煤礦采空區場地地基穩定性及適宜性分析

石 磊

(江蘇長江機械化基礎工程有限公司，江蘇南京 210046)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，建設用地越來越緊張，因此開采煤炭資源遺留下來的采空區場地需要利用。煤礦采空區建設工程在設計和施工前，應按規范[1-2]要求進行巖土工程勘察，煤礦采空區巖土工程勘察應在查明采空區特征的基礎上，分析評價煤礦采空區場地的穩定性，并綜合評價煤礦采空區場地的工程建設適宜性及擬建建筑物的地基穩定性，同時提出煤礦采空區治理措施建議。結合一建筑場地的實例,分析老煤礦采空區的穩定性及作為工程建筑場地的適宜性評價中各類參數的選取問題，并針對擬建建筑物場地提出了采空區治理技術措施建議。可為城市發展利用采空區場地作為建設用地提供參考和借鑒。

1 工程概況

該建設場地處于某煤礦礦區范圍內，場地及周邊均進行過地下采掘活動，遺留有多層采空區。本工程主要建設9棟高層建筑(11F，框剪結構，含2層地下室)、3棟多層建筑物(7F，框架結構)及配套設施。擬采用天然地基，柱下獨立基礎或筏板基礎。

1.1 工程地質條件

評估區地表覆蓋有第四系全新統黏土，第四系上更新統黏土等，覆蓋層厚度約3～7 m，地層主要為①層表土、②層黏土、③層含砂姜黏土、④層黏土。其中②層黏土為灰褐色，可塑—硬塑，土質較均勻，干強度中等，韌性中等；③層含砂姜黏土為黃色，硬塑，含鐵錳質結核及砂姜；④層黏土為黃棕色及黃褐色，含少量青灰色黏土條帶，硬塑，低壓縮性，韌性高，局部含風化殘積物及塊石。第四系以下基巖為二疊系、石炭系地層。

1.2 水文地質條件

評價區內第四系松散層厚度3～7 m，土性為黏土、含砂姜黏土，富水性較差，單井涌水量一般為10～100 m3/d，地下水埋深約0.6～1.4 m。第四系松散層潛水或上層滯水接受大氣降水和基巖裂隙水的越流補給，其埋藏和分布受地形、采空區、河流等因素控制，第四系潛水的埋藏深度隨季節性變化，雨季水位升高，枯水季節水位下降，第四系孔隙水通過煤系含水層露頭直接入滲補給井下。區內裂隙孔隙含水層均被松散巖類孔隙含水層所覆蓋，故松散巖類孔隙含水層的越流或下滲為其主要補給源。裂隙水向開采井巷匯流，而為礦坑排水所排泄。裂隙巖溶地下水的補給來源主要是大氣降水入滲和上覆孔隙水下滲(或越流)補給， 裂隙巖溶水最主要的排泄途徑是人工開采和采煤疏干。

1.3 地質構造

主要斷裂構造展布方向為北東向、北西向和東西向。北東向構造主要構造形跡有江莊復式背斜和賈汪復式向斜；北西向構造主要構造形跡為汴塘斷裂；東西向構造主要構造形跡為泉河斷裂。分布在評價區以南約500 m的F2斷層規模較大，是開采煤礦礦山井田邊界的控制性斷層。F2斷層自評價區以南約500 m通過，走向NEE，傾向SSE，傾角70°，斷距200～250 m，為南東盤下降之正斷層，規模較大，切割賈汪復式向斜北東端，使諸地層在走向上不連續，其北東端被近南北和北東向斷層切割而在走向上不連續。F10斷層自評價區西南約500 m通過，走向NW，傾向NE，傾角60°～70°，為正斷層。上述斷層形成于古近系之前，至今無活動記錄，均為非活動斷裂。

1.4 場地評價區煤礦開采狀況

評價區分布有17、20、21煤，在評價區內因煤層風氧化帶煤質不好、地下水量大等原因，煤礦50 m以上煤層均未開采。各煤層開采情況如下：評價區內20煤開采深度約110～180 m,走向長壁頂板自然垮落采煤法，終采時間>20年。評價區內21煤開采埋藏深度約145～210 m,走向長壁頂板自然垮落采煤法，終采時間>20年。

