采煤塌陷区场地工程建设地质灾害危险性评估

殷 强

(安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011)

为节约土地资源，使采煤塌陷区土地得到有效利用，濉溪建设投资控股集团公司拟在淮北市孟山南路采煤塌陷区场地施工建设康养小镇项目。本次工作的目的是为保护地质环境，防治地质灾害，避免工程建设引发或加剧地质灾害及遭受地质灾害的侵害，减少因不合理工程活动引发的地质灾害给人民生命财产造成的损失，保障建设工程安全、正常建设和运营。

1 工程概况

本项目建设总投资额2亿元，占地面积约510亩，规划总建筑面积约180 000 m2，主要建设以养老公寓、幼教、医疗等多层、低层建筑为主以及道路、水景、绿化、游园等室外活动辅助设施。

2 地质环境条件

评估区位于淮北平原，地貌单元为泛滥坡平地，地形较平坦，微波状起伏，地势由北西向南东微倾；地表全部由全新统蚌埠组的粉土、粉砂、粉质黏土和黏土覆盖。成因类型为黄河泛滥堆积成因。

地层属华北地层大区晋冀鲁豫地层区徐淮地层分区之淮北地层小区。分布的地层主要有震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和第四系。除震旦系、寒武系、奥陶系在低山、丘陵区有不同程度的出露地表外，其余均隐伏于第四系之下。

区域地质构造包含褶皱和断层，评估区位于徐宿弧形构造的中段，闸河复式向斜中、东部。闸河向斜总体呈北北东向展布，长约28 km，复式向斜宽约10 km，核部地层为二叠系上、下石盒子组，地层倾角西翼较平缓，为10°～20°，东翼陡于西翼，倾角为40°～70°；断裂构造以北北东向断层和近东西向断层为主，近东西向断层切割北北东向断层。评估区附近较大断层有3条，其中北北东向断层1条，为徐宿弧形构造的组成部分，近东西向断层2条。

3 采空塌陷区危险性现状评估

评估区深部发育有5煤层和6煤层，两煤层均受岩浆岩侵入，蚀变为天然焦，5煤层仅局部可采，6煤层大部可采。根据淮北矿业集团资料结合本次调查，评估区下为杨庄煤矿NⅡ522、NⅡ523采区(开采时间1992～1997年，共开采6年，目前已停采近20年，目前区内无矿山开采活动)，开采深度-465 m，煤厚平均2.04 m。受岩浆岩侵入和构造影响，开采工作面不连续，于1997结束开采，开采区已经初步达到稳沉阶段，最大沉降深度2.5 m。根据野外现场调查，目前大部分塌陷坑用做渔场及水塘，也有部分已回填。评估区范围内，在地表未见明显的塌陷坑和积水洼地，仅部分房屋、道路有开裂现象。

4 工程建设中、建设后可能加剧采空塌陷地质灾害危险性预测评估

淮北市康养小镇建设项目位于杨庄矿采空塌陷范围内。当煤层开采引起的移动与破坏稳定后，按岩层破坏程度的不同可分为三个不同的影响带，即冒落带、裂隙带和弯曲带。

根据淮北矿区实际观测资料，当开采第一层煤时，冒落带、裂隙带总高度一般为采厚的14.0～16.5倍，如再开采第二层煤(重复开采)时，此值将明显递减。评估区内第四纪地层厚约70m，其下方煤层开采深度为496 m，煤层平均厚度按2.88 m计，两带总高度为47.5 m。

采空塌陷在形成过程中，塌陷盆地的各部位均经历了复杂的应力、应变过程，垂向移动与水平移动交相作用，岩土体结构遭到严重破坏，即使在开采结束后经过了较长时间的自然压实，采空区及其上覆岩体中依然存在残留空间、离层、裂缝和冒落带的欠压密、空隙中饱水等现象，存在残余沉降空间(残余沉降量)。在这种破损地基条件下兴建大型建筑物时，建筑物的建造使地基原有的应力状态发生变化，新增建筑物荷载可能改变采空区破裂岩体的应力环境，并可能加剧破裂岩体的二次变形，从而影响建筑物的安全。

