小煤窯采空區(qū)綜合勘察與地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李 維

(江蘇華晟建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 徐州 221006)

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小煤窯采空區(qū)綜合勘察與地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李 維

(江蘇華晟建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 徐州 221006)

結(jié)合徐州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)煤田的地質(zhì)情況與小煤窯開(kāi)采情況，采用物探與鉆探技術(shù)，對(duì)小煤窯采空區(qū)進(jìn)行了綜合勘察，評(píng)價(jià)了小煤窯采空區(qū)地基穩(wěn)定性及建筑適宜性，為采空區(qū)建筑工程建設(shè)提供了依據(jù)。

小煤窯，采空區(qū)，勘察方法，地基，穩(wěn)定性

0 引言

在過(guò)去的幾十年中，小煤窯對(duì)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到較大的推動(dòng)作用，由于產(chǎn)能較低、安全隱患較大等原因，小煤窯大多已被關(guān)停，其多年開(kāi)采留下了大量的采煤巷道與采空區(qū)，給公路、鐵路、工業(yè)民用建筑的建設(shè)埋下了很多隱患。

小煤窯采空范圍較小，開(kāi)挖深度較淺，以巷道采掘?yàn)橹鳎騼蛇呴_(kāi)挖支巷道，一般分布無(wú)規(guī)律或呈網(wǎng)格狀。巷道大多不支撐或采用臨時(shí)支撐，任其自由垮落，缺乏安全保障。在小煤窯采空區(qū)上新建建筑物，將改變老采空區(qū)上方破裂巖土地基的受力狀態(tài)，對(duì)新建建筑物的安全構(gòu)成威脅。

由于小煤窯多為無(wú)證開(kāi)采、無(wú)開(kāi)采規(guī)劃、無(wú)采礦資料，局部多次復(fù)采，使小煤窯采空區(qū)的勘察難度較大，因此需采用多種勘察方法，綜合確定采空區(qū)范圍，綜合評(píng)價(jià)其建筑地基穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)淺埋小煤窯采空區(qū)的勘察、地基穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)等進(jìn)行了研究[1-5]，但民用建筑下的小煤窯采空區(qū)勘察及地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)案例較少。本文結(jié)合工程實(shí)例，探討小煤窯淺埋采空區(qū)的綜合勘察方法及地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，為地區(qū)類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 煤田地質(zhì)及小煤窯開(kāi)采情況

1.1 擬建建筑物概況

擬建工程為一綜合辦公樓，主樓地上27層(樓高99.9 m，地下室2層)、裙房4層(樓高17.25 m，無(wú)地下室)，見(jiàn)圖1。場(chǎng)地位于徐州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)上山村小煤窯開(kāi)采范圍內(nèi)，場(chǎng)地內(nèi)及周邊進(jìn)行過(guò)采煤活動(dòng)。

1.2 煤田地質(zhì)情況

建設(shè)場(chǎng)地位于大黃山—賈汪復(fù)式向斜煤盆地的西南翹起端，場(chǎng)地一帶為北東走向的狹長(zhǎng)向斜構(gòu)造。擬建建筑物位于該向斜的軸部偏西。場(chǎng)地下伏基巖為石炭系上統(tǒng)太原組的石灰?guī)r(共13層)及碎屑巖(砂、頁(yè)巖等)，其中夾煤最多可達(dá)14層，一般12層。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，太原組層厚160 m，可采煤層17煤、20煤、21煤，其中17煤為不穩(wěn)定性煤，煤層厚度約0.5 m，頂板為砂頁(yè)巖，底板為頁(yè)巖；20煤層位穩(wěn)定，分布普遍，煤層厚度約0.80 m，20煤下距21煤25 m～32 m，煤層頂板為石灰?guī)r，底板為細(xì)砂巖；21煤層位穩(wěn)定，分布普遍，煤厚0.75 m，煤層頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖。據(jù)調(diào)查，場(chǎng)地內(nèi)小煤窯主采煤層為20煤。

1.3 小煤窯開(kāi)采情況

上山村小煤窯始建于1995年，1996年關(guān)閉，斜井，為私人無(wú)證開(kāi)采，井口在擬建場(chǎng)地東南方約200 m處，巷道走向北西，巷道傾角約20°，采用毛石砌筑，上口寬約1.8 m，下口寬約2.5 m，高約2.0 m。巷道開(kāi)掘時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水豐富，在巷道盡頭修建一處水倉(cāng)，長(zhǎng)約40 m，距地表30 m～40 m之間。在巷道附近打了3口降水井用于礦井地下水疏干。該處采煤區(qū)可采煤層厚度較薄，1996年接到關(guān)停通知后，呈雞窩狀少量開(kāi)采，未正式投產(chǎn)即廢棄。關(guān)停后水倉(cāng)處(裙房處)曾發(fā)生過(guò)地面塌陷，塌陷深度約1.0 m，在塌陷處開(kāi)挖一處魚(yú)塘，魚(yú)塘呈南北向，約60 m×25 m。

