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新疆农业大学 硕士学位论文 采空区的岩土工程问题及治理措施 姓名张建 申请学位级别硕士 专业水利水电工程 指导教师李传镔;张远芳 2010-06 I 采空区岩土工程问题及治理措施采空区岩土工程问题及治理措施 摘 要 本文以乌鲁木齐市外环路东北段（南湖东路北京南路）道路拟建工程穿越的六 道湾煤矿采空区为背景，研究该采空区的稳定性和空区引起的地面变形及其影响因素， 确定该采空区对拟建工程的影响并提出治理措施。通过分析，对采空区稳定性及采空 区引起的地面变形具有较大影响的因素有地层岩土体结构、地质构造、地震作用、 构造应力、岩土体力学性质、开采方式和顶板管理方法、开采厚度与宽度、采空区埋 藏深度等。对地面变形的类型、特征、时空性和连续性进行分析得出该采空区主要有 沉降、地面塌陷、地裂等变形类型；采空区的地面最大沉降发生在空体上方，采空区 两侧的地面变形不对称，两侧变形差异很大；采空区地面变形连续且具有时空性。通 过地面变形优势指标埋藏优势指标 DR1、时间优势指标 TR1、采空区处理方式优 势指标 PR0.9、扰动岩土体物理力学优势指标 MR0.5-0.95，表明采空区地面变形受 空区埋藏深度、开采时间及处理方式的控制较为明显。将采空区各区域的顶、底板岩 体建立力学模型，得出岩体条块两侧的侧向力之间的关系式及滑动安全系数的关系式， 计算结果显示 1、2 区岩体条块多数为倾倒模式，在现有条件下 3 区岩体滑动安全系数 fs0.271，采空区顶、底板岩体不稳定。以稳定边界和变形边界影响范围分析采空区 对拟建工程的影响，结果显示 K1360mK2290m 地段拟建道路均受到采空区地面变 形的影响，面积约 1.01km2。结合采空区场地状况及条件，选择充填处理法对拟建工程 穿越的采空区进行治理。对已形成的小型塌陷坑充填，充填要密实；对地下充填不实 和地下埋深大于 30m 的空体进行钻孔注浆充填处理。 关键词关键词采空区；影响因素；地面变形；优势指标；稳定分析；处理措施 II The Problem and Processed measure of Geotechnical Engineering of Goaf Abstract To study and research the goaf to cause the deation of ground, influencing factor,stability of goaf and to decide the extent of effect for the project and to provide the processed measure, it based on the goaf of coal mine of liudaowan that the northeast road which out ring the city about urumqi to pass through. To sum up the literatures to get mains influencing factors of ground deation of goaf and to combine together with actuality condition to analyze the effect level about of influencing factors.The influencing factors such as stratum texture of rock ,geological structure,earthquake action,mechanics character of rock,way of mine and office procedure of roof, thickness and width of mine, deepness of goaf to bury and so on. Analysis the type, characteristic, space-time and continuity for ground deation to get the main type of deation are sttlement, ground to sink and