某煤礦老采空區地基穩定性評價

張德成 李 維 代 亞

(江蘇華晟建筑設計有限公司，江蘇 徐州 221006)

0 引言

改革開放以來，國民經濟發展迅速，煤礦采空區及其周邊的場地逐漸被開發。由于煤礦經歷了長時間的開采，形成采空區，采空區以上的巖土層、地表失去平衡而發生大的移動和變形，經過一段時間后變形會逐漸穩定，但地表還會存在部分剩余沉降，特別是在采空區上施加較大荷載后，在荷載的作用下，地基巖土體中將產生附加應力并向下傳遞，因此會改變老采空區上方破裂巖土體的受力狀態，使破裂巖土體的應力增加，產生附加沉降，影響新建建筑物的安全，出現建筑物開裂等隱患。

多年以來，眾多學者對煤礦采空區地基穩定性進行了大量研究[1-6]，但對大面積的多層老采空區上新建高層建筑的地基穩定性研究并不多。本文以徐州市賈汪區某住宅小區工程為例，對煤礦老采空區建筑地基穩定性進行評價，以確定該場地的穩定性和建筑適宜性，并根據評價結果采取相應的處理措施，以保證新建建筑物的安全。

1 工程概況

擬建場地占地面積約37萬m2，分為2號、3號兩個地塊，規劃建設53棟18層住宅、2棟3層幼兒園、數棟1層～2層商業及-1層地下車庫。場地位于賈汪區韓橋礦界內，場地內及其附近進行過長時間的采煤作業，韓橋礦及附近多個小煤窯在此多次采煤，形成多層采空區，并導致地表塌陷嚴重。場地內1煤、3煤、17煤、20煤、21煤為主要開采煤層。根據勘探資料，1煤及3煤頂板為泥巖、砂巖互層，17煤頂板為頁巖，20煤及21煤頂板為石灰巖。韓橋煤礦于20世紀50年代開始在場地內及周邊進行煤層開采，主要開采二疊系下石盒子組1煤、3煤，后期又開采深部的17煤、20煤、21煤，周邊多個小煤窯又進行了多次復采，小煤窯的開采時間較長、開采方式較多、資料搜集困難，地基穩定性評價難度較大且尤為重要。

2 場地及周邊煤層開采情況

2.1 煤田分布情況

根據搜集到的煤田地質資料，場地主要為二迭系下統下石盒子組、山西組及石炭系上統太原組地層，地層傾角1°～10°，屬緩傾斜采空區。韓橋礦井田主采煤層為下石盒子組1煤、3煤、太原組17煤、20煤、21煤。

場地下的1煤埋深約10 m～50 m，厚度0.50 m～2.20 m，平均1.2 m；3煤埋深23 m～52 m，厚度1.00 m～2.50 m；17煤埋深約280 m～320 m，平均厚度約0.80 m；20煤埋深約300 m～340 m，平均厚度約0.80 m，21煤埋深約330 m～370 m，平均厚度約0.80 m。

2.2 煤礦開采情況

場地下的1煤、3煤為20世紀50年代～60年代韓橋礦開采，20世紀70年代后為小煤窯復采。1960年以前采煤方式為房柱式采煤法，1960年—1962年、20世紀70年代后進行了復采，長壁式采煤法(小煤窯復采1煤、3煤為非正規長壁法及穿巷式)，全垮落法管理頂板。

1煤開采深度約13 m～50 m、平均采厚約1.2 m；3煤開采深度在23 m～52 m，采厚約1.00 m～2.50 m。17煤、20煤、21煤均為韓橋礦開采，17煤于1996年—1999年開采，主要在場地北部2號地塊開采，開采深度約280 m，采厚約0.80 m，開采方式為走向長壁法；20煤的開采時間為1988年—1994年，主要在2號地塊東部、3號地塊西南部開采，開采深度在300 m～330 m，采厚約0.80 m，開采方式為走向長壁法；21煤開采時間為1992年—1998年，主要在2號地塊東部、3號地塊開采，開采深度在330 m～370 m，采厚約0.80 m，開采方式為走向長壁法；17煤、20煤及21煤的頂板管理方式采用垮落法和緩慢下沉法。評價場地采空區分布情況詳見圖1。