2 小煤窯采空區(qū)綜合勘察

小煤窯采空區(qū)的勘察方法包括收集地質(zhì)資料、采礦調(diào)查、工程物探、鉆探等。

2.1 物探勘察

為查明擬建場(chǎng)地內(nèi)采空區(qū)分布情況，采用高分辨率的高密度電法中的三極裝置電阻率剖面法進(jìn)行勘探。在場(chǎng)地內(nèi)布置了4條測(cè)線，電極間距高密度序列設(shè)置為3.0 m。勘探深度為42 m～50 m，測(cè)線總長(zhǎng)600 m，詳見(jiàn)圖1。

物探勘察成果表明，測(cè)區(qū)深部巖層連續(xù)性較好，淺部石灰?guī)r連續(xù)性較差且分布不均勻。未發(fā)現(xiàn)大面積的采空區(qū)空洞，僅發(fā)現(xiàn)一處相對(duì)低阻區(qū)，推測(cè)為巷道的反應(yīng)；淺部巖土層變化較明顯，深部巖層變化較緩，發(fā)現(xiàn)數(shù)處地質(zhì)異常區(qū)域，推測(cè)為巖層局部變化所致。

2.2 鉆探勘察

通過(guò)鉆探取芯和鉆探過(guò)程描述，能直觀地觀察巖土體性狀，同時(shí)可以采取巖土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，綜合反映巖土層結(jié)構(gòu)、巖土體特征、水文地質(zhì)條件等。

本次勘察在場(chǎng)地內(nèi)共施工了35個(gè)鉆孔，鉆孔的位置詳見(jiàn)圖1。通過(guò)鉆探查明場(chǎng)地下巖土層結(jié)構(gòu)、巖土體特性；采空區(qū)埋深、采空塌陷現(xiàn)狀等；探明采空區(qū)影響范圍內(nèi)巖體完整程度、巖體密實(shí)度、巖體裂隙發(fā)育程度等多種特征。各孔鉆探情況詳見(jiàn)表1。

表1 鉆探成果表

鉆探結(jié)果證實(shí)了收集及調(diào)查了解的場(chǎng)地范圍內(nèi)20煤的分布與開(kāi)采情況，小煤窯僅在巷道附近局部開(kāi)采20煤，開(kāi)采不規(guī)范，水倉(cāng)區(qū)發(fā)生過(guò)塌陷，采空區(qū)具體邊界、位置依靠鉆孔是難以精確查明的，只能通過(guò)資料收集、鉆探、物探等手段綜合分析推測(cè)其規(guī)模。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、工程測(cè)量、物探、鉆探綜合分析認(rèn)為水倉(cāng)區(qū)位于場(chǎng)地西側(cè)魚(yú)塘范圍內(nèi)。巷道、水倉(cāng)區(qū)實(shí)測(cè)及推測(cè)大致位置見(jiàn)圖1。裙房(4層辦公樓)下存在水倉(cāng)塌陷區(qū)和東西走向的采煤支巷道，主樓下20煤未開(kāi)采。

3 小煤窯采空區(qū)地基穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)

3.1 煤層開(kāi)采對(duì)地基穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)

小煤窯開(kāi)采范圍內(nèi)的20煤于1996年建井初期有少量開(kāi)采，未正式投產(chǎn)小煤窯即關(guān)停。根據(jù)鉆探揭露的煤層埋深及厚度判定，水倉(cāng)采空區(qū)采深32.5 m～34.6 m，采厚約1.0 m～1.5 m，采深厚比約23，小于30；巷道采深35.6 m，采厚約1.4 m，采深厚比約25，小于30。

根據(jù)采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律的分析認(rèn)為，水倉(cāng)采空區(qū)地表移動(dòng)變形已經(jīng)初始穩(wěn)定，但水倉(cāng)區(qū)曾垮落塌陷，會(huì)對(duì)地基的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；未垮落的巷道在外在因素(如建筑物荷載、地震、地下水等)作用下，將對(duì)地基的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

水倉(cāng)區(qū)采深按33.0 m計(jì)，第四系厚度按8 m計(jì)，依據(jù)徐州地區(qū)煤田巖層移動(dòng)角參數(shù)：第四系邊界移動(dòng)角φ取40°，基巖邊界移動(dòng)角β取70°，根據(jù)地表移動(dòng)影響范圍經(jīng)驗(yàn)公式r=h/tanφ+H/tanβ,計(jì)算采空區(qū)地表影響范圍最大半徑為18.6 m，大于水倉(cāng)塌陷區(qū)距離主樓最近距離14 m，水倉(cāng)塌陷對(duì)主樓存在影響，但只影響到淺部第四系土層(見(jiàn)圖2)，主樓基礎(chǔ)埋深約9.0 m，因此采空區(qū)對(duì)主樓影響較小。

3.2 地表變形對(duì)地基穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)

