辽宁采空区调研报告.doc
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1、交通部公路工程标准规范制修订项目采空区公路设计指南调研报告之X辽宁省采空区勘察、治理设计及施工综合技术调研报告报告编制单位: 报告编制时间: 目 录1调研工作概况22 调研内容32.1 采空区地质背景32.1.1 矿产资源类别32.1.2 成矿年代及空间分布特征32.1.3 地层岩性特点42.1.4 矿产资源开采历史42.1.5 采矿工艺概况42.1.6 塌陷灾害发育历史及危害程度42.2 采空区公路现状及发展趋势评价52.3 采空区勘察52.3.1勘察思路52.3.2 技术方法及特点62.3.3 工程勘察效果评价72.4 采空区稳定性评价72.4.1定性评价方法72.4.2定量评价方法82.
2、4.3 稳定性评价参数的取值及获取方法82.4.4 采用的稳定性判别标准82.4.4 稳定性评价方法及标准使用效果评价82.5 采空区公路设计原则92.6 采空区处治工程设计92.6.1 采用的设计依据92.6.2 处治范围(处治范围的确定原则及依据)102.6.3 处治方案的选择102.6.4 处治工程设计概况112.6.5 设计方案合理性评价122.7 采空区处治施工122.7.1 施工组织设计概况122.7.2 施工机具选择及设备型号162.7.3 施工质量控制参数172.7.4 施工效果评价172.8 采空区监测及处治效果检测172.8.1 监测、检测工作概况172.8.2 监测仪器与
3、方法182.8.3 质量检测测仪器与方法182.8.4 监测、检测方法实用性及成果可靠性评价183 调研结论与建议193.1 结论193.2 建议194附件(复印件)201调研工作概况根据采空区公路设计指南项目工作计划,由中国地质大学(北京)慎乃齐、张文和吴海军三人组成的东北调研组于2008年6月23日7月10日开展了辽宁省采空区公路建设情况调研,走访了辽宁省交通勘察设计院,主要调研项目是锦州至阜新高速公路采空区路段的勘察、稳定性评价以及采空区处治设计等,并对采空区公路路基稳定状况及公路运行情况进行实地调查。具体工作安排及工作内容见表1。表1 调研日程安排表调研地点调研人调研时间调研内容辽宁省
4、慎乃齐张文吴海军2008年6月23日-24日(北京-沈阳)前期调研问题准备2008年6月24日上午(沈阳)与辽宁交通院负责人座谈,了解采空区概况2008年6月24日下午(沈阳)锦州-阜阳高速公路采空区现场调研2008年6月25日上午(沈阳)辽宁院资料收集及座谈2008年6月25日下午(沈阳)辽宁院资料收集及座谈2008年6月25日-26日(沈阳-北京)返回本次调研取得资料3份,即:(1)锦州至阜新高速公路煤矿采空区处治施工图设计;(2)铁岭-朝洋高速公路采空区工程勘查报告;(3)朝阳边杖子煤矿继续开采对公路稳定影响分析报告。2 调研内容2.1 采空区地质背景2.1.1 矿产资源类别辽宁省地质成
5、矿条件优越,矿产资源丰富,种类齐全配套,区位条件好,全省矿产资源总量丰富,但人均占有量不足;中小矿床多、大型特大型矿床少,部分支柱性矿产(如铁矿)贫矿和难选矿多,富矿少。截至2000年底辽宁省已发现矿藏115种,在辽宁省境内共发现各类矿产资源110多种,全省有探明储量并纳入辽宁省矿产储量表的矿产共70种;辽河油田是中国第三大油气田,石油、天然气储量分别占中国的15%和10%;固体燃料矿产3种;非金属矿产42种,矿产地668处,各类矿山企业6千余个,辽宁省矿产储量潜在价值为1.06万亿元(不含石油、天然气、煤成气、铀、地热、地下水、矿泉水、玉石和含钾岩石等矿产)。保有储量在全国居首位的矿产有铁矿
