曾開(kāi)華，張國(guó)鋒，楊曉杰

(1.中國(guó)地質(zhì)工程集團(tuán)公司，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)物資供銷總公司，北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

對(duì)于依靠資源發(fā)展起來(lái)的城市和地區(qū)，地下普遍存在大面積的、由淺及深的多層采空區(qū)，使得采空區(qū)的存在對(duì)建筑地基的穩(wěn)定構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。目前，對(duì)于地下采空區(qū)進(jìn)行的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估研究，主要在地表變形觀測(cè)基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行變形預(yù)測(cè)。而對(duì)于長(zhǎng)期保持較小變形并且下伏多層采空區(qū)的地基穩(wěn)定及變形預(yù)測(cè)研究的很少。本文即針對(duì)這一問(wèn)題，在室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用概率積分法對(duì)關(guān)鍵持力層失穩(wěn)而引起的地基變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為該類采空區(qū)建筑規(guī)劃的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估研究提供了較好的思路和方法。所取得的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)論，已經(jīng)運(yùn)用到北京市門頭溝棚戶區(qū)改造項(xiàng)目的初期地質(zhì)評(píng)估中，為建筑規(guī)劃提供了科學(xué)的理論指導(dǎo)。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察、室內(nèi)試驗(yàn)及工程物探確定，對(duì)建筑地基穩(wěn)定造成影響的采空區(qū)上覆巖層從上到下地層巖性可以劃分為三類巖組：松散巖組、碎裂泥巖組、較完整砂巖組。其中，松散巖組主要由素填土及第四系坡洪積物組成，厚度約11.5m，軟弱松散破碎，彈模21MPa,泊松比0.28；泥巖組主要為含煤碎屑巖組，巖性為頁(yè)巖、綠泥巖、碎裂泥巖以及弱化巖層，裂隙節(jié)理發(fā)育，厚度0.9～38.7m, 彈模0.1～2.3GPa，泊松比0.21～0.30，C值0.14～2.3MPa,Φ值26～30°，分布在各煤層直接頂?shù)装寮皥?jiān)硬巖層和煤層之間，遇水后強(qiáng)度急劇降低；砂巖組是由細(xì)砂巖、粉砂巖、中砂巖等巖層組成，平均厚度30m，具有質(zhì)地堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)完整，抗壓強(qiáng)度高，承載力大等特征，其中廣泛分布的粉砂巖彈模19.04GPa，泊松比0.31，C值16.6MPa,Φ值38°。

1.2 地下水分布

地下采空區(qū)所屬門頭溝煤礦是以大氣降水為主要補(bǔ)給方式，受構(gòu)造控制，各含水層裂隙為層間裂隙，地下水有良好的徑流條件，屬于裂隙涌水礦井，礦井正常涌水量隨水平延深而逐漸增大。1995年，-660m水平采煤時(shí)涌水量11.8m3/min，1973年達(dá)到最大80.6m3/min。目前，煤礦水位逐年上升，在采空區(qū)已經(jīng)形成巨大蓄水庫(kù)，長(zhǎng)期浸泡煤柱，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響的同時(shí)，又軟化了頂?shù)装?，減少了沖擊礦壓發(fā)生條件，對(duì)采空區(qū)地基穩(wěn)定產(chǎn)生有利的作用。

1.3 礦震及沖擊地壓

自1976年9月到2000年7月，記錄ML1.0以上的沖擊地壓12萬(wàn)余次，其最高震級(jí)達(dá)里氏4.2級(jí)，成為典型的沖擊地壓礦井。而沖擊礦壓及礦震的發(fā)生，則會(huì)誘發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，引起地質(zhì)構(gòu)造活化、煤柱失穩(wěn)、頂板切頂、地下水的擾動(dòng)等，均會(huì)對(duì)采空區(qū)地基穩(wěn)定造成影響。采礦活動(dòng)越頻繁，沖擊地壓發(fā)生的次數(shù)越多。而2000年采礦活動(dòng)停止，礦震及沖擊地壓的次數(shù)也大大減小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，停采后發(fā)生礦震的次數(shù)較少。

