擬建建筑物下方多煤層采空區治理分析

鮑永生

（晉能控股集團有限公司，山西 大同 037000）

在采空區上方擬建建筑物時，由于建筑物自身的載荷作用在老舊采空區上，可能打破地層下方采空區的平衡狀態，造成采空區覆巖失穩，巖層斷裂、垮落和坍塌，進而對地表建筑物穩定性造成影響。國內學者展開了多方研究，劉書杰[1]利用理論分析和數值模擬對建筑物穩固性做出評估；楊喆等[2]分析了逐煤層開采后形成的多煤層采空區對上部建筑物穩定性的影響；張仰光等[3]認為為了保證采空區上方的建筑物的穩定性，需采取一定抗變形措施；尹麗軍等[4]介紹了注漿法在老采空區場地修建建筑物的應用。對于擬建建筑物下方存在的多煤層采空區的分析治理問題，還需進一步探索。為此以馬脊梁煤礦新建副立井工業廣場下方多煤層采空區為研究對象，對采空區穩定性進行分析并提出治理方案，預防建筑物出現下沉變形等破壞，保障副立井工業廣場的安全建設。

1 工業廣場下采空區及上覆巖層穩定性分析

馬脊梁煤礦是晉能控股煤業集團開采侏羅系煤層15 個大型礦井之一。井田內含煤14 層，僅3 層為不可采煤層。除去已采空和其他煤窯開采的煤層，井田內可采煤層由上到下依次為7#、8#、9#、10#、11-1#、11-2#、12#、14-2#、14-3#煤層，總平均厚度為13.26 m。主要可采煤層有7#、11-2#、14-2#、14-3#煤層。

1.1 采空區賦存情況及煤柱穩定性

馬脊梁煤礦副立井工業廣場下方煤層開采狀況：①2#煤層：大部分治理區域下為四老溝煤礦1985—1986 年采掘，屬于淺層采空區，場地已經進入穩定階段；②11#煤層：在辦公樓、35 kV 變電所及水處理間治理區域下為四老溝礦1999 年采掘，屬于中深層采空區；③14-2#煤層：在廣場西南部下面為四老溝礦2007 年采掘，屬于深層采空區；④14-3#煤層：辦公樓、35 kV 變電所、水處理間及黃泥灌漿站治理區域下為四老溝礦2002—2010 年采掘，屬于深層采空區。

根據Wilson 理論，采空區垂直應力與距煤壁的距離成正比[5]。當該距離達到0.3H 時（H 為開采深度），采空區垂直應力恢復到原始荷載ρgH，兩側垮落巖石膨脹情況下的煤柱示意圖如圖1。

圖1 兩側垮落巖石膨脹情況下的煤柱示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal pillar under expansion of falling rock on both sides

式中：b 為采寬，m。

若計算出的K 值大于1，認為廣場區域內遺留煤柱是穩定的；K 值小于1，則遺留煤柱是不穩定的，其承載能力不足以支撐上覆巖層的重力。

以副立井廣場下2#煤層為例進行計算，由2#煤層開采情況可知，該煤層所留設煤柱寬度a 為11～17 m，工作面采寬b 為80～86 m，計算出K=0.55＜1，可知區域內2#煤層遺留的煤柱是不穩定的。同理，由副立井廣場下11#、14-2#、14-3#煤層情況，計算出K 值分別為0.65、0.61、0.62，均小于1，故擬建工業場地內遺留煤柱不穩定，不足以支撐上覆巖層重力。

從開采時間上分析，除部分14-3#煤層外，大部分的開采時間都超過了36 個月，參照大同地區采空區沉陷變形規律，一般認為由于采掘活動引起的地面變形已經基本結束。

1.2 建筑物載荷影響深度

引起建筑物地基發生形變，使建筑物發生沉降的主要原因是新建建筑物在地基上增加的附加應力。煤礦工業廣場上部分建筑物的荷載一般都很大，如煤倉、主廠房等，這些建筑物在地基產生的附加應力擾動深度可達數十米，可能觸及采空區范圍，對采空區上方巖層產生影響，造成采空區四周圍巖體失穩而產生新的移動變形。當移動變形量達到一定程度時，足以影響地表建筑物的穩定，嚴重威脅地表建筑物的安全。

建筑物的類型、基礎型式、荷載不同,其作用于地基上附加應力的分布形式、地基沉降量和地基擾動深度也不同[6-8]。一般當地基中附加應力等于相應位置處自重應力的10%時，則該深度處建筑物荷載產生的影響可以忽略不計[9]。出于安全考慮，取附加應力值小于5%自重應力值的相應深度處，作為本次地表擬建工業廣場的影響深度。

地下任意深度z 處的自重應力應為：

式中：σZ為地基中深度為z 到集中力P 作用點的距離為R 處的豎向應力，kPa；p 為P 點的豎直集中力，kPa；z 為基礎下深度，m；R 為基礎下深度到作用點P 的距離，m。