6、,红柱石,菱镁矿、熔剂灰岩、硼矿、金刚石、透闪石7种;居第二位的矿产有玉石、滑石、玻璃用石英岩;居第三位的矿产有油页岩、饰面用辉长岩、珍珠岩;居前五位的矿产还有石油、锰、冶金用石英岩、冶金用白云岩、冶金用砂岩、硅灰石、水泥配料页岩、水泥肥料页岩、水泥大理岩。此外,天然气居全国的第七位,钼矿、耐火钻土、石煤居全国的第八位。与辽宁省交通勘察设计院座谈了解到,本地公路建设遇到的大多是煤矿采区,而遇到金属矿区的情况较少,因此煤矿采空区稳定问题成为辽宁矿区公路建设中主要问题。2.1.2 成矿年代及空间分布特征本次调研主要涉及锦州至阜新线高速公路采空区,即K49+070K49+420,K49+436K49
7、+458路段(总长372m)穿越锦州义县聚粮屯乡义县煤矿采空区之上。该区侏罗系阜新组砂页岩中分布有三层煤层,层厚 0.70.9m,产状大体上一致,走向北东南西、倾向南东、倾角15o左右,埋深9100m不等。2.1.3 地层岩性特点锦州至阜新线高速公路采空区地段属低丘陵地带,地势起伏较大,相对高差达十几米,地面凹凸不平,地貌单元复杂。该采空区上覆地层为侏罗系阜新组泥岩、砂岩,沙泥岩互层以及泥岩夹煤层,地表浅部为太古界片麻岩及中更新世亚粘士,谷地为素填土。阜新组砂页岩岩性较软弱,岩层产状变化不大,走向北东南西、倾向南东、倾角1020o左右。片麻岩节理裂隙发育,风化成都不等,全风化强风化岩芯呈碎屑状
8、碎块状,弱风化岩芯呈碎石状短柱状。中更新世亚粘士含角砾、混粗砂颗粒,呈硬塑状态。2.1.4 矿产资源开采历史锦阜线高速公路义县煤矿的开采始于20世纪80年代初,于86年闭矿,后又经个体矿主多次开采,属于小煤窑无序开采,乱采滥挖现象严重,采空率达77%以上。2.1.5 采矿工艺概况义县煤矿为乡镇个体小煤矿,开采规模较小,开采工艺简单,主要采用竖井采掘。竖井开采法可分为穿过矿体的竖井开采、下盘竖井开采和侧翼竖井开采三种。义县煤矿主要采用第一种方法。采空区中含有8 个竖井,深度不一。2.1.6 塌陷灾害发育历史及危害程度锦阜线高速公路采空区路段主要为侏罗系的全风化、强风化及弱风化泥岩、砂岩及泥岩砂岩
9、互层,煤层厚 0.70.9m,采空区埋深 9l00 m不等,自北向南以约 15 度的倾角倾斜,采空高度0.93.5m,局部因冒落而充填。区内地质构造相对简单,但采空区顶板岩层的完整性较差,上覆岩层风化较严重,多数已坍塌形成冒落带。80年代以来,随着采煤活动的加剧,采空区上部房屋出现明显的裂缝,公路K49+220 以北路段地面也有明显的沉陷现象,采空沉陷对公路建设构成严重的威胁,因此在锦阜线高速公路建设中对采空区路段进行了处治加固。2.2 采空区公路现状及发展趋势评价辽宁省锦阜线高速公路自2001年建成投入运营至今,运营情况良好。现场调查表明,穿越采空区公路路面未发生大的沉陷变形现象,路基稳定(
10、照片1照片3)。预估该段公路在未来使用年限内不会出现问题。 照片1 锦阜高速公路义县段路面 照片2 锦阜高速公路40km处路面照片3 调研车行驶在锦阜线采空区路段2.3 采空区勘察2.3.1勘察思路经调查,辽宁公路采空区的勘察思路是:首先通过前期采矿资料的收集分析、结合实地踏勘、工程地质测绘初步判断采空区的分布范围,查清地面变形破坏;然后采用工程物探的方法确定地下空区的深度、规模、三带高度、采厚比等,最后采用工程钻探方法进行验证。2.3.2 技术方法及特点(1)工程地质调绘工程地质调绘是工程地质勘察中最主要、最根本的勘察方法。它运用地质、工程地质理论及有关学科知识对地质体、地质现象进行详细观察