1.4 地下采空區(qū)分布

規(guī)劃區(qū)總面積為0.587km2，區(qū)內(nèi)地下可采煤層為侏羅系窯坡組，屬門頭溝煤系，其中可采煤層五層，即一、二、五、七、九槽煤。根據(jù)門頭溝各煤層采掘平面圖及閉礦報(bào)告及實(shí)際調(diào)查情況，研究區(qū)內(nèi)各煤層分布在空間上變化較大，其中，九槽煤層僅局部可采，七槽煤層很薄，僅存在不連續(xù)煤線，相應(yīng)的采空區(qū)分布范圍很?。灰?、二、五槽是研究區(qū)的主采煤層，面積占據(jù)規(guī)劃區(qū)面積的80%左右，分布最為廣范。主采煤層傾角為18度,其中一槽煤各采空煤層的采掘活動(dòng)歷史及空間分布見(jiàn)表1。

表1 各層采空區(qū)分布統(tǒng)計(jì)

其中，一槽煤層采用陷落式采煤法,回采率85%；二槽煤層采用房柱充填法采煤，回采率73%；五槽煤層采用殘柱式采煤法，回采率53%。根據(jù)各煤層采掘平面分布圖，對(duì)各煤層采厚在空間上進(jìn)行了疊加，顯示煤柱分布主要集中在規(guī)劃區(qū)中央呈帶狀分布，采厚超過(guò)5m的區(qū)域主要集中在規(guī)劃區(qū)邊界南側(cè)和北側(cè)，其余大面積部分為采厚3.3～3.7m的分布區(qū)，并且煤柱的留設(shè)將各采空區(qū)分割成幾個(gè)塊狀區(qū)域，區(qū)域分布性明顯。

2 采空區(qū)地基變形預(yù)測(cè)分析

本文采用概率積分法，對(duì)地基變形做出預(yù)計(jì)。為了盡可能準(zhǔn)確預(yù)計(jì)研究區(qū)內(nèi)形成的地基變形，計(jì)算范圍將根據(jù)規(guī)劃區(qū)邊界向外擴(kuò)展3倍，將3倍范圍內(nèi)各層采空區(qū)分布全部納入沉陷預(yù)計(jì)計(jì)算的范圍之內(nèi)。首先計(jì)算各層下的地表移動(dòng)情況，然后采用線性疊加的方式計(jì)算采空區(qū)總的地基變形，計(jì)算中還考慮了巖層傾角、重復(fù)采動(dòng)、煤層停采時(shí)間等多種因素，并對(duì)預(yù)計(jì)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整。

2.1 概率積分法計(jì)算范圍及概化

為了準(zhǔn)確合理估計(jì)采空區(qū)對(duì)地表沉降的影響，在采用概率積分法計(jì)算時(shí)，計(jì)算范圍將根據(jù)規(guī)劃區(qū)邊界向外擴(kuò)展3倍，將3倍范圍內(nèi)各層采空區(qū)分布全部納入地基變形預(yù)計(jì)計(jì)算的范圍之內(nèi)。由于門頭溝煤礦各開(kāi)采煤層或同一開(kāi)采煤層的開(kāi)采深度、開(kāi)采厚度、采煤方法、頂板管理方法、采空區(qū)的形狀和尺寸、采空區(qū)的形成時(shí)間等，對(duì)地基變形預(yù)測(cè)有影響的地質(zhì)采礦條件存在較多差異，在滿足工程精度要求和提高預(yù)測(cè)效率的基礎(chǔ)上，對(duì)門頭溝煤礦各煤層的計(jì)算采空區(qū)范圍進(jìn)行了邊界的概化。概化原則如下：第一，按照地質(zhì)采礦條件進(jìn)行分類、分層、分區(qū)概化，相近的劃為一個(gè)區(qū)段；第二，越靠近規(guī)劃區(qū)的計(jì)算采空區(qū)概化要越精細(xì)；第三，重點(diǎn)研究對(duì)地表面產(chǎn)生下沉和變形影響大的采空區(qū)，對(duì)地表面移動(dòng)和變形幾乎沒(méi)影響的采空區(qū)塊略去。