綜上所述可知，評價區內分布有大面積20煤、21煤采空區，評價區內20煤、21煤合計厚度1.40 m,傾角12°～20°，開采深度110～210 m。開采方法為走向長壁頂板自然垮落采煤法，開采活動結束時間>20年。周邊煤礦采空區不會影響至本評價區。

2 采空區場地穩定性評價

參考國內外有關煤礦采空塌陷理論及經驗，采空區場地穩定性應根據采空區勘察結果進行分析和評價。下面將從開采條件、地表移動變形判別場地穩定性。

2.1 開采條件判別場地穩定性

2.1.1 采動持續影響時間

煤層開采影響一般表現為從采空區上方頂板至地表巖層出現垮落、斷裂、彎曲下沉。煤層采出達到一定面積后，引起上覆巖層的移動并逐漸波及地表，使地表出現一種在時間上和空間上連續有規律的移動和變形。這種移動和變形存在一個時空發展過程，即地表移動變形的初始期、活躍期和衰退期，進而進入穩定期，使采空區上方的巖層形成新的應力平衡。

采煤引起的地表移動持續時間，參考國內外研究成果[3-8]，對于緩傾斜、傾斜煤層而言，依照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》[1]H.0.6條，當采空區埋深小于400 m時，其開采地表移動的持續時間可按式(1)計算。

T=2.5H0

(1)

式中：T為地表總移動時間(初始期、活躍期)，d；H0為采深，m。

評價區內煤層最大開采深度為210.0 m，H0取210 m，計算T=2.5×210=525 d。

依據表1判別采空區場地穩定性。

表1 按終采時間確定采空區場地穩定性等級

評價區內煤層開采活動終止于1998年，距今逾20年，t>1.2T且t>730。因此按經驗估算公式地表移動已進入衰退期，采空區場地已進入穩定狀態。

2.1.2 地表移動變形特征及覆巖特征

按地表變形特征及覆巖特征判別場地穩定性情況見表2、表3。

表2 按變形特征確定采空區場地穩定性等級[1]

表3 覆巖特征判定場地穩定性[1]

評價區周邊開采范圍較大，開采厚度相當，煤層傾角較小，因此可認為評價區處于塌陷盆地的中間區。開采初期地表變形屬連續變形，地面無地裂縫、臺階、塌陷坑分布。根據勘察報告，評價區覆蓋層厚度3.0～7.0 m，頂部灰巖屬較硬巖。綜合以上依據表2、表3判定評價區場地穩定性為基本穩定。

2.2 地表移動變形判別法

地表移動變形判別法可用于頂板垮落充分、規則開采的采空區場地穩定性定量評價。對于頂板垮落不充分且不規則開采的采空區場地穩定性，也可參照評價。評價指標見表4。

表4 地表移動變形值確定場地穩定性等級[1,9]

評價區內未進行較為精密的水準測量，因本區為緩傾斜煤層，采空區的地表移動變形計算采用《工程地質手冊》(第五版)[9]中的經驗公式進行計算，計算結果見表5。

表5 采空區地表最大變形預測值

根據周圍經驗，評價區內地表連續6個月累計下沉<30 mm，下沉速率<1.0 mm/d,傾斜、曲率及水平變形值計算見表5，根據計算結果評價區場地處于穩定狀態。

根據開采條件及地表移動變形綜合確定采空區場地穩定性為“基本穩定”。

3 采空區場地工程建設適宜性評價

采空區場地工程建設適宜性評價，應以采空區場地穩定性為主控因素，并考慮采空區剩余移動變形與擬建工程間的相互影響程度、擬采取的抗采動影響技術措施的難易程度及工程造價等方面進行綜合評價。

3.1 采空區對本工程的影響程度

采空區對本工程的影響程度，可根據采空區場地穩定性、建筑物重要程度和變形要求、地表變形特征及發展趨勢、地表移動變形值、采深或采深采厚比、垮落裂隙帶的密實狀態、活化影響因素等，采用工程類比法、采空區特征判別法、活化影響因素分析法、地表剩余變形判別法等方法判別。

