某煤礦老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

張德成 李 維 代 亞

(江蘇華晟建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 徐州 221006)

0 引言

改革開放以來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，煤礦采空區(qū)及其周邊的場(chǎng)地逐漸被開發(fā)。由于煤礦經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的開采，形成采空區(qū)，采空區(qū)以上的巖土層、地表失去平衡而發(fā)生大的移動(dòng)和變形，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后變形會(huì)逐漸穩(wěn)定，但地表還會(huì)存在部分剩余沉降，特別是在采空區(qū)上施加較大荷載后，在荷載的作用下，地基巖土體中將產(chǎn)生附加應(yīng)力并向下傳遞，因此會(huì)改變老采空區(qū)上方破裂巖土體的受力狀態(tài)，使破裂巖土體的應(yīng)力增加，產(chǎn)生附加沉降，影響新建建筑物的安全，出現(xiàn)建筑物開裂等隱患。

多年以來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)煤礦采空區(qū)地基穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究[1-6]，但對(duì)大面積的多層老采空區(qū)上新建高層建筑的地基穩(wěn)定性研究并不多。本文以徐州市賈汪區(qū)某住宅小區(qū)工程為例，對(duì)煤礦老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定該場(chǎng)地的穩(wěn)定性和建筑適宜性，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)的處理措施，以保證新建建筑物的安全。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地占地面積約37萬(wàn)m2，分為2號(hào)、3號(hào)兩個(gè)地塊，規(guī)劃建設(shè)53棟18層住宅、2棟3層幼兒園、數(shù)棟1層～2層商業(yè)及-1層地下車庫(kù)。場(chǎng)地位于賈汪區(qū)韓橋礦界內(nèi)，場(chǎng)地內(nèi)及其附近進(jìn)行過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的采煤作業(yè)，韓橋礦及附近多個(gè)小煤窯在此多次采煤，形成多層采空區(qū)，并導(dǎo)致地表塌陷嚴(yán)重。場(chǎng)地內(nèi)1煤、3煤、17煤、20煤、21煤為主要開采煤層。根據(jù)勘探資料，1煤及3煤頂板為泥巖、砂巖互層，17煤頂板為頁(yè)巖，20煤及21煤頂板為石灰?guī)r。韓橋煤礦于20世紀(jì)50年代開始在場(chǎng)地內(nèi)及周邊進(jìn)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(gè)小煤窯又進(jìn)行了多次復(fù)采，小煤窯的開采時(shí)間較長(zhǎng)、開采方式較多、資料搜集困難，地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)難度較大且尤為重要。

2 場(chǎng)地及周邊煤層開采情況

2.1 煤田分布情況

根據(jù)搜集到的煤田地質(zhì)資料，場(chǎng)地主要為二迭系下統(tǒng)下石盒子組、山西組及石炭系上統(tǒng)太原組地層，地層傾角1°～10°，屬緩傾斜采空區(qū)。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(chǎng)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(chǎng)地下的1煤、3煤為20世紀(jì)50年代～60年代韓橋礦開采，20世紀(jì)70年代后為小煤窯復(fù)采。1960年以前采煤方式為房柱式采煤法，1960年—1962年、20世紀(jì)70年代后進(jìn)行了復(fù)采，長(zhǎng)壁式采煤法(小煤窯復(fù)采1煤、3煤為非正規(guī)長(zhǎng)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(chǎng)地北部2號(hào)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(zhǎng)壁法；20煤的開采時(shí)間為1988年—1994年，主要在2號(hào)地塊東部、3號(hào)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(zhǎng)壁法；21煤開采時(shí)間為1992年—1998年，主要在2號(hào)地塊東部、3號(hào)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(zhǎng)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(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)分布情況詳見圖1。

3 現(xiàn)場(chǎng)勘察驗(yàn)證

通過(guò)搜集場(chǎng)地及附近的煤礦開采資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了解地表塌陷情況以及現(xiàn)場(chǎng)物探、鉆探驗(yàn)證，以查明采空區(qū)、特別是對(duì)工程建設(shè)影響較大的1煤、3煤采空區(qū)現(xiàn)狀、采空區(qū)塌陷密實(shí)情況等，為地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)性資料。

3.1 物探勘察

為查明評(píng)價(jià)場(chǎng)地內(nèi)采空區(qū)分布情況，采用全排列高密度電法進(jìn)行勘探。本次物探工作重點(diǎn)查明淺部1煤、3煤采空區(qū)現(xiàn)狀，因此在場(chǎng)地內(nèi)布置了5條測(cè)線(2條南北向主測(cè)線，3條東西向輔助測(cè)線)，勘探深度分別為100 m,60 m。電極間距高密度序列設(shè)置為6.0 m，4.0 m，測(cè)線總長(zhǎng)4 160 m(見圖2)。