11、描述,以查明拟定场地内工程地质条件的空间分布和各要素间的内在联系,并按照精度要求将它们如实地反映在一定比例尺的地形底图上。它具有经济、快速、有效等特点,是其他勘察手段的基础和依据。锦阜线采空区工程地质调绘进行了资料收集,地质素描图及全方位拍摄高分辨率彩色照片等。通过对矿主及在井下曾经工作过的工人进行了咨询,了解到轴线方向K48+840K49+420左右各50m处为塌陷区,向轴线负方向15m为一采空区。由于私人挖矿缺少必要的资料整理及技术支持,因此煤采开采资料收集比较困难,采空区位置较模糊。在采空区勘察中,则结合地质填图及煤层产状,推断地下采空区的位置,对收集到的资料起到了去伪存真的作用。(2)
12、工程物探物探方法是该地区采空区勘察最为常用的手段。由于采空区与其相邻介质存在一定的物性差异,因此使用合理的物探方法,并与其他勘探方法相配合,对所测的物探资料进行综合分析,可达到查明采空区空间分布的目的。物探方法受到地形地貌等的影响因素较多,单一的物探方法一般很难达到理想的效果,可选择多种物探方法进行综合勘察。物探方法一般操作简单,快捷,经济。辽宁地区多采用纳米瞬变电磁法 (Nano TEM) 、电阻率高密度法及浅层地震波法等多种物探方法进行采空区勘察。根据公路勘察技术规程、结合现场实际情况确定物探范围、布置物探剖面及测点间距。锦阜线采空区路段工程物探主要采用电阻率高密度法和纳米瞬变电磁法,共布
13、设 7 条物探剖面, 测点间距为 2m。高密度电法剖面线总长度为 646m, 物探测点 309 个,断面数据采集总数 3036 组。磁法剖面线总长度为 646m, 物探测点 330 个。 高密度电法使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-3 型高密度电阻率测量系统进行。纳米瞬变电磁法使用北京地质仪器厂生产的CSC-3 型悬丝式磁力仪。(3)工程钻探在工程勘察中,钻探是最常用的也是最有效的勘探手段。钻探方法适用于不同地质条件,能直接查明采空区位置,观察采空区覆岩岩芯和采样,勘探的精度高。鉴于物探方法受诸多因素的影响,具有多解性的特点,必须采用钻探对物探勘察成果进行效验,以确保物探勘察成果可靠性
14、。锦阜线采空区路段在物探工作的基础上,布设6个钻孔对物探勘察成果进行验证。钻孔坐标及高程采用SOKKIASET2100 型全站仪测定,钻探采用GY-150 型钻机回转钻进。2.3.3 工程勘察效果评价通过工程地质测绘、采矿调查和物探,结合钻探验证等综合勘察手段, 查明公路场地采空区分布,基本确定了采空区的分布长度和宽度以及影响范围。工程地质测绘简单方便,但勘察深度也受到一定的限制。物探方法操作简单,快捷,经济,且有一定的精确度。调查表明,在采空区勘察中,仅采用单一的物探方法效果不是很理想,最好结合实际情况,因地制宜采用多种物探方法进行综合勘察,并布置适量钻孔加以验证。锦阜线采空区勘察采用电阻率