3.1.1 采用工程類比法定性分析

采用工程類比法定性分析采空區對工程影響程度見表6。

表6 采用工程類比法定性分析采空區對工程影響程度

評價區附近已建建筑主要為單層廠房、多層辦公樓及部分高聳構筑物。根據現場走訪，評價區附近多年未見有地基下沉導致的建(構)筑物破壞現象。

評價區東南側泰和小區(距離場地約100 m，工程及地質情況相似，未進行處理)，目前已建多幢6層住宅，建成已超過2年；毗鄰場地南側的3層辦公樓及廠房，建成已超過5年，均使用狀況良好，目前未發現有傾斜、開裂等現象。

評價區北側道路，在煤礦開采初期，局部曾出現地基下沉，路面出現裂縫，目前使用狀況良好，未見有地基下沉現象。評價區西側已建2層輕鋼結構商業及圍墻，已建成約3年，目前使用狀況良好。因此采用工程類比法分析認為采空區對工程的影響程度小。

3.1.2 根據采空區特征及活化因素

采空區特征及活化影響因素定性分析采空區對工程的影響程度見表7。

表7 采空區特征及活化影響因素定性分析采空區對工程的影響程度[1，11]

評價區內各已采煤層均為薄煤層，單層采厚0.67～0.73 m，煤層傾角12°～20°，計算采深采厚比164～209。

評價區各煤層及最小采深采厚比計算見表8。

表8 采深采厚比計算表

根據本次深孔鉆探資料并參考場地周圍煤礦采空區勘察經驗，評價區內采空區局部仍存在少量尚未完全塌落洞隙，這些洞隙在地震、地下水及建筑荷載的影響下有可能發生塌落，對地表建筑產生一定的影響，現階段地表相對穩定，采空區活化對地表建筑物影響的可能性小，危害小。

根據采空區地表剩余變形值參照表9確定采空區對工程的影響程度。

表9 根據剩余變形值確定采空區對工程的影響程度[1]

根據表9，判定地表剩余變形對工程影響程度小。

3.2 擬建工程對采空區穩定性影響

擬建工程對采空區穩定性影響程度，應根據建筑物荷載及影響深度等，采用荷載臨界影響深度判別法、附加應力分析法等方法判別,并按表10劃分影響程度等級。

表10 根據荷載臨界影響深度定量評價工程建設對采空區穩定性影響的評價標準[1]

3.2.1 荷載臨界影響深度HD和采空區深度H

當建筑物建在影響范圍以內時，可按下式驗算地基的穩定性，設建筑物基底單位壓力為p0，當巷道頂板的埋藏深度H增大到一定的深度時，使頂板巖層恰好保持自然平衡(即作用在采空段頂板上的壓力Q=0)，此時的附加應力的影響深度稱為臨界深度HD[1]，則：

(2)

式中：HD為臨界深度，m；B為巷道寬度，m，此處按4 m計算；γ為巖土層平均重度，kN/m3；φ為內摩擦角，取平均值30°。

以上參數的取值為經驗取值，是參考徐州地區煤礦采空區以往的驗算資料及巖石測試結果。以上參數有一定的可信度，但也存在著一定的局限性，有待在下一步的工作中進行驗證。

對于擬建11層住宅樓，按平均基底壓力p0為180 kPa估算，礦井煤層開采的井下殘留空洞寬度4.0 m，巖石平均重度按23.5 kN/m3計，計算的HD=26.7 m，1.5HD=40.1 m。

評價區內采空區埋深>80 m，大于1.5HD(40.1 m)，因此根據荷載臨界影響深度判別擬建工程對采空區穩定性影響程度小。

3.2.2 附加應力影響深度Ha和垮落斷裂帶深度H1f

對于在長壁垮落法開采的老采空區上進行建筑，在沒有新的開采擾動的情況下，可以采用以建筑物荷載影響深度、采空區垮落、斷裂帶發育高度不能相互重疊，作為評價老采空區的活化、地基穩定性及其對建筑物影響的依據。

(1)建筑物荷載影響深度計算

根據《地基與基礎》[12]中的巖土力學理論，不同的基礎形式和不同荷載作用下，附加應力的擴散隨深度增加而減少，對地基擾動深度逐漸減弱。根據《建筑地基基礎設計規范》[9]第5.3.8條，當無相鄰荷載影響，基礎寬度在1～30 m范圍內時，基礎中點的地基變形計算深度可按式(3)進行計算。

