李學(xué)良， 孫 光， 田迎斌

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司， 北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 3.中煤科工集團(tuán) 唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012)

0 引 言

近年來，城鎮(zhèn)化水平的不斷提高極大的推動了基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展。然而，在一些資源型城市，由于土地資源的緊缺不得不考慮利用老采空區(qū)上方的土地。地下煤炭資源的開采對采空區(qū)周邊及其覆巖的結(jié)構(gòu)造成了極大破壞，在長時間的物理與力學(xué)平衡過程中其雖能達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但在內(nèi)外因素的影響下仍存在二次“活化”的可能。在采空區(qū)上方進(jìn)行工程建設(shè)時，為確保安全，必須進(jìn)行工程建設(shè)適宜性評價，同時，提出具體的防治措施[1-3]。多年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在采空區(qū)上方土地綜合利用方面做了大量研究。國外大多采用房柱式開采，研究多集中在淺部房柱式開采的覆巖結(jié)構(gòu)和房柱的穩(wěn)定性、控制措施方面，在長壁式開采廢棄采空區(qū)的工程建設(shè)利用方面相對較少。另外，國外在條帶和房柱式采空區(qū)的地表主要是生態(tài)建設(shè)，工程建設(shè)相對較少。我國在采空區(qū)上方工程建設(shè)方面研究較多。滕永海等[4]提出了基于建筑物荷載影響深度與采空區(qū)冒落裂隙帶發(fā)育高度關(guān)系的地基穩(wěn)定性評價方法。張俊英[5]提出了基于應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論的地基穩(wěn)定性綜合評價方法。王磊等[6]提出了基于關(guān)鍵層理論的長壁垮落法開采老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價方法。上述研究成果對采空區(qū)上方土地的工程建設(shè)利用起到了一定的指導(dǎo)作用。

采動地基穩(wěn)定性評價是確定老采空區(qū)工程建設(shè)適宜性的重點和難點。雖然國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，但其評價技術(shù)仍是尚未攻克的難題，需進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)研究。筆者以濟(jì)寧市高新區(qū)某規(guī)劃建設(shè)地塊為例，對采空區(qū)工程建設(shè)適宜性進(jìn)行綜合評價。該區(qū)域具有一定的復(fù)雜性，其局部開采深度變化較大，開采終止時間距今相對較短，兼有長壁開采、條帶開采等多種開采方式。鑒于地質(zhì)采礦條件相對較為復(fù)雜，且采空區(qū)具有一定的隱蔽性，對該區(qū)域進(jìn)行綜合評價有一定難度。筆者全面考慮可能影響采空區(qū)工程建設(shè)的各種因素，并進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析與驗證，為類似復(fù)雜老采空區(qū)上方的工程建設(shè)提供思路。

1 工程概況

評價區(qū)位于濟(jì)寧市高新區(qū)，所占地表范圍大部分位于采空區(qū)上方及其附近。該區(qū)工程地質(zhì)條件相對復(fù)雜，但不存在較大的地質(zhì)構(gòu)造，具體情況如下：

第四系表土層：地層厚度約為127.00～282.74 m，平均厚度約為201.91 m，主要由土、砂質(zhì)土、土質(zhì)砂、砂及砂礫層組成，屬河、湖相沉積。由現(xiàn)場勘察報告可知，評價區(qū)內(nèi)淺部地層地質(zhì)條件相對較好，除局部表層含有少量雜填土不均勻外，巖土性質(zhì)變化不大。

煤系地層：評價區(qū)涉及區(qū)域可采煤層共5層，在含煤地層中的位置可以明顯的劃分為上、下2個可采煤層組。主采煤層為上組煤的3下煤層，直接頂板主要為中砂巖，次為粉砂巖。底板均以泥質(zhì)巖類和粉砂巖為主。其頂?shù)装孱愋蛯僦械阮愋汀?/p>

采空區(qū)分布：評價區(qū)范圍及周邊僅開采3下煤層。主要涉及130、430及530等采區(qū)的工作面，采深為250.0～470.0 m，采厚3.2～5.0 m，煤層傾角大部分在3°～10°，開采時間2000年～2014年。評價區(qū)的東部區(qū)域地下為村莊下條帶開采工作面，其他區(qū)域均為長壁綜采工作面，如圖1所示。

圖1 評價區(qū)與采空區(qū)相對位置 Fig. 1 Relative position of evaluation area and underground working face