場(chǎng)地地層傾角較緩，水倉(cāng)區(qū)開(kāi)采引起的地表移動(dòng)和變形總體上符合地表移動(dòng)的一般規(guī)律。終采時(shí)間15年以上，整體塌陷形成了塌陷坑，其地表移動(dòng)變形的活躍期已經(jīng)結(jié)束，未來(lái)的地表沉降變形將以殘余變形為主。

根據(jù)徐州礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律監(jiān)測(cè)和研究成果分析，水倉(cāng)區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律基本符合概率積分模型[6]。根據(jù)概率積分原理計(jì)算水倉(cāng)區(qū)發(fā)生的沉降量及預(yù)測(cè)的沉降變形見(jiàn)表2。

表2 水倉(cāng)區(qū)發(fā)生的沉降量及預(yù)測(cè)的沉降變形

通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)的沉降量與已發(fā)生的沉降量的分析，可以認(rèn)為主沉降已結(jié)束，殘余變形量較小。

3.3 建筑地基穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

現(xiàn)狀條件下，根據(jù)場(chǎng)地下煤層開(kāi)采情況，將場(chǎng)地分為兩個(gè)區(qū)域，即水倉(cāng)塌陷區(qū)和巷道區(qū)，分別評(píng)述其建筑地基穩(wěn)定性。

1)水倉(cāng)塌陷區(qū)：小煤窯于1996年關(guān)停，水倉(cāng)區(qū)曾發(fā)生地面塌陷，后在該處開(kāi)挖魚(yú)塘，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，該處區(qū)域可認(rèn)為地表變形已相對(duì)穩(wěn)定，地表變形對(duì)建筑物的影響可以采取地基處理措施減輕或者消除。

2)巷道區(qū)：該區(qū)域巷道寬約2.5 m，巷道附近蜂窩狀少量開(kāi)采20煤，巷道保持完好，未發(fā)生垮落塌陷。該區(qū)域地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法為《巖土工程手冊(cè)》[7]中所用方法。計(jì)算公式如下：

建筑物基底單位壓力P0按60 kPa(4層)進(jìn)行計(jì)算，H0=15.4 m，1.5H0=23.1 m。

通過(guò)物探、鉆探勘察驗(yàn)證，4層裙房下巷道頂板埋深35.6 m，巷道埋深大于1.5倍的臨界深度，對(duì)地基穩(wěn)定性影響較小；但在外在因素(如地下水)作用下存在“活化”的可能。

4 結(jié)語(yǔ)

1)建設(shè)場(chǎng)地位于小煤窯采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)，場(chǎng)地下的20煤僅在巷道附近局部開(kāi)采，開(kāi)采范圍不大，水倉(cāng)區(qū)發(fā)生過(guò)垮落塌陷。2)4層裙房部分位于水倉(cāng)塌陷區(qū)、部分位于巷道區(qū)、部分煤層未開(kāi)采，仍然存在出現(xiàn)非連續(xù)性變形的危險(xiǎn)，地基穩(wěn)定性較差，在采取地基處理措施后作為建設(shè)用地是基本適宜的。建議裙房采取地基處理措施(注漿充填)或采用樁基穿越采空區(qū)，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取抗變形措施。3)主樓(高層辦公樓)下雖然未發(fā)現(xiàn)煤層開(kāi)采，但依然會(huì)受到鄰近采空塌陷區(qū)的影響，地基相對(duì)穩(wěn)定，作為建設(shè)用地是基本適宜的，可適當(dāng)加強(qiáng)建筑基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度。4)采用收集地質(zhì)資料、采礦調(diào)查、工程物探、鉆探等多種方法進(jìn)行小煤窯采空區(qū)勘察，可大大提高地基穩(wěn)定性及建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)的可靠性。5)建設(shè)單位采納了勘察評(píng)價(jià)研究成果，對(duì)巷道及水倉(cāng)塌陷區(qū)進(jìn)行了注漿充填處理。目前，采空區(qū)地基穩(wěn)定性良好。

[1] 唐咸遠(yuǎn),羅得把,李迎春.高速公路下伏淺層小煤窯采空區(qū)綜合勘察技術(shù)[J].公路工程，2013(2):16-19,26.

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[6] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[7] 《巖土工程手冊(cè)》編寫(xiě)委員會(huì).巖土工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1996.

Investigation geotechnical investigation and evaluationof foundation stability about buildings to be built above small mine goaf

Li Wei

(Jiangsu Huasheng Architectural Design Co., Ltd, Xuzhou 221006, China)

Combining with the geological circumstances and exploitation of some small coal mines in Xuzhou Economic and Technical Development Zone, the paper adopts the physical and drilling survey techniques, undertakes the comprehensive survey of the small mine goaf, and evaluates the foundation stability and building adaptability of the goaf, so as to provide some reference for the architectural engineering construction in goafs.

small coal mine, goaf, survey method, foundation, stability

1009-6825(2017)08-0056-03

2017-01-09

李 維(1984- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TU195

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