fracture.The sttlement of goaf was happened on top of goaf,it is asymmetry and more difference for two sides. The sttlement of goaf have space-time and continuity.Use preferred index such as burial preferred index DR1,time preferred index TR1,gob handling preferred index PR0.9,disturbed geotechnical body preferred index MR0.5-0.95,the result to make clear that the ground deation preferred is strong. To divide three parts from roof and floor, established the model of mechanics to detrude the ula about the force from tow side of the rock strip be nonactive condition,and detrude the ula of slidable safety factor.The result is that the legionary rock strip in 1 and 2 part are dumping,the safety factor of 3 part fs0.271,the roof and floor of goaf are instability.According to the nonactive boundary and deed boundary make an analysis about the effect of the project on the goaf,the result is that the K1360mK2290m of the project was be influenced with ground deation of goaf,and the size of influencing limit is 1.01km2.According to the actual condition,the final choose is the fill ,use this to manage the goaf.For the miniative pit,must be filled close-grained;The uncompacted and goaf deep buried below 30m use serosity to fill it. Keyword goaf; influencing factor; ground deation; preferred index; stability and analysis; processed measure II 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得新疆农业大 学或其他教育单位的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 时间 年 月 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解新疆农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即新 疆农业大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，允许论 文被查阅和借阅。本人授权新疆农业大学将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名 时间 年 月 日 导师签名 时间 年 月 日 新疆农业大学硕士学位论文 1 第1章 绪论 1.1 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 随着矿产业的发展，蕴藏在地下的矿体被大量采出，因此而形成的地下采空区面 积也在逐年的增长。