3 現場勘察驗證

通過搜集場地及附近的煤礦開采資料、現場調查了解地表塌陷情況以及現場物探、鉆探驗證，以查明采空區、特別是對工程建設影響較大的1煤、3煤采空區現狀、采空區塌陷密實情況等，為地基穩定性評價提供基礎性資料。

3.1 物探勘察

為查明評價場地內采空區分布情況，采用全排列高密度電法進行勘探。本次物探工作重點查明淺部1煤、3煤采空區現狀，因此在場地內布置了5條測線(2條南北向主測線，3條東西向輔助測線)，勘探深度分別為100 m,60 m。電極間距高密度序列設置為6.0 m，4.0 m，測線總長4 160 m(見圖2)。

根據5條測線剖面電阻率圖的特征，表明場地多個地段、埋深10 m～60 m處存在電阻率低阻現象，推測為巖土體采煤塌陷后，巖土體疏松、充水所致，為采空區垮落斷裂帶，符合采空區覆巖變形破壞規律。

3.2 鉆探勘察

本次評價工作在場地內布置了23個鉆孔，鉆孔總進尺1 022.5 m(鉆孔布置見圖2)。通過鉆探勘察，查明場地下巖土層結構及巖土體特性；查明對工程建設影響較大的1煤、3煤采空區范圍內巖體完整程度、巖體密實度等。鉆孔深度至3煤(采空區)底板以下穩定巖層(其中2個鉆孔驗證7煤埋深、厚度等)。

分析各個鉆探孔的地質成果，同時和煤田地質資料、煤礦開采資料作對比，驗證了評價場地內1煤、3煤采空區的分布及開采情況，整個場地下均分布1煤、3煤采空區，開采方法不正規，場地發生過地面塌陷，但存在未垮落密實的巷道和殘留煤柱；部分鉆孔未揭露到1煤、3煤采空區，推測采空區為垮落密實。本場地下7煤變薄，鉆探深度范圍內未揭露到7煤，結合收集的煤礦開采資料判定，場地下7煤不可采。鉆探勘察成果見表1。

表1 鉆探成果一覽表

4 采空區地基穩定性分析與評價

4.1 煤層開采對場地穩定性的影響評價

根據搜集到的煤田地質資料，場地及周邊1煤、3煤、17煤、20煤、21煤采空區屬大面積采空區。

1)根據開采方式，評價場地及周邊韓橋礦采空區屬長壁式采空區為主，1煤、3煤部分為房柱式采空區，小煤窯復采1煤、3煤為非正規長壁法及穿巷式，17煤、20煤、21煤大都采用長壁式開采為主，全部垮落法管理頂板，這種開采方式在短時間內對地表的沉陷影響較大，截至2017年已停采17年以上，主沉降早已結束，殘余沉降較小，對場地的穩定性影響較小，從開采方式評價場地采空區場地穩定等級為基本穩定。

2)根據開采時間和采空區地表變形階段，評價場地采空區屬老采空區。評價場地 1煤、3 煤采空區為淺層采空區，開采方法有房柱式、非正規長壁法及穿巷式，開采方式多樣，回采率變化大，部分區域垮落不密實，仍殘留有空洞，在外因作用下易發生活化，活化后產生不連續變形；17煤、20煤、21煤采空區為深層采空區，開采方法為走向長壁、全部垮落法管理頂板，引起的地表變形是連續變形。從地表變形特征評價場地采空區場地穩定等級為不穩定。

3)評價場地下的1煤采深厚比約11～42；3煤采深厚比約23～50；17煤采深厚比約350；20煤采深厚比約375～412；21煤采深厚比約412～462。采空區屬淺層～中深層～深層采空區。根據煤層傾角(1°～10°)，場地采空區屬于緩傾斜采空區。從采深、采深厚比評價場地采空區場地穩定等級為不穩定。

4.2 地表變形對場地穩定性的影響評價

評價場地地層傾角較緩(1°～10°)，緩傾斜采空區，開采引起的地表移動和變形符合地表移動的一般規律，整個場地位于賈汪煤盆地的中間區。各煤層的地表移動和變形預計可采用概率積分法預測模型，計算采空區塌陷盆地的沉降量、傾斜值、曲率值、水平移動及水平變形值等參數。計算方法參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[7]及GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范[8]。表2為變形計算采用的參數。