根據(jù)5條測(cè)線剖面電阻率圖的特征，表明場(chǎng)地多個(gè)地段、埋深10 m～60 m處存在電阻率低阻現(xiàn)象，推測(cè)為巖土體采煤塌陷后，巖土體疏松、充水所致，為采空區(qū)垮落斷裂帶，符合采空區(qū)覆巖變形破壞規(guī)律。

3.2 鉆探勘察

本次評(píng)價(jià)工作在場(chǎng)地內(nèi)布置了23個(gè)鉆孔，鉆孔總進(jìn)尺1 022.5 m(鉆孔布置見圖2)。通過(guò)鉆探勘察，查明場(chǎng)地下巖土層結(jié)構(gòu)及巖土體特性；查明對(duì)工程建設(shè)影響較大的1煤、3煤采空區(qū)范圍內(nèi)巖體完整程度、巖體密實(shí)度等。鉆孔深度至3煤(采空區(qū))底板以下穩(wěn)定巖層(其中2個(gè)鉆孔驗(yàn)證7煤埋深、厚度等)。

分析各個(gè)鉆探孔的地質(zhì)成果，同時(shí)和煤田地質(zhì)資料、煤礦開采資料作對(duì)比，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)場(chǎng)地內(nèi)1煤、3煤采空區(qū)的分布及開采情況，整個(gè)場(chǎng)地下均分布1煤、3煤采空區(qū)，開采方法不正規(guī)，場(chǎng)地發(fā)生過(guò)地面塌陷，但存在未垮落密實(shí)的巷道和殘留煤柱；部分鉆孔未揭露到1煤、3煤采空區(qū)，推測(cè)采空區(qū)為垮落密實(shí)。本場(chǎng)地下7煤變薄，鉆探深度范圍內(nèi)未揭露到7煤，結(jié)合收集的煤礦開采資料判定，場(chǎng)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(qū)地基穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

4.1 煤層開采對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)

根據(jù)搜集到的煤田地質(zhì)資料，場(chǎng)地及周邊1煤、3煤、17煤、20煤、21煤采空區(qū)屬大面積采空區(qū)。

1)根據(jù)開采方式，評(píng)價(jià)場(chǎng)地及周邊韓橋礦采空區(qū)屬長(zhǎng)壁式采空區(qū)為主，1煤、3煤部分為房柱式采空區(qū)，小煤窯復(fù)采1煤、3煤為非正規(guī)長(zhǎng)壁法及穿巷式，17煤、20煤、21煤大都采用長(zhǎng)壁式開采為主，全部垮落法管理頂板，這種開采方式在短時(shí)間內(nèi)對(duì)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(jié)束，殘余沉降較小，對(duì)場(chǎng)地的穩(wěn)定性影響較小，從開采方式評(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定等級(jí)為基本穩(wěn)定。

2)根據(jù)開采時(shí)間和采空區(qū)地表變形階段，評(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)屬老采空區(qū)。評(píng)價(jià)場(chǎng)地 1煤、3 煤采空區(qū)為淺層采空區(qū)，開采方法有房柱式、非正規(guī)長(zhǎng)壁法及穿巷式，開采方式多樣，回采率變化大，部分區(qū)域垮落不密實(shí)，仍殘留有空洞，在外因作用下易發(fā)生活化，活化后產(chǎn)生不連續(xù)變形；17煤、20煤、21煤采空區(qū)為深層采空區(qū)，開采方法為走向長(zhǎng)壁、全部垮落法管理頂板，引起的地表變形是連續(xù)變形。從地表變形特征評(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定等級(jí)為不穩(wěn)定。

3)評(píng)價(jià)場(chǎng)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(qū)屬淺層～中深層～深層采空區(qū)。根據(jù)煤層傾角(1°～10°)，場(chǎng)地采空區(qū)屬于緩傾斜采空區(qū)。從采深、采深厚比評(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定等級(jí)為不穩(wěn)定。

4.2 地表變形對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)場(chǎng)地地層傾角較緩(1°～10°)，緩傾斜采空區(qū)，開采引起的地表移動(dòng)和變形符合地表移動(dòng)的一般規(guī)律，整個(gè)場(chǎng)地位于賈汪煤盆地的中間區(qū)。各煤層的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)可采用概率積分法預(yù)測(cè)模型，計(jì)算采空區(qū)塌陷盆地的沉降量、傾斜值、曲率值、水平移動(dòng)及水平變形值等參數(shù)。計(jì)算方法參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[7]及GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范[8]。表2為變形計(jì)算采用的參數(shù)。