矿体被采出后，采空区围岩原始应力平衡状态被破坏，导致应力 重新分布，此影响如果发展到地表，将产生连续或非连续的地表变形，引起一系列岩 土工程问题。采空区的存在不仅给矿区人民的生产生活带来巨大的影响和损失，同时 也给矿区未来工程建设留下了巨大的隐患。近年来，随着基础设施建设及工业化和城 镇化的快速发展，一些地区的公路、铁路、桥、隧构筑物不得不建于采空区之上。高 速公路和铁路建设范围不断扩大，路线经过采空区的情况有时不可避免，高速公路和 铁路下伏采空区的存在，给路基的稳定带来了很多困扰。在静荷载或动荷载作用下， 有可能使原本稳定的采空区变得不再稳定，导致地下残留空间发生冒落，裂隙带岩体 发育或压实，地表产生大的移动和变形。 本次拟建设工程为乌鲁木齐市外环路东北段（南湖东路北京南路）道路工程， 该工程起点连接外环路东段南湖东路跨线桥，沿六道弯路向北，穿越六道湾煤矿采空 区，与苏州路东沿段相交后，沿苏州路向西，与南湖北路、河滩路、银川路、鲤鱼山 路、长春路、天津路、昆明路相交，终点与北京路跨线桥相连。在穿越六道湾煤矿采 空区的路段需要考虑采空区地面变形、稳定性及采空区对拟建设工程的影响，所以对 采空区的研究工作成为了确保拟建工程安全建设的前提。 采空区的存在对研究区域来说是一个严重的潜在危害，对采空区地面变形影响因 素、采空区引起的地面变形、采空区的稳定性、采空区治理措施的研究己成为相当棘 手的问题。若采空区处理不及时或处理措施不当，上方覆盖的岩层失去支撑，原来的 平衡条件被破坏，上方岩层产生移动变形，直到破坏塌落，严重威胁采空区下部矿体 开采的安全。因此，开展对采空区的岩土工程问题及治理措施的研究，对采空区处理 采空区的岩土工程问题及治理措施 2 和保障人类生产生活安全等都具有极其重要的理论意义和实际应用价值。 1.2 采空区问题研究现状采空区问题研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 国外早在 19 世纪就已经开始对采空区进行研究。1838 年，比利时工程师哥诺特 经过对列日城下开采沉陷的调查提出了开采沉陷的第一个理论“垂线理论” ，随后哥诺 特又以实测资料为基础提出“法线理论” ，认为采空区上下边界开采影响范围可用相应 的层面法线确定[1]132；1876 年，德国的依琴斯凯Jicinsky提出“二等分线理论” [1]132； 1882 年，耳西哈提出了“自然斜面理论”与移动角的概念很相似，并给出了从完整岩 石到厚含水冲积层的六类岩层的自然斜面角[1]133；1885 年，法国的裴约尔提出了“拱 形理论” [1]133；1923-1940 年，史米茨Schmitz,凯因霍尔斯特Keinhorst、巴尔斯Bals 等人相继研究了开采影响的作用面积及分带，提出了连续影响分布的影响函数，为影 响函数法奠定了基础[2]；1925 年，Keinhost 在前人工作的基础上研究了水平移动，得 到了计算地面水平位移的公式[3]；1947 年，前苏联学者阿维尔申出版了煤矿地下开 采岩层移动专著，利用塑性理论对开采沉陷进行了细致的理论分析，并结合经验方 法建立了地表下沉盆地剖面方程，该方程为指数函数形式，提出了水平移动与地面倾 斜成正比的著名观点[4]2；1950 年，克诺特提出了几何理论，布德雷克解决了克诺特提 出的下沉盆地水平移动及水平变形问题，这一理论现在称为布德雷克克诺特理论[4]3； 1954 年波兰学者李特维尼申提出了开采沉陷的随机介质理论，该理论把岩层移动过程 视为一个随机过程，推证下沉服从柯尔莫哥罗夫方程，把开采沉陷理论的研究提高到 了一个新的阶段[5]191；1969 年，Peck 提出了地层损失的概念和估算地面下沉的 Peck 公 式，Rowe 和 Hack 用间隙值来模拟地层损失，提出了地面变形计算公式，Attewell 给 出了地面沉降槽计算公式[5]191；1971 年，奥地利学者 H.卡斯特奈在其所著的隧道与 坑道静力学一书中，对无粘结力凝聚力松散地层的地压问题进行了研究，但并未 提出新的理论， 而是仍然继承了 “压力拱” 和太沙基的基本理论[6]； 1986 年， 前苏联 A.A. 新疆农业大学硕士学位论文 3 鲍里索夫用干燥的石英粉细砂和碎石模拟松散介质进行模型试验，观察了“巷道”开 挖后介质的变形特征和支架反力[7]。