根據(jù)綜合測井及鉆孔電視等工作勘察成果，長壁開采采空區(qū)垮落較充分，采空區(qū)覆巖垮落較密實，處于充分垮落狀態(tài)，覆巖破壞高度范圍內(nèi)主要存在垮落裂隙及少量的空間。項目區(qū)東北部條帶采空區(qū)區(qū)域為非充分開采條件下的未充分垮落狀態(tài)，垮落不充分，仍存有大量的采空區(qū)空洞，采空區(qū)內(nèi)部仍存在較大空間或裂隙，采空區(qū)目前處于全部充水狀態(tài)。所以本次評價需要充分考慮采空區(qū)、覆巖、開采沉陷特征等多方面因素。

本次評價工作主要依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB51044—2014)中的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工作面終采時間、擬建工程與采空區(qū)的相互影響、開采沉陷預(yù)計分析等多個角度對工程建設(shè)的適宜性進(jìn)行全面分析，最終在分析成果的基礎(chǔ)上提出建設(shè)分區(qū)。

2 工程建設(shè)適宜性評價

2.1 基于終采時間的場地穩(wěn)定性分析

地表移動延續(xù)時間的長短和變形數(shù)值的大小與開采深度、開采厚度、開采尺寸、覆巖性質(zhì)、頂板管理方法等有關(guān)。基于采空區(qū)終采時間t對采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級[7-8]劃分如下：當(dāng)t<0.8T或t<365 d時，采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為不穩(wěn)定；當(dāng)0.8T≤t≤1.2T且t>365 d時，采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為基本穩(wěn)定；當(dāng)t>1.2T且t>730 d時，采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級不穩(wěn)定。

考慮到評價區(qū)內(nèi)已難以收集可靠的觀測資料，故地表移動延續(xù)時間可按下式計算。

(1)

式中：T——地表移動延續(xù)時間，d；

H0——工作面平均采深，m。

評價區(qū)工作面平均開采深度為388 m，經(jīng)計算，對應(yīng)的地表移動延續(xù)時間為970 d(約2.7 a)，評價區(qū)地表達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)時對應(yīng)的時間為776 d(約2.2 a)、1 164 d(約3.2 a)。

評價區(qū)涉及工作面最晚開采結(jié)束時間為2015年11月，故截至目前采空區(qū)地表已達(dá)到基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)評價中僅需著重考慮其他因素，尤其是新增建筑荷載對老采空區(qū)穩(wěn)定性的影響。

2.2 擬建工程對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響

由于評價區(qū)地下開采存在條帶短壁冒落開采方式，不屬于穿巷、房柱及單一巷道類型，故本次評價采用附加應(yīng)力分析法。

2.2.1 頂板最大破壞高度

覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度(頂板最大破壞高度)應(yīng)當(dāng)依據(jù)實測數(shù)據(jù)分析確定，對無實測數(shù)據(jù)的礦區(qū)，可參考類似地質(zhì)采礦條件礦區(qū)的實測數(shù)據(jù)、水體下開采成功經(jīng)驗或者依據(jù)覆巖類型按經(jīng)驗公式計算。

評價區(qū)范圍及周邊僅開采3下煤層，開采方式為綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板。覆巖巖性主要為砂巖、泥巖、黏土巖等，按中硬巖考慮。采空區(qū)上方導(dǎo)水裂隙帶高度Hli為

(2)

(3)

式中，ΣM——累計采厚，m。

經(jīng)計算，評價區(qū)最大采厚為5.0 m，按式(2)計算導(dǎo)水裂隙帶高度為49.0 m，按式(3)計算導(dǎo)水裂隙帶高度為55.0 m，為確保安全，最終確定導(dǎo)水裂隙帶高度為55.0 m。

2.2.2 荷載影響深度

評價區(qū)為規(guī)劃用地，尚無詳細(xì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，故暫以常規(guī)建筑尺寸進(jìn)行計算分析。

(1)住宅建筑

按照《住宅設(shè)計規(guī)范(GB50096—2011)》[9]規(guī)定10層及以上為高層住宅。此處以建設(shè)高層單元式住宅為例，假設(shè)高層建筑設(shè)置2層地下室，標(biāo)準(zhǔn)層高3 m，筏基或箱基埋深6 m，樁長30 m。一個單元寬度按15 m計，長度按25 m計。每層建筑平面荷載考慮為20 kPa。建筑荷載引起基底附加壓力作用位置取在樁端處。當(dāng)住宅由不同數(shù)量單元組成時，其不同層數(shù)建筑荷載影響深度Hz計算結(jié)果見表1。