表2 地表移動變形計算參數

場地勘探平面布置及地基穩定性評價綜合成果圖見圖2。

根據變形計算結果，已發生的沉降量為500 mm～1 300 mm，殘余沉降量在20.0 mm～200.0 mm之間，可以認為場地的主沉降已結束，現階段屬于殘余變形階段。表3為變形計算結果。

表3 地表變形計算成果表

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范評定建筑物的安全標準，當殘余水平變形值小于2 mm/m、殘余傾斜值小于3 mm/m、殘余曲率值小于0.2×10-3m時，地基是穩定的、建筑物是安全的。根據變形計算結果，殘余水平變形值最大值4.0 mm/m，殘余傾斜值最大值4.0 mm/m，殘余曲率值最大值0.7×10-3/m，大于規范允許值。同時考慮到場地還存在殘留煤柱、未垮落密實的殘留巷道等，存在活化的可能，活化后將導致不連續變形的發生，對建筑物的安全影響較大。因此，從地表移動變形值綜合考慮，擬建場地穩定性等級為不穩定。

4.3 建筑地基穩定性評價

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范，可按下式驗算地基的穩定性，P0為建筑物基底單位壓力，當巷道頂板的埋藏深度能使頂板巖層恰好保持自然平衡，此時的附加應力影響深度H稱為臨界深度HD，則：

其中，HD為臨界深度，m；B為巷道寬度，按2.5 m計算；γ為巷道上覆巖層的重度，按22.0 kN/m3計算；φ為巷道上覆巖層的內摩擦角，按38.0°計算。

當H1.5HD時，地基穩定。建筑物基底單位壓力P0分別按60 kPa(3層建筑)、360 kPa(18層建筑)進行計算，HD分別為16.6 m,22.0 m，1.5HD分別為24.9 m,33.0 m。

根據前述分析，擬建場地采空巷道埋深大于13 m。1煤、3煤采空區埋深小于1.5 倍的荷載臨界影響深度，部分1煤、3煤采空區埋深小于1.0 倍的荷載臨界影響深度，地基基本穩定～不穩定；對于高層住宅，1煤、3煤采空區埋深小于1.0 倍的荷載臨界影響深度，地基不穩定。

深部17煤、20煤、21煤采空區埋深280 m～370 m，遠大于1.5HD，地基穩定。

4.4 建筑地基穩定性綜合評價

根據上述分析，從開采方式評價場地采空區場地穩定等級為基本穩定，從地表變形特征評價場地采空區場地穩定等級為不穩定，從采深厚比評價場地采空區場地穩定等級為不穩定，從地表移動變形值評價建場地穩定性等級為不穩定；在建筑荷載作用下，1煤、3煤采空區地基不穩定，深部17煤、20煤、21煤采空區地基穩定。綜合確定，場地地基不穩定，需采取地基處理及結構抗變形措施以控制采空區對擬建工程的影響。

5 結語

1)場地下的1煤、3煤、17煤、20煤、21煤開采、復采時間長，屬多層老采空區。采空區屬淺層～中深層～深層采空區，緩傾斜采空區。

2)現狀條件下，場地地基不穩定，工程建設適宜性差。未經處理，不宜作為重要建筑建設用場地。

3)根據采空區情況及擬建建筑情況，1煤、3煤采空區埋深小，對工程建設影響大，建議對場地下的1煤、3煤采空區進行注漿充填加固處理，以減小采空區對地基穩定性的影響。17煤、20煤、21煤采空區埋深大，對擬建工程的影響小，可不進行注漿處理。

4)建設單位采納了本研究成果，對場地下1煤、3煤采空區進行注漿充填加固處理并調整了建筑布局,同時采取結構抗變形措施。注漿充填加固處理后，進行了注漿質量檢測。工程建設期間及竣工后進行了建筑物沉降觀測，沉降觀測結果表明，建筑物的總沉降量在20 mm～45 mm之間，地基穩定。本項目的評價成果為類似工程的建設提供了參考。