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 国内在采空区问题上的研究是从 20 世纪 50 年代开始的，通过多年的实测资料建 立了相应的地表移动变形计算方法，为采空区的稳定评价和治理提供了依据，取得了 一定的效益。国内研究的突出成果有1983 年，刘宝琛[8]采用弹性理论探讨了均匀介 质岩层的平面及三维条件下的位移表达式；1983-1985 年，李增琪[9]将覆岩看成岩梁板 的弯曲，采用傅立叶变换方法推导出了岩层的移动表达式；1986 年，王泳嘉[10]以离散 单元法和边界元法对采空区岩层进行了分析；1987-1988 年，张玉卓[11]提出了错位边界 元法和模糊内的有限元法；1988 年，谢和平[12]建立了以损伤学为基础的损伤非线性变 形有限元法；1989 年，何满潮[13]提出非线性非光滑有限元法；1994 年，吴立新[14]探讨 了厚硬岩层在覆岩运动中的作用，并研究了条带开采条件的覆岩与地表沉陷规律；1996 年，肖勤学[15]进行过碎散体涵洞三维模型实验研究网，实验结果表明碎散体亦具有 成拱作用，其压力拱为半椭圆形，并且模型实验的压力测试结果与现场压力监测结果 比较吻合；1999 年，周小文[16]进行过隧洞拱冠砂土位移与破坏的离心模型试验研究， 结果表明隧洞拱冠以上砂土在远小于原位上覆压力的支护压力下仅发生一定的位移 而不致塌落，并由此得出结论，若允许地表面发生少许沉降，隧洞支护压力可以比原 位上覆压力有较大程度的降低。朱珍德、胡定[17]提出了隧洞围岩压力位移反分析原理， 具有一定的可操作性；2000 年，蔡美峰[18]提出非线性地下岩土结构与工程安全监控新 理论；2001 年，郭广礼[19]对老采空区上方建筑地基变形机理和变形的控制进行了研究； 2004 年，徐水太[20]通过岩体力学性质测试和采空区有限元数值计算分析，研究了岩土 层性质、地下水作用、采空区稳定性对矿区周围地表移动和民房开裂的影响；2006 年， 黄志安[21]对采空区的“三带”的划分提出了界定准则；2007 年，陈晓斌[22]应用随机介 质理论建立了高速公路地下采空区地面变形计算模型；2008 年，胡海峰[23]研究采空区 跨度、延续时间与残余变形的规律，并提出了残余变形预计方法与计算公式，并应用 采空区处治的注浆量进行分析验证，得出采空区跨度和延续时间同地面残余变形的相 采空区的岩土工程问题及治理措施 4 关规律；2009 年，王运敏[24]借助三维激光空区监测系统有限差分软件 FLAC3D 建立空 区力学模型，形成从实测模型到力学计算模型的新方法，大大提高了采空区稳定性分 析的准确性和可靠性。 1.3 采空区引起的地面变形及其稳定性的研究方法采空区引起的地面变形及其稳定性的研究方法 目前对采空区引起的地面变形及其稳定性的研究方法尚未形成一个通用的成熟理 论，研究工作主要是围绕具体采空区展开的，对区域和场地地面变形的分析多是一些 定性的描述和分析。研究方法主要有剖面函数法、影响函数法、数值分析法、物理模 型法、随机分析法、模糊分析法、灰色分析法、分形几何分析法及神经网络法等。 1.3.1 剖面函数法剖面函数法 剖面函数法主要应用在水平开采和缓倾斜开采情况下的采空区地面沉降分析，尤 其是矿体开采断面是矩形，地面变形连续且能够形成一个塌陷盆地的情况。在塌陷区 监测区域内的沉降，分别设沿走向断面和倾向断面的下沉函数为W1x，W2y。在下 沉函数水平方向和垂直方向的影响半径及最大下沉量Wmax可以确定的条件下，通过概 率积分法求得下沉函数W1x，W2y，运用下沉函数可以求解出在下沉盆地中任意点 的下沉值Wx，y。此下沉函数可以对水平或缓倾斜开采的采空区下沉作出准确的预测， 但不能够对急倾斜开采的采空区进行预测。后来T.corano等人[25]通过研究建立了可以用 来预测倾斜和急倾斜煤层采空区地面沉降的函数。 1.3.2 影响函数法影响函数法 影响函数法是由Keinkorst和Bals在上世纪20年代到30年代提出来的,后来经过广大 学者们的不断努力，影响函数法成为解决采空区地面变形问题的主要方法之一。这种 方法的模型主要有克诺特-布德雷克法、Zych法、模糊影响函数法等[26]78。