李學良， 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.煤炭科學研究總院，北京 100013； 3.中煤科工集團 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建設的發(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)周邊及其覆巖的結構造成了極大破壞，在長時間的物理與力學平衡過程中其雖能達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但在內外因素的影響下仍存在二次“活化”的可能。在采空區(qū)上方進行工程建設時，為確保安全，必須進行工程建設適宜性評價，同時，提出具體的防治措施[1-3]。多年來，國內外專家學者在采空區(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構和房柱的穩(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，工程建設相對較少。我國在采空區(qū)上方工程建設方面研究較多。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)育高度關系的地基穩(wěn)定性評價方法。張俊英[5]提出了基于應用模糊數(shù)學理論的地基穩(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利用起到了一定的指導作用。

采動地基穩(wěn)定性評價是確定老采空區(qū)工程建設適宜性的重點和難點。雖然國內外學者開展了大量的研究工作，但其評價技術仍是尚未攻克的難題，需進一步進行系統(tǒng)研究。筆者以濟寧市高新區(qū)某規(guī)劃建設地塊為例，對采空區(qū)工程建設適宜性進行綜合評價。該區(qū)域具有一定的復雜性，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。鑒于地質采礦條件相對較為復雜，且采空區(qū)具有一定的隱蔽性，對該區(qū)域進行綜合評價有一定難度。筆者全面考慮可能影響采空區(qū)工程建設的各種因素，并進行了較為詳細的分析與驗證，為類似復雜老采空區(qū)上方的工程建設提供思路。

1 工程概況

評價區(qū)位于濟寧市高新區(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)工程地質條件相對復雜，但不存在較大的地質構造，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、砂質土、土質砂、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)內淺部地層地質條件相對較好，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)中的相關規(guī)定，結合工作面終采時間、擬建工程與采空區(qū)的相互影響、開采沉陷預計分析等多個角度對工程建設的適宜性進行全面分析，最終在分析成果的基礎上提出建設分區(qū)。

2 工程建設適宜性評價

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、頂板管理方法等有關?；诓煽諈^(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，對應的地表移動延續(xù)時間為970 d(約2.7 a)，評價區(qū)地表達到基本穩(wěn)定狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)時對應的時間為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束時間為2015年11月，故截至目前采空區(qū)地表已達到基本穩(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力分析法。

2.2.1 頂板最大破壞高度

覆巖導水裂隙帶高度(頂板最大破壞高度)應當依據(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)計算導水裂隙帶高度為49.0 m，按式(3)計算導水裂隙帶高度為55.0 m，為確保安全，最終確定導水裂隙帶高度為55.0 m。

2.2.2 荷載影響深度

評價區(qū)為規(guī)劃用地，尚無詳細建筑結構設計資料，故暫以常規(guī)建筑尺寸進行計算分析。

(1)住宅建筑

按照《住宅設計規(guī)范(GB50096—2011)》[9]規(guī)定10層及以上為高層住宅。此處以建設高層單元式住宅為例，假設高層建筑設置2層地下室，標準層高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，假設建(構)筑物的平面尺寸為100 m×50 m，單位面積荷重考慮為250 kPa。由于未進行地基工程勘察，基礎埋置深度無法確定，暫以2種情況考慮：重大工程項目通常采用樁基礎，假設樁基埋深20 m；一般工程項目通常采用淺基礎，假設淺基埋深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上，基礎埋深按2種情況考慮，單位面積建筑荷重作為作用于基礎底面(對于樁基礎為20 m深處，對于淺基礎為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力F。經(jīng)計算，大體型建筑采用深基礎和淺基礎時，建筑荷載影響深度Hz分別為66 m(表2)和57 m。記自重應力的10%為F0.1

表2 深基礎建(構)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3下煤層的采深大于建筑荷載影響深度與導水裂隙帶高度之和Hlmc時，建筑物荷載一般不會影響裂隙帶的穩(wěn)定性；當3下煤層的實際采深小于Hlmc時，建筑物荷載將會影響導水裂隙帶的穩(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)附加應力分析法定量評價工程建設對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度的評價結果為影響程度小。

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尺寸符合條帶設計原則和穩(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小于垮落斷裂帶埋藏深度，且二者在位置上相距較遠，故不會造成采空區(qū)活化。

地下水和風化作用：風化與水蝕對煤柱的影響是一個相對漫長的過程，短時間內煤柱的穩(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，不存在重復采動影響。鄰近煤礦采面距離評價區(qū)較遠，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)開采沉陷預計結果圖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)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 工程建設利用分區(qū)

評價區(qū)內地勢平坦，不存在因建筑邊坡滑坡或坡腳隆起、基礎臨空面崩塌等影響地基基礎穩(wěn)定性的可能。評價區(qū)內采空區(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負摩阻力對于基樁的不利影響。評價區(qū)內建筑平面規(guī)劃時，盡量使建(構)筑物位于預測殘余沉降較均勻區(qū)域。評價區(qū)工程建設適宜性分區(qū)如圖5所示。

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

由上述分析結合多年來國內外工程實踐經(jīng)驗認為：對于不受采動影響區(qū)域可正常施工建設；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)，并采取抗變形技術措施。

4 結 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)地表進行工程建設合理可行。

(2)采空區(qū)“活化”易受到內外多種因素的影響，尤其是條帶采空區(qū)，煤柱經(jīng)受風化、水蝕等作用易導致表層的剝落和尺寸的減少，在長期負荷作用下其強度及穩(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)沉等復雜開采條件下的工程建設時，必須綜合考慮多種因素并進行專門的地基穩(wěn)定性評價分析，重點區(qū)域輔以工程勘察。