Zn=b(2.5-0.4lnb)

(3)

式中：b為基礎寬度，m；評價區11層樓基礎寬度16 m，計算Zn=22.2 m。

根據《巖土工程勘察規范》[2]第4.1.19條，地基變形計算深度，對中、低壓縮性土可取附加應力等于上覆土層有效自重壓力20%的深度，對高壓縮性土可取附加應力等于上覆土層有效自重壓力10%的深度，一般當地基中的附加應力σz為上覆地基土自重應力σcz的10%時，可認為附加應力對該深度處的地基壓縮影響微弱，該深度稱為地基受壓層深度。受壓層深度以下的巖、土層中附加應力很小，其對地基沉降的影響可忽略不計。地基附加應力，按式(4)計算。

σz=αP0

(4)

式中：α為各種荷載下的豎向附加應力系數；P0為作用于基礎底面平均附加壓力，kN/m2。

估算11層樓基礎下23 m深度(基礎開挖深度約5.0 m)處附加應力σz約為62.6 kPa。地面以下任一層面處的自重應力按式(5)計算。

(5)

式中：n為從天然地面到深度z處的土層總數；hi為第i層土的厚度，m；ri為第i層土的重度，kN/m3，地下水位以上的土層一般采用天然重度(地下水位取1.0 m，土層按5 m計算)，地下水位以下的土層采用浮重度，毛細飽和帶的土層采用飽和重度。

計算場地地表下28 m深度處土層的自重應力σcz約為630 kPa。

因地表下28 m深度處附加應力σz<10%σcz，因此認11層住宅樓應力影響深度約為地面以下28 m。

綜合以上兩種算法，11層住宅樓應力影響深度約為地面以下28 m。

(2)垮落帶、斷裂帶計算

依據地層資料，確定擬建區下采煤工作面的上覆巖層為軟硬巖互層，煤層傾角12°～20°，根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》[1]附錄L，當煤層頂板為硬質巖、軟質巖層或其互層時，開采空間和垮落巖層本身的空間可由頂板的下沉和垮落巖石的碎脹填滿，開采單一煤層時垮落帶的最大高度可按式(6)計算。

(6)

式中：M為單層采厚，m，取0.7 m；W為下沉值，取0.595 m；k為巖石的碎脹系數，取1.3；a為煤層傾角，取20°。計算Hm為0.4 m。

斷裂帶最大高度Hli計算公式見式(7)。

(7)

此處∑M取1.40 m，計算Hli為33.7 m。

計算垮落及斷裂帶高度之和為34.1 m。

(3)穩定性影響評價

評價區11層樓附加應力影響深度為Ha=28 m；而采空區垮落、斷裂帶最大發育高度34.1 m，深度H1f為110-34.1=75.9 m，H1f≥2Ha。因此根據附加應力影響深度Ha和垮落斷裂帶深度H1f判別擬建工程對采空區穩定性影響程度小。

綜合以上分析，認為采空區場地工程建設適宜性為“基本適宜”。

評價區地基按不均勻地基考慮，變形計算應包括采空區地表剩余變形值與附加荷載引起的正常地基沉降變形值。

4 建筑技術措施

場地地基基本穩定，工程設計適當考慮殘余變形對建筑的影響。本場地地基變形是由采空區的殘余變形及擬建荷載導致的地基壓縮變形兩部分組成，因此應控制地基土層的壓縮變形值。建議對建筑物的基礎及上部結構采取能夠抵抗地表殘余沉陷變形的抗變形結構技術措施，確保建筑物的安全。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。

5 結論

充分利用好開采煤炭資源遺留下來的采空區場地，可以增加建設用地。以一建筑場地的實例，分析煤礦采空區場地作為建筑場地的穩定性和適宜性，根據開采條件及地表移動變形，綜合確定采空區場地穩定性為“基本穩定”，采用工程類比法、采空區特征判別法、活化影響因素分析法、地表剩余變形判別法等判別采空區場地工程建設適宜性為“基本適宜”。為確保建筑物的安全，采空區場地采取一定的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等，在此措施下，擬建煤礦采空區場地作為建筑用地是可行的。