但是克诺特- 布德雷克法的基本影响函数是建立在正态分布函数的基础上的，由正态分布影响函数 得到的结果是关于拐点对称的[26]79，现实中的地面变形往往不是关于拐点对称的情况， 新疆农业大学硕士学位论文 5 由此带来的误差也比较大；Zych法是在克诺特-布德雷克法的基础上的延伸，该方法引 入了非对称的概念，并对水平方向和垂直方向的影响函数加以区分，有效的改善了现 实情况的非对称问题，减小了非对称条件的计算误差，但没有从本质上改变影响函数， 仍然是正态分布函数[27]；模糊影响函数法考虑了采空区周围岩土体对地面下沉及水平 位移的影响，影响函数的形态和数值随着地表点的位置和采空区积分单元的位置不同 而变化。用模糊影响函数法得到的结果能自动产生拐点偏移，得到与实际情况相符的 非对称性分布，其计算精度得到大幅度提高[26]79。 1.3.3 数值分析法数值分析法 目前的数值分析方法有很多，主要包括有限元法、离散元法、拉格朗日法、边 界元法等，数值分析方法已成为研究采空区问题的主要方法之一。数值分析方法的结 果可以反映出实际情况，但很难做到采空区大变形的合理模拟，而且参数选取的正确 与否直接关系到模拟的真实性。 1.3.4 物理模型法物理模型法 物理模型法是通过制作小比例相似材料来模拟地下采空区的开采过程、岩土体变 形及地面变形特征。物理模型法可以直接观测到采空区周围岩土体及地面的变形情况， 模型能够预演采空区的地面变形和移动过程，并且还可以通过模型反映出采空区周围 岩土体的地层变化、移动和断裂情况。物理模型法相比其他研究方法而言更直观地描 述了变形的过程。 1.3.5 随机分析法随机分析法 随机分析法应用非常广泛，是一种概率积分方法，以随机介质碎块的移动概率分 布为数学模型，求得计算地面移动和变形的公式。这一方法的特点是随机介质理论的 数学模型比较可靠、公式的推求过程严谨、便于编程计算、对地面变形的描述比较精 确。采空区周围的围岩体力学性态多数是介于连续和离散之间的，通过随机分析法得 到的预测结果是比较符合实际的[26]67。 采空区的岩土工程问题及治理措施 6 1.3.6 模糊分析法模糊分析法 自1965年模糊数学创立以来，不论是在理论上还在应用上模糊数学都取得了迅速 的发展。模糊数学在理论上的发展诸如拓扑学、逻辑学、测度论等；模糊数学在应用 方法上的发展如控制论、聚类分析、模式识别、综合评估等；在实际应用方面如中长 期气象预报、成矿预测、良种选择、故障诊断等。模糊理论是应用模糊变换原理和最 大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或级别评价。 该方法的难点在于相关因素及各因素的边界值的确定。模糊分析方法在矿井水文地质 分类、岩溶塌陷环境质量和危险性评价、边坡变形分析与预报的模糊人工神经网络方 法、边坡稳定分析的模糊概率法、地壳稳定性量化综合评价、成矿预测模糊综合判断、 地下水环境动态预测及脆弱性评价、地下水资源管理、工程勘察技术数据综合解释、 滑坡治理模糊优化决策、地质参数的模糊综合判断、基于人工神经网络的矿产资源分 类研究、岩石分类、综合判断地质灾害的危险性、泥石流危险评价、斜坡稳定性分析 等中得到了广泛的应用。该方法认为地面变形的影响因素具有相当的模糊性，采用模 糊理论对地面变形进行研究。在地表移动的模糊数学分析中，常使用模糊数学中的模 糊概率测度理论，利用模糊概率测度理论去分析岩土工程中的地面变形问题，关键是 如何确定隶属函数和分布概率密度函数，并使它们具有一定的物理意义。 1.3.7 灰色分析法灰色分析法 灰色理论是在上世纪80年代提出的，灰色理论主要适用于没有经验且数据很少的 不确定问题。灰色理论在地面变形中的应用多采用灰色关联进行分析，通过各个因素 之间的相似或相异程度来衡量各个因素的关联程度。一般关联程度的分析采用一阶微 分方程进行分析。 1.3.8 分形几何分析法分形几何分析法 事物具有分形的特点已经被接受和确认，并且分形理论在对一些复杂问题的分析 当中也已经取得了成功。分形几何分析方法在地质学领域也有了广泛的应用，比如地 震的分形、断裂的分形、节理裂隙的分形、边破稳定的分形等，特别是在地震的分形 新疆农业大学硕士学位论文 7 研究最成熟。分形几何分析方法在采空区问题上的研究还处在探索研究过程，尚未形 成成熟的研究系统。 1.3.9 神经网络法神经网络法 神经网络法是从上世纪的80年代初开始有了大跨度的进展，神经网络法在非线性 系统的控制和人工智能领域有很大的发展潜力。