27～0.77 m，平均0.48 m，为地方村镇级煤矿的主要开采煤层，煤矿多已停采8年以上，采空区分布高程170～300 m。

为调查老采空区与隧洞的相对关系，沿隧洞进行了物探(大地电磁法)工作和钻探工作。勘探结果表明，隧洞桩号0+000～2+281 m之间存在5段老采空区。结合所搜集的采空区资料和附近煤矿钻孔资料可知，隧洞桩号0+000～1+031 m采空区位于引水隧洞上方，桩号1+031～2+281 m段采空区位于隧洞下方，采空区净高1 m左右。

1.2 现采空区

隧洞区附近现采空区主要集中在白墙村东西两侧(新义煤矿)，称之为白墙采空区，煤矿已开采3年左右。该区为单斜地层，岩层倾向SE，倾角约10°，开采煤层为二1煤层。该煤层最大厚度15.5 m，平均4.81 m。分布高程-650～150 m，隧洞从其采煤斜井上方穿过，隧洞底板与煤层顶板垂直高差400～650 m。

1.3 未来采空区

隧洞区附近未来采空区主要为二1煤层，属新义煤矿，煤层分布高程在-150 m以下，均位于隧洞下部，与隧洞高差400～650 m。

煤矿采空区与隧洞的关系见表1、图1、图2。

图1 煤矿采空区范围与隧洞关系平面示意图Fig．1 Plan view showing the relationship between the goaf range and water diversion tunnel

表1 煤矿采空区与隧洞的关系表Table 1 Relation between goaf and diversion tunnel

图2 煤矿采空区范围与隧洞关系剖面示意图Fig．2 Sectional view showing the relationship between the goaf range and the tunnel

2 采空区对地下隧洞的影响评价

2.1 采空区一般变形特征［1-4］

煤层被开采后，上覆岩层原有的应力平衡状态被破坏，即产生冒落、断裂和弯曲等一系列变形与破坏，影响到地表出现下沉、裂缝、倾斜、水平位移等地表塌陷变形现象，随着采空区面积的扩大，地表发展成凹陷盆地(洼地)，即地表移动盆地。根据地表变形值的大小和变形特征，从移动盆地中心向边缘在平面上可分为三个区:均匀下沉区(也叫中间区，即移动盆地的中心平底部分)、移动区(又称内边缘区或危险变形区，变形不均匀，对工程建筑破坏大)、轻微变形区(又称外边缘区，地表变形较小)。

垂直方向上，覆岩变形后不能形成具有支撑能力的悬顶，且不断冒落，并在采空区边界形成悬臂梁或砌体梁，而在采空区内形成对覆岩起支撑作用的矸石支座。按照其变形特征自下而上可分为三个带:冒落带(又称崩落带，采空区顶板破碎坍落形成，我国主要煤田的冒落带厚度多为采厚2～8倍)、裂隙带(又称破裂弯曲带，处于冒落带之上，产生较大的弯曲和变形，其厚度一般认为是冒落带厚度的2～3倍)、弯曲带(裂隙带顶面至地面的厚度)。

2.2 采空区变形估算方法［5］

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》可进行采空区变形值估算，充分采动时:

最大下沉值Wcm=q·M·cosα

最大水平移动值Ucm=b·Wcm

影响半径R=H/tanβ(m)

最大倾斜值Imax=Wcm/R(mm·m-1)

最大曲率Kmax=±1.52·Wcm/R2(mm·m-2)

式中，M为煤层法线采厚，α为煤层倾角(°)，H为开采深度(m)，β为移动角(°)，水平移动系数b=0.3·(1+0.0086·α)，下沉系数q=0.5·(0.9+p)，其中，覆岩岩性及厚度系数为覆岩i分层的法线厚度(m)，Qi为覆岩i分层的岩性评价系数。该规程确定建筑物保护的允许变形值为:最大倾斜3 mm/m;最大曲率0.2 mm/m2。

2.3 我国类似矿区变形参数实测值［5］

为进行采空区变形值估算，我国许多矿区都进行了监测工作，根据部分矿区实测参数统计，煤矿采空区移动角一般在64°～84°，移动延续总时间最长1680天(约4.6年)。

2.4 七2煤层老采空区对地下隧洞的影响

七2煤为地方小煤矿主要开采煤层，该层采厚1 m左右，据此估算三带厚度分别为:冒落带2～8 m，裂隙带4～24 m，弯曲带厚度为裂隙带顶板到地面的厚度。开采七2煤层的煤矿停采均已8年以上，采空区变形均已结束。对照线路工程地质剖面图，采空区在地下隧洞桩号0+000～1+031 m段位于隧洞上方，对隧洞影响较小，但要注意老窑水可能通过裂隙向隧洞渗漏而导致突水问题;在线路桩号1+031～1+431 m段隧洞位于采空区冒落带内，可能造成隧洞塌方、突水、底板塌陷等问题;桩号1+431～2+682 m段隧洞位于采空区裂隙带内，可能造成隧洞底板开裂、隧洞下沉问题;桩号2+671 m段以后隧洞处于弯曲带内，可能会造成该段隧洞缓慢下沉弯曲。