15、高密度法和纳米瞬变电磁法相结合法进行,经钻探检验,物探效果一般,也存在物探结果与实际情况不符的现象。分析其原因主要是物探工作受勘察场地地形等因素影响较大。2.4 采空区稳定性评价2.4.1定性评价方法 采空区稳定性定性评价是经验分析法,其主要是根据采空区埋深、规模大小、覆岩岩性及结构特征、三带高度、采厚比、地质构造复杂程度、水的作用、地表变形破坏等情况,并考虑公路类别及等级,结合工程经验来判断采空区公路场地的稳定性。2.4.2定量评价方法采空区稳定性定量评价方法主要有经验公式法、解析法(常用概率积分法)及数值模拟法等,通过计算地基承载力、空区上覆岩层临界厚度、剩余地表变形量、采空区岩土体应力与
16、应变等,来分析采空区公路路基的稳定性。锦阜线采空区路段的稳定性分析主要依据经验宏观判断。2.4.3 稳定性评价参数的取值及获取方法依据相关规范及工程经验是该地区的稳定性评价参数获取的主要方法。在稳定性定量评价中,计算参数的选取主要通过钻孔或采坑取样,室内试验,并依据现场实际情况加以修正后确定,有的参数依据相关规范按经验取值。2.4.4 采用的稳定性判别标准通过与辽宁公路设计院座谈了解到采空区的稳定性判别标准是本地区勘察单位十分关注的重要问题,鉴于目前公路行业尚无规范可循,实际工作中采空区的稳定性判别标准,主要以采厚比指标,或仅仅依靠各自的经验宏观判断。对于老采空区可按地表剩余沉降量等指标将采空
17、区高速公路路基进行稳定性分区,详见下表。表2 高速公路采空区路段地基类型划分表 2.4.4 稳定性评价方法及标准使用效果评价本地区一般依据采空区的开采时间、开采方式、开采深度、采空高度、采空率以及路基筑高等条件, 按照我国其他高速公路 (太旧高速公路、晋焦高速公路)采空区稳定性分析的评价标准 (即对于采厚比大于40, 闭矿5年以上, 煤层倾角不大于30度的采空区,认为地基稳定, 不予处理), 对该采空区路基的稳定性进行判断,以此作为是否处治的依据。如锦阜线采空区路段K49+070以南属于稳定地段, 而K49+070K49+420路段属于不稳定路段,实践表明所使用的评价方法及标准是较为合理有效的
18、。2.5 采空区公路设计原则在调研中,辽宁省公路建设遇到采空区时,由于考虑设计费用及建设工期等因素,一般采取避让的措施,在不得不穿越时,按照安全可靠、技术可行、经济合理的原则进行采空区公路设计。一般要求:(1)采空区的路基设计必须在采空区详细勘察的基础上进行。(2)采空区的路基设计应结合当地环境特点、工程地质条件、材料分布与供应、资源规划与工期要求等因素,进行多方案比较。(3)公路保护煤柱的留设要求 保护煤柱的留设条件 在尚未开采的煤层分布区,属下列情况之一者应设保护煤柱。a.高速公路及一级公路;b.隧道;c.特大桥、大桥和中型桥;d.地下开采会有严重滑坡危险而又难以处理的路段。 保护煤柱的围
19、护带宽度 路堤部分以公路两侧路堤坡脚外1m为界;路矩部分以两侧矩顶边缘为界,两侧界线以内的范围为受保护对象。沿两侧界线向外留设围护带,高速公路围护带宽为20m,一级公路围护带宽度为15m。 保护煤柱边界的确定 倾斜煤层保护煤柱的边界根据上山方向移动角、下山方向移动角及松散层移动角,用垂直剖面法确定。2.6 采空区处治工程设计2.6.1 采用的设计依据 采空区的处治工程设计主要依据以下规范:(1)公路工程技术标准(JTJ00197)(2)公路路基设计规范(JTJ01395)(3)岩土工程勘察规范(GB5002194)(4)建筑地基处理技术规范(JTJ7991) (5)公路工程地基处理手册(6)高
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