在工程问题方面，目前在边坡、采矿、 地下工程、深基坑等工程引起的地面变形分析及结构物本身的变形分析中得到了广泛 应用。采空区引起的地面变形并不是单一因素，并且各个因素之间的线性关系很不明 显，所以应用神经网络法对采空区引起的地面变形进行分析时，其分析结果的可靠性 还有待更多的考证。 1.4 采空区治理措施现状采空区治理措施现状 采空区处理措施目前主要有崩落处理法、充填处理法、矿柱或人工柱支撑法、封 闭、隔离法和联合处理法[28-36]。 矿柱支撑法留永久矿柱或构筑人工石柱处理采空区，适用于缓倾斜的，薄至中 厚层以下用房柱法或全面法回采的矿体，其顶板相当稳固，地表允许冒落。但从长远 来说，矿柱可能由于风化、侵蚀、剥蚀等作用而破坏，最终导致整个采空区塌陷。 充填法用充填料充填空区，是从坑内外将废石或湿式充填材料通过车辆运输或 管道输送送入采空区，将采空区充填密实。分为干式充填采空区和湿式充填采空区两 种。使用充填法，需有复杂的充填系统，耗费大量人力、财力、物力，管理比较繁杂。 建议在经过技术经济比较后，别无它法时，才选用充填法。 封闭、隔离法主要措施有封闭采空区与外界相通的巷道，设置隔离层将上部采 空区与下部作业区隔开，在密闭隔离的采空区上部开通通往地表的“天窗”，使采空 区冒落产生的冲击气浪可以从“天窗”冲出地表，以此保护巷道及作业区的安全。 崩落法地表允许陷落的情况下，多采用崩落法处理空区。它是将采空区的矿柱 及其顶板崩落，释放围岩应变能，用崩落的围岩充填采空区并形成缓冲保护垫层，防 采空区的岩土工程问题及治理措施 8 止采空区内大量岩石突然冒落造成气浪伤害。分为自然崩落围岩法和强制崩落围岩法， 它简单易行，成本较低，在矿山中应用较广。自然崩落法是通过充分回采矿柱，诱发 自然崩落并贯通地表，或封闭、隔离老采空区，让其自然冒落，但此方法安全系数不 高，存在较大安全隐患。强制崩落法实质是采用爆破手段崩落承压矿柱，使采空区顶 板失去支撑，岩移发展至地表，实现卸压充填采空区。 联合处理法其针对不同矿区的地质条件、开采方式、采空区的规模、埋深等因 素选取多种处理办法联合处理。 1.5 研究内容与思路研究内容与思路 以乌鲁木齐市外环路东北段（南湖东路北京南路）道路拟建工程穿越的六道湾 煤矿采空区为背景，通过文献资料的参阅、拟建工程的勘测、场地的已有资料的搜集 等，分析总结出采空区地面变形影响因素。对各个影响因素分析，在影响因素分析的 前提下，通过固体开采优势指标分析方法对采空区引起的地面变形进行分析和评价； 对采空区顶、底板岩体采用力学极限平衡原理分析采空区的稳定性；通过分析采空区 对拟建工程的影响，结合具体的场地条件提出合理的采空区治理措施。论文研究的主 要内容包括 l根据拟建工程所在位置，搜集该区域的相关资料进行分析和整理。所需要获得 的资料有工程地理环境、地质构造、水文地质情况、工程地质特性、矿产开发利用 情况、采空区现状分布及开采现状等。 2借鉴大量煤矿采空区的相关文献资料，针对拟建工程所在区域的采空区归纳总 结出影响采空区地面变形的因素，结合实地情况分析各个影响因素。 3在对拟建工程所在采空区的采空区地面变形影响因素的分析基础上，通过固体 开采优势指标分析方法对该采空区引起的地面变形进行分析和评价。 4采用力学方法对采空区岩体进行受力分析，以极限平衡原理寻求相应岩体稳定 的关系式，通过关系式分析采空区的稳定性。 5结合实地勘察情况及资料分析采空区对拟建工程的影响。 新疆农业大学硕士学位论文 9 6结合场地现实情况，拟建工程所穿越的六道湾煤矿采空区提出合理的治理措 施。 采空区的岩土工程问题及治理措施 10 第2章 研究区域的工程地质概况 2.1 工程概况工程概况 该工程为乌鲁木齐市外环路东北段（南湖东路北京南路）拟建道路工程，起点 连接外环路东段南湖东路跨线桥，沿六道弯路向北，穿越六道湾煤矿采空区，与苏州 路东沿段相交后，沿苏州路向西，与南湖北路、河滩路、银川路、鲤鱼山路、长春路、 天津路、昆明路相交，终点与北京路跨线桥相连。全线采用六车道高架快速路（标准 段宽度 25.5m）与地面道路相结合的断面形式，全线高架共设 11 条上、下匝道。道路 工程包括高架快速路、地面城市主干道、挡土墙、匝道等。高架道路为快速路，设计 行车速度是 80km/h ；地面道路、高架落地段的设计行车速度是 40km/h；匝道及辅道 的设计行车速度是 40km/h。路面宽度 31.0-60.0m，桥面宽度 18.0-25.5m，荷载等级为 公路Ⅰ级。