工程實踐中，任何建筑物的荷載傳遞給地基時，需要通過一定尺寸的基礎，很少存在集中力作用在地基上的情況，常見形式有矩形基礎和圓形基礎。

1）矩形基礎均布荷載作用下σZ為：

選取均布荷載較大的副立井井架為例進行計算，得出副立井井架的最大影響深度為53 m。其他場地設施計算方法同理，最終確定出：副立井提升機房的最大影響深度為38 m；副立井配電室的最大影響深度為33 m；辦公樓的最大影響深度為28 m，回風井配電室的最大影響深度為23 m，綜采設備庫的最大影響深度為33 m。

綜上，副立井工業廣場擬建建筑物對地基的最小影響深度為23 m，最大影響深度為55 m。

1.3 采空區上覆巖層破環高度及穩定性

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》和經驗公式，計算煤層開采后頂板巖層垮落帶和導水斷裂帶的高度[10]。以采用走向長壁式全陷綜合采煤方法為例，中硬巖層垮落帶高度Hm，中硬巖層導水斷裂帶高度Hli分別為：

式中：Hm為中硬巖層垮落帶高度，m；Hli為中硬巖層導水斷裂帶高度，m；∑M 為煤層開采厚度（取區域內煤層厚度最大值），m。

大同地區侏羅系煤層的頂板大多為砂巖或者礫巖，屬于中硬巖層，2#、11#、14-2#、14-3#煤層均采用綜合采煤方法，各煤層采空區垮落帶和導水斷裂帶計算見表1。

表1 各煤層采空區垮落帶和導水裂隙帶計算Table 1 Calculation of caving zone and water-conducting fracture zone in goaf of each coal seam

將表1 數據與采空區埋深進行對比，確定需要治理或重點治理的采空區：①2#煤層采空區垮落帶高度、導水斷裂帶高度、安全距離與上部荷載影響深度（取工業場地內回風井配電室荷載影響深度）之和91.38 m 大于煤層頂板89.97 m，故應該對整個工業場地內存在2#煤層采空區的區域進行充填治理；②11#、14-2#、14-3#煤層埋藏較深，屬于中深、深層采空區，其采空區導水斷裂帶高度遠低于建筑物荷載影響深度，暫時不列入本次充填范圍；③井筒穿越的采空區不受上述分析和結論影響，應以井筒為中心一定半徑范圍內的、穿越的各個煤層的采空區都要充填治理。

1.4 井筒穿越的采空區范圍

為確保工業廣場內井筒的安全施工以及日后井筒的正常使用，需對井筒穿過的采空區一定范圍內進行充填，使其能夠支持井筒的安全施工及正常使用。擬建工業場地下的煤層屬于近水平煤層，煤層傾角小，為2°～3°，因此，對于井筒穿過采空區的治理范圍的確定可以暫不考慮充填體滑移的影響。

根據以往工程實踐和本井田采空區狀況，對井筒中心40 m 半徑范圍內穿越的采空區域進行壓力充填。

1.5 副立井工業廣場受開采影響地表移動變形

煤層開采后，采空區頂板巖層的垮落、斷裂和彎曲下沉會逐漸波及至地表，引起地表的移動變形[11]。由于目前沒有工業場地的地表移動實測資料，亦無法對上述地表移動特征值進行計算。對此引入剩余變形系數△V，即地表達到相對穩定時，采空區剩余空洞體積占地表未移動變形之前采空區的體積的比例，△V 的取值需要考慮采空區埋深、煤層開采方法、沉陷時間等因素。根據工業場地的采空區物探工作報告和以往工程設計與施工經驗，由于2#煤層沉陷時間較長，△V 綜合取0.40；11#、14-2#、14-3#煤層沉陷時間較短，△V 綜合取0.45。

2 治理范圍的確定計算及分區

2.1 治理范圍的確定及分區

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》，擬建場區內的Ⅰ級保護建筑物有：35 kV 變電所、回風井通風機房及配電室、副立井井口房、副立井提升機房及配電室；場區內其余建筑物定為Ⅱ級。因此，Ⅰ級保護等級建筑物圍護帶寬度取20 m，Ⅱ級保護建筑物圍護帶寬度取15 m。根據相關煤礦井筒建設穿越采空區的治理實踐和經驗，場區內2 個井筒保護治理范圍取以井筒為中心、半徑40 m 的區域。

擬建工業廣場采空區治理范圍，采用移動角法進行設計。

式中：β′為下山方向頂板巖層移動角，（°）；γ′為上山方向頂板巖層移動角，（°）；γ 為上山方向的巖層移動角，（°）；β 為下山方向的巖層移動角，（°）；δ為走向方向的巖層移動角，（°）；θ 為圍護帶邊界與煤層傾向線之間所夾的銳角，（°）。

垂線法設計建設群保護煤柱如圖2。

圖2 垂線法設計建設群保護煤柱Fig.2 Vertical line method used to design and construct group protective coal pillars

式中：q 為上山方向煤柱長度，m；l 為下山方向煤柱長度，m；h 為松散層厚度，m；H 為煤層到地表的垂深，m；α 為煤層傾角，（°）。

根據相關工程經驗，該廣場上建筑物治理范圍邊界在圍護帶的基礎上，垂線長度q 和l 再各取15 m 作為治理范圍的邊界。井筒治理范圍仍然取以井筒為中心、半徑為40 m 的區域。

