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        復雜老采空區(qū)上方工程建設的適宜性評價

        2022-04-15 04:44:40李學良田迎斌
        黑龍江科技大學學報 2022年2期
        關(guān)鍵詞:煤柱條帶采空區(qū)

        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(jié)構(gòu)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(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(nèi)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(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(guān)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(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(nèi)外學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(zhì)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(zhì)條件相對復雜,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(zhì)、頂板管理方法等有關(guān)?;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(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(jié)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(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(jié)構(gòu)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(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(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(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(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(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(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、基礎臨空面崩塌等影響地基基礎穩(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(jié)合多年來國內(nèi)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(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)地表進行工程建設合理可行。

        (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。

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