拟建路线全长约 7.83km 。 2.2 工程地理环境工程地理环境 2.2.1 地理位置地理位置 研究区路段为乌鲁木齐市外环路东北段（克拉玛依东路口-南湖北路口）的道路建 设工程，该标段南起乌鲁木齐市克拉玛依东路口，北至南湖北路口。拟建线路里程总 长 4.85km，起点坐标为东经 8738′01″北纬 4343′43″，终点坐标为东经 8737′12″北纬 4351′22″，交通位置如图 2-1 所示。 2.2.2 地形、地貌地形、地貌 研究区位于乌鲁木齐河与水磨沟河的河间块地上，原为梁状丘陵台地地形，现在 大部分是人工地貌。区域内地势由南向北以 10-20‰的坡度变化。研究区内的 新疆农业大学硕士学位论文 11 K000mK1360m 路段原为梁状地形，现在已经是鳞次栉比的建筑群了；区域内的 K1360mK2290m 路段为六道湾煤矿采空塌陷地形和人工回填堆积地形； K2290mK4850 m 路段的东部与水磨沟河之间的原始地形呈梁状，将六道湾与七道 湾分隔开，形成东西高中间低的地形地貌景观。 图 2-1 研究区域的地理位置 Fig.2-1 geographic setting of research region 随着六道湾煤矿的开采，研究区部分路段（K1300mK2330m 段）上沿煤层采 空区曾形成了条带状的地面塌陷（南、北大槽） ，形成了深达 20-50m 左右的坑槽状地 形，如图 2-2 和图 2-3 所示。20 世纪 90 年代以来，乌鲁木齐市政府采用城市建筑垃圾 对塌陷坑槽进行了回填，现在研究区内的塌陷坑槽已经基本填平。 图 2-2 南大槽地面塌陷 Fig.2-2 sink of ground about south pan 拟建工程线路拟建工程线路 采空区的岩土工程问题及治理措施 12 图 2-3 北大槽地面塌陷 Fig.2-3 sink of ground about north pan 2.2.3 气象水文气象水文 研究区气候为典型的北温带大陆性气候，具有夏天干燥炎热，冬天非常寒冷，春 秋比较短暂，气温变化幅度较大等特点。研究区的最高气温在 7-8 月之间，最高气温 可达 34.5℃左右；最低气温在 12 月至来年 1 月之间，可达-29.8℃。11 月下旬至来年 4 月上旬为冻结期，最大冻土深度可达 1.4m。降水主要集中在 4-6 月间，占全年降水量 的 43.8左右。 研究区内的主导风向是西北向，平均风速在 2.1m/s。研究区内没有常年性的地表 河流，在研究区西侧曾经是乌鲁木齐河，它发源于天山天格尔峰胜利达坂北侧的一号 冰川，纵贯乌鲁木齐市，但在河水出山口后即被渠道引走，目前该河床已经修建成贯 穿市区南北的河滩快速公路。 2.3 地质构造地质构造 研究区在构造上位于博格达复背斜，八道湾向斜南翼。八道湾向斜长 35km，宽 2- 6km，轴向 60-70，西宽东窄，南翼 70-85，北翼 40-60，形成不对称褶皱。其北 有碗窑沟逆断层（走向 55,倾向北西，倾角 70-83） ；其东为雅马里克山断裂（走向 60-70，倾向南，倾角 70-80） ；其西有近南北向延伸的乌鲁木齐河顺河断裂，分别 对研究区内煤系地层结构、埋藏深度和覆盖层厚度起着控制作用，区域构造如图 2-4 新疆农业大学硕士学位论文 13 所示。 图 2-4 区域构造图 Fig.2-4 structure of region 2.4 研究区的地层岩性研究区的地层岩性 2.4.1 侏罗系（J）侏罗系（J） 主要分布于研究区内的 K1360mK2290m 路段。包括下侏罗统三工河组（J1s） 、 中侏罗统西山窑组（J2x）和头屯河组（J2t）三个组。 （1）下侏罗统三工河组（J1s） 岩性由一套灰绿色粉细砂岩和黄白色中粗粒砂岩 组成，总厚度 235m-430m。 （2）中侏罗统西山窑组（J2x） 属矿区含煤地层，主要由泥岩、炭质泥岩和砂岩 组成，呈带状延伸，含可采工业煤 33 层，地层总厚度 317.3m。 （3）中罗统头屯河组（J2t） 分布在塌陷区以北，以黄绿色粉砂岩、细砂岩互层 为主，中下部有 2-3 层薄层状（厚 2m-5m）砂砾岩，地层总厚度 203m。 采空区的岩土工程问题及治理措施 14 2.4.2 第四系（Q）第四系（Q） 在研究区内分布广泛，位于侏罗系之上，在分布区域内的厚度不均匀。