表1 高層住宅建筑荷載影響深度

通過住宅樓不同層數(shù)建筑荷載影響深度計算結(jié)果的對比可以看出，隨著層數(shù)的增加，建筑荷載影響深度也隨之增加。

(2)大體型建筑

考慮到評價區(qū)可能會建設(shè)一些大體型的建筑物，比如廠房、公共建筑等。對于大體型建筑物，假設(shè)建(構(gòu))筑物的平面尺寸為100 m×50 m，單位面積荷重考慮為250 kPa。由于未進(jìn)行地基工程勘察，基礎(chǔ)埋置深度無法確定，暫以2種情況考慮：重大工程項目通常采用樁基礎(chǔ)，假設(shè)樁基埋深20 m；一般工程項目通常采用淺基礎(chǔ)，假設(shè)淺基埋深3 m。

假定整個大體型建筑荷重作用在給出的平面尺寸的矩形基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)埋深按2種情況考慮，單位面積建筑荷重作為作用于基礎(chǔ)底面(對于樁基礎(chǔ)為20 m深處，對于淺基礎(chǔ)為3 m深處)的平均附加壓力，按均布矩形荷載計算地基附加應(yīng)力F。經(jīng)計算，大體型建筑采用深基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)時，建筑荷載影響深度Hz分別為66 m(表2)和57 m。記自重應(yīng)力的10%為F0.1

表2 深基礎(chǔ)建(構(gòu))筑物荷載影響深度

2.2.3 建筑荷載對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響

當(dāng)3下煤層的采深大于建筑荷載影響深度與導(dǎo)水裂隙帶高度之和Hlmc時，建筑物荷載一般不會影響裂隙帶的穩(wěn)定性；當(dāng)3下煤層的實際采深小于Hlmc時，建筑物荷載將會影響導(dǎo)水裂隙帶的穩(wěn)定性。將Hli與Hz相加，可得建筑所需要的最小采深或臨界采深Hlmc。當(dāng)住宅建筑(15 m×75 m)為30層時，Hlmc最大，為128 m。

3下煤層采空區(qū)埋藏深度250～470 m，最小埋深250 m，導(dǎo)水裂隙帶高度Hli=55 m，則垮落斷裂帶最小埋藏深度Hm=195 m。由于附加應(yīng)力影響深度最大值Hz=73 m，則Hm/Hz=2.7>2.0，故根據(jù)附加應(yīng)力分析法定量評價工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度的評價結(jié)果為影響程度小。

2.3 采空區(qū)對擬建工程的影響

2.3.1 采空區(qū)特征及活化影響因素

(1)采空區(qū)特征

采空區(qū)采深250～470 m，平均采深360 m，采厚3.2～5.0 m，平均采厚4.1 m，深厚比H/M=88>80。由地表現(xiàn)有建構(gòu)筑物的受影響程度可知，地表處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。評價區(qū)地下采空區(qū)埋深較大，有數(shù)條較大的斷層通過，由于第四系沖積層較厚，約200 m，可以忽略斷層對于地表的影響。

出于安全考慮，同時為避免村莊搬遷，條帶開采設(shè)計采留比定為采35 m、留55 m。根據(jù)條帶開采工作面尺寸、煤柱尺寸、開采厚度和上覆巖層埋深等數(shù)據(jù)可計算煤柱的強(qiáng)度安全系數(shù)。條帶開采區(qū)域的煤柱安全系數(shù)為2.29，滿足大于1.5的要求，煤柱的寬高比13.8，也滿足大于5的要求[7]。村莊下條帶煤柱留設(shè)尺寸符合條帶設(shè)計原則和穩(wěn)定性要求，故在條帶煤柱穩(wěn)定情況下，地表一般不會發(fā)生非連續(xù)變形。

(2)活化影響因素

建筑荷載：據(jù)計算，評價區(qū)垮落斷裂帶埋藏深度為195 m，建筑荷載影響深度最大值為73 m，建筑荷載影響深度遠(yuǎn)小于垮落斷裂帶埋藏深度，且二者在位置上相距較遠(yuǎn)，故不會造成采空區(qū)活化。