根據廣場上的建筑物的位置、類別，以及考慮到下一步治理需分部、分期進行，治理范圍的計算劃分為3 類，采空區治理范圍分類及2#煤層采空區空洞體積計算見表2。

表2 采空區治理范圍分類及2#煤層采空區空洞體積計算Table 2 Classification of goaf treatment range and calculation table of No.2 coal seam goaf cavity volume

2.2 治理范圍內采空區剩余空洞體積

根據治理范圍分區以及對應2#、3#、7#、11#、14-2#、14-3#各煤層開采情況，采空區總剩余空洞體積V 分各個煤層采空區進行計算。2#煤層的剩余空洞體積直接利用四老溝礦煤層的采掘平面圖推算得出。

式中：V 為采空區剩余空洞體積，m3；S 為采空區治理面積，m2；H 為開采厚度，m，暫取煤層厚度；K為煤層回采率，井筒治理區域下的11#、14-2#、14-3#煤層無明確開采情況，多為煤礦巷道，回采率暫取0.40；△V 為剩余變形系數，2#煤采空區的△V 取0.40，11#、14-2#、14-3#煤采空區△V 取0.45。

以2#煤層為例，其余煤層因為埋深較大，除井筒治理區外，無需對場地內其他治理區建筑進行空洞體積計算，計算得出其余煤層副立井治理區剩余空洞體積分別為11#煤層2 895.55 m3、14-2#煤層1 809.72 m3、14-3#煤層1 628.75 m3；回風立井治理區剩余空洞體積分別為11#煤層2 805.07m3、14-2#煤層1 809.72 m3、14-3#煤層1 628.75 m3。

根據計算，治理范圍內井筒治理區及一、二類治理區的空洞體積統計結果為：井筒治理區內（副立井治理區、回風立井治理區）剩余空洞體積為21 947.89 m3；一類治理區內（35 kV 變電所、副立井井架、副立井井口房等）剩余空洞體積為26 840.75 m3；二類治理區內（調節沉淀池、日用消防水池、中央水池等）剩余空洞體積為48 729.63 m3。綜上，治理區范圍內剩余空洞體積合計97 518.27 m3。

3 治理方案

3.1 總體方案

治理方案總體設計為：在井筒鑿井之前和35 kV 變電所土建施工結束后采用地面注漿充填，對井筒穿越的及35 kV 變電所下伏采空區逐層進行綜合治理，確保井筒及35 kV 變電所的安全施工和使用。

通過對多煤層采空區進行注漿，使各煤層采空區空間或采空區的垮落帶以及上方巖層的斷裂帶被漿液填充后，形成漿液結石體，增加其對上方巖層的支撐力，降低該區域的滲透性，保證地面及地面擬建建筑物的安全修建和使用。

3.2 注漿工程量計算

由于本工業廣場下方存在小煤窯開采情況，因此各煤層采空區注漿量按照前文設計經行預測估算。

根據采空區治理范圍分區及井下煤層分布，注漿量Q 參照采空區剩余空洞體積，分治理區域分煤層計算。

式中：Q 為采空區注漿量，m3；A 為漿液損耗系數，取1.05；η 為注漿充填率（根據采空區治理范圍分區及建物保護級別取值，一類治理區綜合取值0.8，二類治理區綜合取值0.7，井筒治理區綜合取值0.9）；c 為漿液結石率，取0.85。

以2#煤層為例進行計算，其余煤層因為埋深較大，除井筒治理區外，無需對場地內其他治理區建筑進行注漿量的計算，計算得出其余煤層副立井治理區注漿量分別為：11#煤層3 219 m3、14-2#煤層2 012 m3、14-3#煤層1 811 m3；回風立井注漿量分別為：11#煤層3 119 m3、14-2#煤層2012 m3、14-3#煤層1 811 m3。

根據計算，對治理范圍內井筒治理區及一、二類治理區的注漿量統計結果為：井筒治理區（副立井治理區、回風立井治理區）注漿量為24 401 m3；一類治理區（35 kV 變電所、副立井井架、副立井井口房等）注漿量為26 525 m3；二類治理區（調節沉淀池、日用消防水池、中央水池等）注漿量為42 137 m3。綜上，治理區范圍內注漿量合計為93 063 m3。

4 結 語

1）對馬脊梁礦副立井工業廣場下采空區分布情況進行了概括，分析得出采空區中煤柱及采空區垮落矸石的承載能力不足以支撐上覆巖層重力。

2）計算得出2#煤層采空區的垮落帶高度、導水斷裂帶高度、安全距離與上部載荷影響深度之和為91.38 m，大于煤層頂板89.97 m，確定2#煤層采空區為重點治理區域。

3）根據相關經驗，在建筑物治理范圍邊界維護帶的基礎上，依據垂線法計算出的上山方向和下山方向煤柱長度再各取15 m 作為治理范圍邊界，并根據建筑物類別等因素，計算出各類建筑物的治理范圍及空洞體積。