表2 地表移動(dòng)變形計(jì)算參數(shù)

場(chǎng)地勘探平面布置及地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)綜合成果圖見圖2。

根據(jù)變形計(jì)算結(jié)果，已發(fā)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(rèn)為場(chǎng)地的主沉降已結(jié)束，現(xiàn)階段屬于殘余變形階段。表3為變形計(jì)算結(jié)果。

表3 地表變形計(jì)算成果表

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》及GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范評(píng)定建筑物的安全標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)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(shí)，地基是穩(wěn)定的、建筑物是安全的。根據(jù)變形計(jì)算結(jié)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(guī)范允許值。同時(shí)考慮到場(chǎng)地還存在殘留煤柱、未垮落密實(shí)的殘留巷道等，存在活化的可能，活化后將導(dǎo)致不連續(xù)變形的發(fā)生，對(duì)建筑物的安全影響較大。因此，從地表移動(dòng)變形值綜合考慮，擬建場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定。

4.3 建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》及GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范，可按下式驗(yàn)算地基的穩(wěn)定性，P0為建筑物基底單位壓力，當(dāng)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(shí)的附加應(yīng)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(jì)算；γ為巷道上覆巖層的重度，按22.0 kN/m3計(jì)算；φ為巷道上覆巖層的內(nèi)摩擦角，按38.0°計(jì)算。

當(dāng)H1.5HD時(shí)，地基穩(wěn)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(jìn)行計(jì)算，HD分別為16.6 m,22.0 m，1.5HD分別為24.9 m,33.0 m。

根據(jù)前述分析，擬建場(chǎng)地采空巷道埋深大于13 m。1煤、3煤采空區(qū)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(qū)埋深小于1.0 倍的荷載臨界影響深度，地基基本穩(wěn)定～不穩(wěn)定；對(duì)于高層住宅，1煤、3煤采空區(qū)埋深小于1.0 倍的荷載臨界影響深度，地基不穩(wěn)定。

深部17煤、20煤、21煤采空區(qū)埋深280 m～370 m，遠(yuǎn)大于1.5HD，地基穩(wěn)定。

4.4 建筑地基穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述分析，從開采方式評(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定等級(jí)為基本穩(wěn)定，從地表變形特征評(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定等級(jí)為不穩(wěn)定，從采深厚比評(píng)價(jià)場(chǎng)地采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定等級(jí)為不穩(wěn)定，從地表移動(dòng)變形值評(píng)價(jià)建場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定；在建筑荷載作用下，1煤、3煤采空區(qū)地基不穩(wěn)定，深部17煤、20煤、21煤采空區(qū)地基穩(wěn)定。綜合確定，場(chǎng)地地基不穩(wěn)定，需采取地基處理及結(jié)構(gòu)抗變形措施以控制采空區(qū)對(duì)擬建工程的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

1)場(chǎng)地下的1煤、3煤、17煤、20煤、21煤開采、復(fù)采時(shí)間長(zhǎng)，屬多層老采空區(qū)。采空區(qū)屬淺層～中深層～深層采空區(qū)，緩傾斜采空區(qū)。

2)現(xiàn)狀條件下，場(chǎng)地地基不穩(wěn)定，工程建設(shè)適宜性差。未經(jīng)處理，不宜作為重要建筑建設(shè)用場(chǎng)地。

3)根據(jù)采空區(qū)情況及擬建建筑情況，1煤、3煤采空區(qū)埋深小，對(duì)工程建設(shè)影響大，建議對(duì)場(chǎng)地下的1煤、3煤采空區(qū)進(jìn)行注漿充填加固處理，以減小采空區(qū)對(duì)地基穩(wěn)定性的影響。17煤、20煤、21煤采空區(qū)埋深大，對(duì)擬建工程的影響小，可不進(jìn)行注漿處理。

4)建設(shè)單位采納了本研究成果，對(duì)場(chǎng)地下1煤、3煤采空區(qū)進(jìn)行注漿充填加固處理并調(diào)整了建筑布局,同時(shí)采取結(jié)構(gòu)抗變形措施。注漿充填加固處理后，進(jìn)行了注漿質(zhì)量檢測(cè)。工程建設(shè)期間及竣工后進(jìn)行了建筑物沉降觀測(cè)，沉降觀測(cè)結(jié)果表明，建筑物的總沉降量在20 mm～45 mm之間，地基穩(wěn)定。本項(xiàng)目的評(píng)價(jià)成果為類似工程的建設(shè)提供了參考。