厚煤層倉房式開采采空區處理與抗變形建筑技術研究*

郭軻軼

(1.中煤科工生態環境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012;2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

山西晉城無煙煤有限責任公司寺河礦二號井擬在本礦區新征場地內新建單身公寓樓、后勤服務中心等建筑物，占地面積約0.064 km2。項目區位于寺河二號井采煤塌陷區范圍內，該區域主要開采了山西組3#煤層，煤層厚度6.0 m，平均采深85 m左右，采煤方法為倉房式開采，開采時間多為上世紀90年代末期。

由于煤層厚度大，開采方法不正規，造成回采率低，殘留煤柱較多，地表沉降不充分，形成了地下暗空場。因此，決定對采空區進行注漿處理，對新建建筑物采用抗變形建筑技術，以確保新建建筑物的安全和正常使用。

對采空區進行注漿處理，是在采煤塌陷區上方進行安全建筑的一種有效手段。但對于淺部厚煤層采空區，尤其是采用非正規采煤方法，如何進行采空區地基穩定性評價，如何保證采空區注漿處理的質量，并采用合理的抗變形建筑技術，仍是需要探討的技術難題。

1 項目區概況

寺河礦二號井新征場地位于山西省晉城市澤州縣川底鄉，擬建建筑物最大高度11層，約36 m。該區域地勢平坦，地面標高為+788 m左右，均為第四系黃土所覆蓋。項目區建筑物布置與井下開采示意圖如圖1所示。

圖1 項目區建筑物布置與井下開采示意圖

因該區域開采時間已久，且主要為小煤窯開采，缺少詳實的采煤資料，具體的采寬留寬數據并不知曉，由已知的技術資料了解到該區域主要開采了山西組3#煤層，煤層厚度為6.0 m，實際的煤層開采厚度為3.0 m。根據鉆孔資料，該區域第四紀表土層厚14.8 m，其下主要由中砂巖、泥巖、細砂巖等組成，整個覆巖巖性屬于中硬偏硬。

本區處于抗震設防烈度為6度區。項目區域地質構造較簡單，未見大的地質構造，地表不會因地質構造產生異常移動和集中變形。

2 采空區地基穩定性評價

由于新建建筑物的荷載向地下有一定影響深度，當這個深度與地下采空區的垮落裂縫帶相交疊時，就會破壞垮落裂縫帶業已平衡的狀態，而使覆巖重新發生較大的移動變形[1-3]。

2.1 覆巖破壞高度計算

根據開采煤層的角度、煤層厚度、煤層的傾角、開采尺寸、開采方法及上覆巖層的巖性等，確定垮落裂縫帶的發育高度，同時根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，該項目覆巖巖性為中硬偏硬，選取計算公式如下[4]：

(1)

式中，∑M為煤層的累計采厚，m。

由礦方提供的資料可知，最小采深為81 m，開采3#煤層，有效采厚為3.0 m。經計算，煤層開采后，垮落裂縫帶的發育高度為54 m。所以，其垮落斷裂帶的頂界面距地表的垂直距離為27 m。

2.2 建筑物荷載影響深度計算

根據研究，當建筑物下方有高壓縮性土或別的不穩定性因素，如采空區垮落斷裂帶時，計算附加應力至地基自重應力10%位置處，即可認為附加應力對該深度處的地基不會產生多大影響。該深度即為建筑物荷載影響深度[5]。

擬建項目區建筑物按長100 m、寬24 m進行計算，標準層高按3 m考慮，基底埋深3 m，建筑物的荷載為18 kN/m2(系單層建筑面積荷載大小)，擬建層數考慮為8、9、10、11四種情況。計算結果如表1所示，建設8、9、10、11層樓房的荷載影響深度(H影)分別為32 m、33 m、35 m、36 m。

表1 樓房建筑荷載影響深度計算表

2.3 采空區地基穩定性

對于倉房式開采，回采率低，殘留煤柱較多，隨著時間的推移，在建筑物荷載影響、采空區充水條件變化、地震影響等條件下，殘留的煤柱有可能失去有效支承，導致地表發生滯后下沉或破壞。

當最小采深(H臨)大于垮落斷裂帶高度(H裂)與建筑荷載影響深度(H影)兩者之和時，采空區垮落斷裂帶不再因新加建筑荷載擾動而重新移動[2]，即：

H臨>H裂+H影

(2)

計算可知，H裂=54 m，擬建8、9、10、11層樓房的荷載影響深度(H影)分別為32 m、33 m、35 m、36 m，兩者之和分別為86 m、87 m、89 m、90 m，擬建區域內煤層最小采深為81 m，即擬建8～11層建筑物的建筑荷載很有可能對采空區產生活化影響，導致地表產生比較大的不均勻沉降。

為此，為保證新建建筑物的安全，必須對采空區進行注漿加固處理，并對建筑物采取抗變形技術措施。

3 采空區注漿處理

3.1 采空區注漿加固處理

3.1.1 注漿處理設計

為了確保新建建筑物的安全，建筑場地外51 m范圍內均要求對采空區進行注漿處理。注漿范圍的確定：圍護帶取10 m，松散層移動角取45°，基巖移動角取70°，開采深度平均取85 m，按留設保護煤柱的方法進行劃定。