主要包括 包括上更新统冲积洪积层（Q3apl） 、全新统坡积洪积层（Q4dpl）和全新统冲积洪积层 （Q4apl） 。岩性为砂、卵砾石、黄土状土和含砾亚砂土等，部分地段为杂填土（Qml） 。 地层总厚度 10m-30m 不等，下图 2-5 为研究区域的第四系地质地貌。 图 2-5 第四系地质地貌图 Fig.2-5 geology and land of Quaternary System 2.5 研究区域的水文地质情况研究区域的水文地质情况 研究区地下水类型除西部靠近乌鲁木齐河床地带分布有松散岩类孔隙水外，其余 广大地区均为碎屑岩类裂隙孔隙水。地下水主要接受南侧和西南、东南侧侧向地下迳 流补给，遇强降雨天气时还接受少量降水入渗补给。在松散岩类孔隙和碎屑岩类裂隙 中大体由南向北迳流。在研究区北界处大部分以地下迳流方式向北排泄到邻区，一部 分排入六道湾煤矿的矿区排水系统。 2.6 岩土体工程地质特性岩土体工程地质特性 （1）中厚层较硬砂岩、粉砂岩（局部夹薄层砾岩）岩组（J1s、J2x、J2t） 分布于 研究区内的 K1360mK2290m 路段和南北大槽之间及南北两侧的煤层顶底板上。岩 新疆农业大学硕士学位论文 15 性以侏罗系中侏罗统西山窑组（局部为下侏罗统三工河组）砂岩和粉砂岩为主，在头 屯河组中下部夹有少量薄层砾岩。砂岩和砾岩较坚硬，抗风化性较强，力学强度较大； 粉砂岩尤其是泥质或炭质粉砂岩相对较软弱，抗风化性较差，力学强度相对较小。据 本次搜集的资料，区内粉砂岩干抗压强度在 10-13MPa 之间，湿抗压强度在 0.4-0.5MPa 之间，软化系数在 0.03-0.05 之间。 （2）中厚层及薄层较软粉砂岩，炭质泥岩与煤层互层岩组（J2x） 分布于研究区 内的 K1360mK2290m 路段和南北大槽，岩性以侏罗系中侏罗统西山窑组炭质或泥 质粉砂岩、碳质泥岩夹煤层为主。质地软弱，抗风化性差，炭质泥岩风化后极易崩解， 力学强度小，天然单轴（干）抗压强度10MPa，饱和单轴（湿）抗压强度0.4MPa。 （3）粉土、圆砾双层土体（Q3-4apl） 分布于研究区大部分地区，不整合地分布在 上述侏罗系岩组之上。上部岩性为粉土或黄土状土，下部为圆砾，局部夹有粉质粘土， 岩组总厚度一般为 10-20m，厚者可达 30m 左右。结构松散，黄土状土具有湿陷性， 湿陷系数 0.027-0.110，自重湿陷系数 0.05-0.06。 2.7 研究区矿产开发利用情况研究区矿产开发利用情况 六道湾煤矿共含煤 33 层，其中可采煤 26 层，煤层走向 52-65，倾向 322-335， 倾角在 63-88之间，一般为 67-78，全部为急倾斜煤层。 目前主要开采的煤层为 B12（南大槽）和 B3456（北大槽） ，现生产水平可采煤层 平均总厚度为 117.07m。六道湾煤矿 33 层煤层中，B1-6煤层的赋存特征见表 2-1 所示。 表 2-1 矿区煤层赋存特征 Table 2-1 characteristic of coal seam about mining area 煤层名称厚度 H/mmin-max间距 L/m（min-max）结构特征稳 定 性 B1231.8339.4545.0056.00组合煤层全区可采稳定煤层 B3-639.8552.4353.0062.00组合煤层全区可采稳定煤层 表注 上述资料引自于乌鲁木齐矿务局六道湾煤矿矿井地质报告 ； 采空区的岩土工程问题及治理措施 16 2.8 矿区采空区分布与采空情况矿区采空区分布与采空情况 根据本次实地调查及搜集的资料，六道湾煤矿在南湖路东侧持续地开采南大槽和 北大槽。到 1995 年，650m 水平（第一开采水平）可采煤层已经基本采完。1995 年以 后，六道湾煤矿开始开采 540-650m 水平煤层。目前，南大槽东段已开采到 630m 标高 水平，采深达到 180m 左右；北大槽和以北的煤层群已开采到 540m 标高水平，采深达 到 285m 左右。北大槽第二开采水平（即 540-650m 标高之间）的水平巷道已打到南湖 路东 200m 处的垃圾收费站下。北大槽和以北的可采煤层在 583m 标高以上已经采完或 基本采完。目前，该矿正在向 540m 水平（东翼）深部开采。 根据收集的资料及实地调查访问， 按照乌鲁木齐市城市远景规划， 六道湾煤矿 540m 水平以下煤层禁止开采。2004 年六道湾煤矿西翼（西一、西二、西三石门）的煤层已 停