地下水和風(fēng)化作用：風(fēng)化與水蝕對煤柱的影響是一個相對漫長的過程，短時間內(nèi)煤柱的穩(wěn)定性受二者的影響較小，且目前不具備定量分析的條件[10-11]，故此處暫不考慮。

重復(fù)采動和鄰區(qū)采動：評價區(qū)僅開采一層煤即3下煤層，不存在重復(fù)采動影響。鄰近煤礦采面距離評價區(qū)較遠(yuǎn)，不存在因鄰近礦區(qū)開采而使評價區(qū)采空區(qū)活化的可能。

2.3.2 采空區(qū)地表殘余變形

根據(jù)開采沉陷預(yù)計結(jié)果圖2～4可知，評價區(qū)最大殘余下沉量為300 mm(圖2)，最大殘余傾斜變形為2.1 mm/m(圖3)，最大殘余水平變形(拉伸)為2.1 mm/m(圖4)，最大殘余水平變形(壓縮)為-2.6 mm/m(圖4)。

圖2 評價區(qū)殘余下沉等值線Fig. 2 Contour of residual subsidence in evaluation area

圖3 評價區(qū)殘余傾斜等值線Fig. 3 Contour of residual inclination in evaluation area

因評價區(qū)內(nèi)殘余沉陷和變形值是從零逐漸過渡增大到最大值，最大值僅在評價區(qū)局部出現(xiàn)，故建(構(gòu))筑物最終將遭受Ⅰ～Ⅱ級破壞，地表殘余變形對擬建工程的影響程度為小-中等-大。

3 工程建設(shè)利用分區(qū)

評價區(qū)內(nèi)地勢平坦，不存在因建筑邊坡滑坡或坡腳隆起、基礎(chǔ)臨空面崩塌等影響地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性的可能。評價區(qū)內(nèi)采空區(qū)埋藏深度相對較深，樁基不會穿越采空區(qū)，故不存在開采沉陷殘余變形引起的樁側(cè)負(fù)摩阻力對于基樁的不利影響。評價區(qū)內(nèi)建筑平面規(guī)劃時，盡量使建(構(gòu))筑物位于預(yù)測殘余沉降較均勻區(qū)域。評價區(qū)工程建設(shè)適宜性分區(qū)如圖5所示。

圖5 評價區(qū)建設(shè)適宜性分區(qū)Fig. 5 Construction suitability zoning of evaluation area

由上述分析結(jié)合多年來國內(nèi)外工程實踐經(jīng)驗認(rèn)為：對于不受采動影響區(qū)域可正常施工建設(shè)；對于受采動影響的東部條帶開采區(qū)域，埋藏深度較淺，彎曲下沉帶下部不存在或僅存在較薄的完整巖層，計算的煤柱穩(wěn)定系數(shù)為2.29，考慮煤柱長期浸水軟化、風(fēng)化等因素，煤柱的安全系數(shù)有降低的趨勢，采空區(qū)若無注漿處理措施，建議該區(qū)域建筑高度不超過20 m(6層)，并采取抗變形技術(shù)措施；中北部、西北部長壁綜采區(qū)域，工作面之間殘留煤柱寬度很小，在覆巖壓力下一般自然壓垮，若無注漿處理措施，建議該區(qū)域建筑高度不超過50 m(16層)，并采取抗變形技術(shù)措施。

4 結(jié) 論

(1)評價區(qū)地表不會發(fā)生異常不均勻沉降，在條帶開采區(qū)域建筑高度不超過20 m，長壁綜采區(qū)域建筑高度不超過50 m的前提下，在采空區(qū)地表進(jìn)行工程建設(shè)合理可行。

(2)采空區(qū)“活化”易受到內(nèi)外多種因素的影響，尤其是條帶采空區(qū)，煤柱經(jīng)受風(fēng)化、水蝕等作用易導(dǎo)致表層的剝落和尺寸的減少，在長期負(fù)荷作用下其強(qiáng)度及穩(wěn)定性難以把握。在涉及到多種開采方式、開采深度變化大(尤其是淺埋煤層)、地表未穩(wěn)沉等復(fù)雜開采條件下的工程建設(shè)時，必須綜合考慮多種因素并進(jìn)行專門的地基穩(wěn)定性評價分析，重點區(qū)域輔以工程勘察。