注漿鉆孔間距取12～15 m，漿液主要由粉煤灰、水泥及少量細骨料組成，注漿施工時需先注帷幕，確保漿液不會流失到需要處理的場地以外的區域，同時，在需要時加入一定量的速凝劑。注漿施工時，要求對漿液留樣，檢測注漿結石體強度，一般要求其兩個月后的單向抗壓強度不得低于0.5 MPa[6-8]。

此外，在注漿過程中，必要時需要加壓注漿，目的是為了提高充填率，一般加壓的孔口壓力為1.5 MPa以上。

3.1.2 注漿工藝

注漿鉆孔開孔Φ146 mm，鉆進到基巖完整段下Φ127孔口管，用水泥砂漿固管，然后用Φ108打到3#煤底板位置。采用Φ50 mm注漿管，其下部為20 m長花管出漿。

注漿材料選用水：水泥：粉煤灰的重量比為1：0.7：0.4～1.0，水固比1：0.9～1.5。細骨料選用小碴，直徑不大于10 mm。

帷幕孔施工要求隔孔灌注，靜注為主，同時加入一定量的速凝劑，注漿時觀察孔口壓力，當壓力滿足0.5 MPa時，選擇注入水灰重量比為1：2的水泥漿，要求加壓注漿，需將孔口壓力控制在1.5 MPa，穩定泵量小于30 L/min，持續30 min以上方可完成。

整個工程共施工注漿鉆孔181個，注漿量120 177 m3，投入石屑1 949 m3。

3.2 采空區注漿效果檢測

檢測工作主要采用鉆探方法，其檢測孔的布置主要考慮建筑物的位置和采空區注漿孔的位置及注漿量。整個場地共布設檢測孔6個，采取試樣42件。

檢測孔鉆孔用Φ127 mm鉆頭開孔，Φ91 mm鉆頭鉆進，鉆至煤層底板下0.5 m處終孔。施鉆中要求清水鉆進，全部取芯，并詳細記錄循環液的漏失情況、上下鉆水位和卡鉆、掉鉆等異常現象。每孔完成后，先用清水洗孔再做注水試驗，觀測時間不少于30 min，計算單壓漏失量等。對保留的巖石樣，要進行室內無側限抗壓強度測試[7-9]。

檢測結果表明，6個檢測孔中有4個鉆孔揭露了注漿體，有4個鉆孔出現注水不滿現象，注漿體單軸抗壓強度為2.86～5.72 MPa，注漿效果比較明顯，基本達到了治理的目的，但新建建筑物必須采取抗變形技術措施。

4 地表殘余沉陷變形計算

新征場地雖然采取了采空區注漿處理，但由于煤層厚度大，采煤方法為倉房式開采，且注漿液本身有一定的結實率，因此，對采空區不可能完全注滿，地表仍將會有一定的殘余沉陷變形發生。所以，在采空區地表新建建(構)筑物時，必須要考慮注漿施工后地表存在的殘余沉陷變形帶來的影響。

地表沉陷變形計算方法采用我國常用的概率積分法。根據晉城礦區巖移的實測參數，同時結合該場地的地質采礦條件，選取的計算參數如表2所示[10-11]。

表2 選取的計算參數

經過計算，求得了該區域的地表殘余沉陷變形值，如表3所示。通過計算結果可知，該項目區將處于Ⅰ級沉陷變形影響范圍內。考慮到該區域采煤方法比較復雜，為安全起見，建議擬建區全部按Ⅱ級采動影響對新建建筑物進行保護。

表3 擬建區地表殘余沉陷變形值

5 建筑物抗變形技術措施

新建建筑物抗變形結構技術措施包括吸收地表沉陷變形的柔性措施和抵抗地表沉陷變形的剛性措施[10-12]。

(1)設置變形縫

要求建筑物單體長度不大于30 m，大于30 m時留設變形縫。如：單身公寓樓長89.2 m，寬21.4 m，在橫軸方向共設置了兩道變形縫，縫凈寬100 mm，使橫軸方向分割成三個長度不大于30 m的單體，降低了因地表變形在橫軸方向上產生的應力集中造成建筑物破壞的可能性。

(2)基礎

該場地建設前需對地基進行處理，處理目的主要是為了保證場地基礎的密實度，提供地基的承載能力。在施工設計時，設計采用筏板基礎，同時增設了基礎滑動層。滑動層位于基礎與素混凝土墊層之間。

(3)上部結構

相應增大建筑物上部結構剛度。如：單身公寓樓采用剪力墻結構，地下一層，地上十層，結構設計總高度31.5 m。增大了處于邊緣及結構薄弱處的圈梁、過梁、構造柱等構件的數量、配筋量及斷面尺寸，樓、屋面采用整體現澆，并與墻壁的鋼筋砼圈梁連為一體。

(4)管道

管道采用地面敷設和架空，支座改為鉸支座，并設置補償器，以吸收地表變形引起的管道拉伸和壓縮。預留管道穿墻孔洞，要求預留的孔洞較大，確保管道與墻壁可以相對移動，同時在必要位置的管道增加柔性接頭，確保管道的正常連接。

新征場地內單身公寓樓、后勤服務中心等建筑物已于2014年底建設完成，一直保持完好和正常使用。

6 結 語

結合寺河二號井新征場地區域地質采礦條件，針對厚煤層倉房式開采的特點，進行了采空區地基穩定性評價，提出了相應的采空區注漿治理和檢測方案，并進行了工程實施，根據計算的地表殘余沉陷變形值，對新建建筑物采取了對應的抗變形結構技術措施，新建建筑物自建成以后未出現任何安全問題。