2.2 概率積分法預(yù)測(cè)模型及參數(shù)確定

地表沉降盆地下沉的概率積分預(yù)測(cè)模型，是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示巖層下沉盆地的方法，該方法可適用于任意形狀工作面(采區(qū))、地表沉降盆地內(nèi)任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)。地表沉降盆地下沉的概率積分預(yù)測(cè)模型所需的幾個(gè)預(yù)測(cè)參數(shù)為：下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、水平移動(dòng)系數(shù)b、拐點(diǎn)偏移距s和最大下沉角θ等。

計(jì)算參數(shù)。首先根據(jù)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演以及根據(jù)巖性的不同形成的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值來(lái)綜合確定其預(yù)計(jì)參數(shù)的初始值，然后對(duì)下沉系數(shù)進(jìn)行修正。由于采空區(qū)為多層，在開(kāi)采時(shí)存在時(shí)間上的先后順序，所以停采時(shí)間效應(yīng)對(duì)地表下沉的移動(dòng)和變形影響必須進(jìn)行考慮。下沉系數(shù)的選取，主要通過(guò)地表移動(dòng)與各煤層停采時(shí)間、擬合處下沉系數(shù)與煤層停采時(shí)間的關(guān)系式實(shí)現(xiàn)。

另外，根據(jù)各煤層概化后的計(jì)算采空區(qū)內(nèi)真實(shí)面積與沒(méi)有采出的面積關(guān)系，將預(yù)測(cè)參數(shù)分為全采預(yù)測(cè)參數(shù)和部分開(kāi)采預(yù)測(cè)參數(shù)兩類，分別選取。最終參數(shù)則根據(jù)不同采出率，選用不同預(yù)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合下沉系數(shù)和煤層停采時(shí)間的關(guān)系綜合確定。

2.3 重復(fù)采動(dòng)預(yù)測(cè)方法及參數(shù)選取

由于多層采空區(qū)，在煤層開(kāi)采時(shí)會(huì)出現(xiàn)自下而上重復(fù)采動(dòng)影響，所以其預(yù)計(jì)方法也與初次采動(dòng)時(shí)不同。

重復(fù)采動(dòng)對(duì)預(yù)計(jì)參數(shù)影響。重復(fù)采動(dòng)使巖層的破壞加劇或活化，從而引起巖層的移動(dòng)和變形值均增大，同時(shí)還將使移動(dòng)盆地的范圍增大。巖層所有的移動(dòng)和變形值均與下沉系數(shù)q成正比，因此，可以通過(guò)增大q來(lái)計(jì)算重復(fù)采動(dòng)時(shí)的巖層移動(dòng)和變形。在煤層沿走向和傾斜方向均達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，下沉系數(shù)可按以下公式計(jì)算：

