采空區瓦斯綜合利用零排放項目建設場地適宜性評價

李 晶 晶

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

隨著我國社會經濟的高速增長，土地資源卻越來越貧乏，工程建設場地的選擇也越來越困難，尤其是在以煤礦為主的一些城市地區，越來越多的項目不得不建在采空區上方的場地上，山西某煤礦瓦斯綜合利用零排放項目就計劃建設在煤礦采空區上方的土地上。

在煤礦采空區上方建設瓦斯綜合利用零排放項目，尤其是泵站、泵房等對變形比較敏感的建筑，一旦受采空區變形的影響，就會面臨較大的風險或花費較大的成本。由于地下開采煤層的分布錯綜復雜，所形成的采空區也比較復雜，為了確保擬建瓦斯綜合利用零排放項目建筑物的正常運營，應當對該建設場地的適宜性進行評價，為該項目工程的設計提供技術依據。

1 工程概況

為回收利用煤礦風排瓦斯及泵站抽放瓦斯，變廢為寶綜合利用煤礦瓦斯資源，山西某煤礦計劃新建瓦斯綜合利用零排放示范項目工程，該項目場址位于伏巖煤礦井田范圍內，占地面積約14.8畝。瓦斯綜合利用零排放項目內的泵站、泵房為對變形比較敏感的建筑物，應當選擇受煤層采動影響比較小、穩定性比較好的場地。根據業主的要求，計劃將本項目建在3號煤層采空區之上，為了保證瓦斯綜合利用零排放示范項目內各建筑物的正常運營，本文對該項目場地穩定性和工程建設適宜性進行初步評價，為該項目的選址和方案設計提供依據。

2 采空區基本情況

根據搜集到的煤層采掘平面圖可知，本評價區場地只受3號煤層采空區的影響，煤層厚度3.04 m～6.64 m，平均4.81 m。煤層直接頂板為泥巖或砂質泥巖，厚11.78 m～15.75 m，平均12.82 m，偽頂為炭質泥巖，底板為粉砂質泥巖或泥巖，厚5.40 m～7.50 m，平均6.50 m。

據調查，評價區周圍煤礦開采煤層為3號煤，且距離評價區場地的最短直線距離均大于2.0 km，距離甚遠，且附近也不存在小窯煤礦，因此，本次評價不予考慮相鄰煤礦對評價區場地的影響。

評價區場地采空區平面圖如圖1所示。影響場地穩定的各采煤工作面的終采時間如表1所示。

表1 影響場地穩定的各采煤工作面的終采時間表

采煤工作面編號終采時間停采時長/年31022013年5月6.131032017年8月1.831042015年4月4.231082018年12月0.531092019年4月0.2

3號煤開采方法為長壁綜采放頂煤采煤法；埋深320 m，煤層平均厚度約4.8 m，采深大于300 m，采深采厚比大于60；煤層傾角介于0°～3°，小于15°；根據GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范(2017年版)綜合確定評價區3號煤采空區為近水平、頂板充分垮落的深層采空區。

3 采空區地表殘余變形預測

對于充分采動采空區，當地下煤層采出后形成采空區，隨著煤層開采的不斷進行，通常會在采空區上方形成垮落帶、裂隙帶和彎曲帶；在地表形成移動盆地、裂縫或臺階、塌陷坑。

通過對采空區地表變形的預測，了解新建瓦斯綜合利用零排放示范項目場地的地表下沉值、傾斜、曲率、水平變形、水平移動等數值，預估新建項目場地各建筑物建成后的變形值。根據估算建筑物的變形值，并結合建筑地基基礎規范規定的建筑變形允許范圍值，判定本采空區上方新建項目的工程建設適宜性。

本次評價采用概率積分法對評價區地表殘余變形進行預測，預測曲線如圖2～圖6所示。

根據圖2～圖6的預測曲線結果可知，本次評價區場地地表的殘余最大傾斜值為0.6 mm/m、殘余最大曲率值為0.04×10-3m、殘余最大水平變形值為0.6 mm/m、殘余最大水平移動值為30.0 mm、殘余最大下沉值為22.0 mm。

根據預測地表變形結果可知，目前采空區對評價區場地的地表變形影響比較小，地表下沉值僅為22 mm、傾斜值為0.6 mm/m，按建筑地基基礎規范及建筑變形測量規范的要求，判定本評價區采空區對地表變形影響甚微。

4 采空區場地穩定性和工程建設適宜性評價

4.1 采空區場地穩定性評價

采空區的穩定性評價因素包含主控評價因素和一般評價因素，其中主控評價因素有終采時間、地表移動變形特征、地表移動變形值，一般評價因素為采深、頂板巖性、松散層厚度。本次評價按主控因素、一般因素采用開采條件判別法對采空區場地穩定性進行初步判別，采用地表移動變形判別法對采空區穩定性進行定量分析評價。綜合確定評價區采空區場地穩定性等級為不穩定～穩定。

4.2 采空區場地工程建設適宜性評價

1)采空區對擬建工程的影響程度。

采空區對工程的影響程度，應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、垮落斷裂帶的密實狀態、活化影響因素等，采用采空區特征判別法、活化影響因素分析法、地表剩余移動變形判別法等方法，按GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范(2017年版)表12.3.2-1～12.3.2-4的規定劃分。綜合評價采空區場地對工程的影響程度為中等。

2)擬建工程對采空區的影響程度。

擬建工程對采空區穩定性影響程度，根據采空區垮落裂隙帶發育高度的計算來判定。垮落裂隙帶發育的最大高度Hli=70.7 m。依據瓦斯綜合利用零排放項目土建總圖可知，廠區內最大建筑為抽放泵站，其平面尺寸為20.5 m×15.5 m，預估其基礎形式為筏板基礎，基礎尺寸為23.0 m×18.0 m，其計算的附加荷載影響深度Ha的最大值為24.2 m。

由于擬建場地地下采空區埋深H=320 m，垮落斷裂帶的最大高度Hli=70.7 m。因此，垮落斷裂帶的埋藏深度Hlf=H-Hli，計算的Hlf=249.3 m，Hlf≥2.0Ha，說明新建建筑后其附加應力影響深度小于采空區垮落斷裂帶的埋藏深度值。據此判斷，采空區場地新建工程對采空區的穩定性影響程度為小。

3)采空區場地工程建設適宜性評價。

根據前述采空區場地穩定性分析、采空區與擬建工程的相互影響程度分析，本評價區若采取合理的地面布置、建筑結構措施、進行適當的采空區治理可以滿足工程建設的需要。故將本次評價區瓦斯綜合利用零排放項目采空區場地工程建設適宜性級別劃分為基本適宜。

5 結語

通過本次評價，確定評價區域內采空區場地穩定性等級為不穩定～穩定；采空區場地對工程的影響程度為中等；場地內擬建工程對采空區穩定性影響程度為小；采空區場地工程建設適宜性分級為基本適宜。