2.5 二1煤层现采空区、未来采空区对地下隧洞的影响

隧洞附近现代及未来采空区属于新义煤矿煤田，主要开采二1煤层。据新义煤田勘探资料，该煤层最大厚度15 m，平均4.81 m，分布高程在-150 m以下，拟建引水隧洞桩号4+722～9+335 m段穿越新义煤矿规划范围，煤层与隧洞高差400～650 m。随着新义煤矿采空区范围不断扩大，隧洞难免受其影响。

二1煤层平均厚度按5 m考虑，则垂直方向上，冒落带厚度10～80 m，裂隙带厚度20～240 m左右。隧洞穿越煤田段均位于弯曲带内。煤层与隧洞之间主要为二叠系、三叠系中细粒砂岩、泥岩、砂质泥岩、煤层、石英砂岩、粉砂岩等，以软质岩为主。取煤层法线厚度M为5 m，煤层倾角α为10°，移动角β为80°，查表并计算得到覆岩岩性及厚度系数P为0.5，则依据相关公式估算充分开采后隧洞附近采空区变形参数见表2。由表中可以看出，最大下沉、水平位移、最大倾斜值和最大曲率已超出允许变形量，应对隧洞采取相应的处理措施。

表2 二1煤采空区对隧洞的影响变形参数预测表Table 2 Prediction about deformation parameter of the impact of two 1 goaf to diversion tunnel

3 防治对策［5－9］

鉴于老采空区引起地下隧洞突水、塌方、底板塌陷开裂等问题，现在和未来采空区预测变形参数超过允许变形值，在进行隧洞设计时，需采取相应的处理措施，本工程从预留煤柱、加大隧洞设计尺寸、加强衬砌支护等方面进行方案比较和设计优化。

(1)预留煤柱:对二1煤现在和未来采空区进行预留煤柱计算。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，该引水隧洞保护等级为Ⅱ级，故两侧围护带宽度各按15.0 m，隧洞底宽为3.20 m，保护宽度为33.2 m，保护长度为4613.0 m。采用垂直剖面法计算，预留煤柱宽度(垂直隧洞走向)为174.0～262.0 m。煤柱体积约502.8×104m3，煤柱视密度按1.46，总重量为734.1×104t。可以看出，该方案的缺点是压煤量过大，赔付投资远大于工程自身建设投资，经济损失过大，资源浪费严重。

(2)加大隧洞高度，预留沉降值，做好运行期破坏后的修复预案:该方案是根据采空区最大下沉值，加大隧洞高度，预留沉降值，同时减少衬砌分缝长度。该段隧洞适当加大隧洞断面后，即使未来塌陷导致隧洞产生不均匀沉降，造成局部破坏，剩余断面尺寸仍能满足输水要求，经计算采空区范围隧洞(毛洞)高度4.5 m，宽度3.2 m可满足预留要求。该方案的缺点是如果运行过程中隧洞被破坏，修复需要时间较长，且修复具有一定难度，但技术上是可行的。

(3)加强衬砌、支护和施工排水。根据在采空区进行隧洞破坏后修复加固的经验，凡衬砌段的隧洞，受采空区破坏的程度相对较小，破坏后容易修复;凡未衬砌段的隧洞，受破坏的程度相对严重，且修复难度也大，因此，需要加强采空区范围洞段的衬砌。另外，有些老采空区虽然已经变形处于衰退期，基本稳定了，但隧洞围岩产生了松弛、拉裂、破碎等破坏，可能会产生塌方、突水等问题，给隧洞施工带来威胁，施工时应加强支护和排水工作。

经综合比较，本工程选择了技术可行、经济合理的加大隧洞设计尺寸的方案，并对经过采空区(包括老采空区、现在采空区和未来采空区)的洞段进行了全断面衬砌设计，取得了较好的效果。

4 结论与建议

当工程必须经过采空区时，应通过勘察和广泛收集尽可能准确的资料，查明工程和采空区的相对空间关系。从采空区的塌陷规律和特点入手，评价老采空区对工程可能造成的破坏类型和影响范围。通过对现在、未来采空区变形参数的预测，判断其对工程的影响程度，从而决定是否需要对工程采取处理措施。

对通过采空区的地下隧洞，可采取三种措施对其进行保护，即预留煤柱、加大设计尺寸、做好衬砌支护。在实际工作中，还需通过方案比较，选择技术可行，经济合理的方案加以实施。

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