其他依次類推。其中m1、m2、m3分別為第一、二、三次開(kāi)采的煤層厚度；w01、w01+2、w01+2+3分別為第一、二、三層煤開(kāi)采后巖層的累計(jì)最大下沉值。根據(jù)我國(guó)相關(guān)的實(shí)測(cè)資料，在重復(fù)采動(dòng)時(shí)，下沉系數(shù)較初次采動(dòng)增大10%～20%，但不大于1.1，邊界角減小5～10°，移動(dòng)角減小10～15°，tgβ增大0.3～0.8。若為厚煤層分層開(kāi)采，則第一次重復(fù)采動(dòng)的下沉系數(shù)增大20%，第二次重復(fù)采動(dòng)的下沉系數(shù)增大10%，以后的重復(fù)采動(dòng)，下沉系數(shù)不再增大。在重復(fù)采動(dòng)時(shí)，地基移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)可以用疊加方法進(jìn)行，其步驟如下：①按上面所述的方法，預(yù)測(cè)第一層煤開(kāi)采時(shí)的地表移動(dòng)和變形值；②按上面所述的相同的方法和公式，用相應(yīng)的重復(fù)采動(dòng)時(shí)的預(yù)測(cè)參數(shù)預(yù)測(cè)各次重復(fù)采動(dòng)引起的地表移動(dòng)和變形值；③將相同點(diǎn)沿相同方向的初次開(kāi)采和重復(fù)開(kāi)采預(yù)測(cè)所得的同名移動(dòng)或變形值相加(求代數(shù)和)，即得各次開(kāi)采引起該點(diǎn)沿該方向的移動(dòng)或變形值9.9mm/m，最大水平拉伸變形值為3.1mm/m，最大水平壓縮變形值為-6.0mm/m；東西方向的最大傾斜值為7.1mm/m，最大水平拉伸變形值為3.6mm/m，最大水平壓縮變形值為-3.2mm/m。

2.4 建筑地基變形預(yù)計(jì)結(jié)果(表3)

表3 最終沉降盆地最大移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果

2.5 規(guī)劃區(qū)內(nèi)建筑地基變形分區(qū)

根據(jù)對(duì)地基變形預(yù)計(jì)的沉降等值線圖及三維立體可視圖像，可以將建筑地基變形分為三個(gè)區(qū)域。

①均勻沉降區(qū)。處于沉陷盆地以外部分，屬于均勻整體性沉降，對(duì)建筑物危害較小。占總規(guī)劃區(qū)的61.7%，地表最大下沉值小于1000mm，南北方向的最大傾斜小于1mm/m，東西方向最大傾斜為-1mm/m，南北方向的水平變形為0.5mm/m，東西方向的水平變形為0.5mm/m。

②緩傾斜沉降區(qū)。處于沉陷盆地盆沿邊緣區(qū)域，屬于不均勻沉降，對(duì)建筑物危害較大。占總規(guī)劃區(qū)的26.7%，地表最大下沉值小于1400mm且大于1000mm，南北方向的最大傾斜1～4mm/m，東西方向最大傾斜為-4～-1mm/m，南北向的水平變形為0.5～1mm/m，東西向的水平變形為-2～0.5mm/m。

③急傾斜沉降區(qū)。處于沉陷盆地盆沿區(qū)域，屬于不均勻沉降劇烈區(qū)，對(duì)建筑物危害很大。占總規(guī)劃區(qū)的11.6%，地表最大下沉值大于1400mm，南北方向的最大傾斜為4mm/m，東西方向最大傾斜為-4mm/m，南北方向的水平變形為1mm/m，東西方向的水平變形為-2mm/m。

3 結(jié)論

對(duì)于采空區(qū)上的建筑適宜性評(píng)價(jià)，是目前城區(qū)規(guī)劃建設(shè)中一個(gè)急需解決但研究較少的難題。本文針對(duì)北京市門頭溝棚戶區(qū)改造工程中所遇到的多層采空區(qū)研究，取得以下幾點(diǎn)有益的結(jié)論：

(1)采空區(qū)地基穩(wěn)定性良好，主要原因是上覆堅(jiān)硬持力層發(fā)揮了支撐作用。

(2)運(yùn)用基于隨機(jī)介質(zhì)理論的概率積分法對(duì)地基變形特征進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得出了地下巖層失穩(wěn)引起的地表變形規(guī)律；通過(guò)對(duì)沉陷范圍內(nèi)位移、傾斜、曲率等地基變形特點(diǎn)的分析，對(duì)地基變形區(qū)進(jìn)行了劃分。

(3)針對(duì)各區(qū)變形特征，給出了建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和建議。

(4)本文研究思路，可為類似采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估提供有益的經(jīng)驗(yàn)和模式。

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