由于淮北市康养小镇建设项目较简单，建筑工程荷载较小，其荷载传递深度较小，而本区采空区冒、裂两带最小埋深一般大于449 m，而房屋建设影响层深度一般不会超过20 m，因此可以认为上部建筑物荷载一般不会传递到老采空区，使老采空区因受力而“活化”。因此，淮北市康养小镇建设项目不会加剧采空塌陷地质灾害。

5 工程建设可能遭受采空塌陷地质灾害危险性预测评估

自1997年杨庄煤矿关闭后，目前评估区及周边没有采矿活动，但杨庄煤矿采空塌陷地质灾害可能对评估区内工程建设造成影响。

为保证新建建筑物的安全，淮北矿业集团公司对评估区周边杨庄矿地面沉陷变形进行了预测，计算方法采用概率积分、法负指数函数法和威布分布法，建立模型，通过中国矿业大学专业软件分析计算，预测如下：

(1)地表沉陷预测模型。根据对淮北矿区长期的地表移动实测成果资料的研究分析，结合淮北矿区地质采矿条件，本区开采引起的地表移动和变形分布特征符合地表移动的一般规律，本区地表移动规律基本符合概率积分模型，因此本区的地表移动和变形预计采用概率积分法预测模型。同时概率积分法也是《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中规定的计算方法。

(2)地表沉陷预计参数。根据淮北矿区实际资料，计算地表移动时,地表沉陷预计采用的参数为：下沉系数取1.0，主要影响角正切取1.8，开采影响传播角为84°，水平移动系数为0.35，拐点偏移距s为0。

(3)采空塌陷区影响范围预测。依据国家煤炭工业局2000年出版的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的开采倾斜煤层地表下沉盆地和变形值计算公式：

r=H1/tgβ1+H2/tgβ2(1)

式中：r为主要影响半径；H1为松散层厚度；H2为基岩层厚度；β1为松散层移动角；β2为上、下山移动角。

参照相邻的杨庄煤矿实测数据，且与淮北煤矿的经验值相结合，可取松散层移动角β1=40°，上山移动角β2=75°，下山移动角β2=(上山移动角-0.7α)=(75°-0.7×8°)=69.4°。矿区松散层平均厚度为H1=74 m，下山处基岩厚度H2=422 m，可估算出下山处影响半径r=232 m。

(4)塌陷区深度预测。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》有关公式：

(2)

式中：q为下沉系数；Wcm为最大下沉值；M为煤层的平均厚度；α为煤层倾角。

参照相邻的杨庄煤矿实测数据，且与当地煤矿的经验值相结合，取下沉系数q=1。煤层平均厚度约为2.88 m，倾角α=8°，计算塌陷区最大下沉深度：Wcm=2.85 m。

(5)预测成果。根据计算，预计地表最大沉陷值为2 850 mm，最大倾斜值为7.0 mm/m，最大水平变形值为5.5 mm/m，最大曲率为0.5。

(6)采矿地面塌陷预测结论比对。根据收集的《淮北市相南金岩小区规划项目地质灾害危险性评估报告》、《淮北市金御华府住宅小区建设工程地质灾害危险性评估报告》及《安徽省淮北市地质灾害调查与区划》，区内残余塌陷变形深度均在0.5 m左右，可与计算结果相互印证。

(7)预测结论。根据上述采空塌陷范围预测、塌陷深度预测，评估区受采空塌陷影响范围较大，预测塌陷影响深度1.3～2.9 m，目前最大已沉陷2.5 m，仍有继续沉降可能。最大残余形变量为0.4 m，预测淮北市康养小镇建设项目可能遭受采空塌陷地质灾害，其危害性、危险性等级均为中等级。

6 防治措施

对于区内的多层建筑，承重墙体纵、横方向宜对称布置，尽量减小横墙间距、层间、檐口圈梁和立柱；墙体转角、丁字和十字连接处应沿高度增设接结钢筋，门窗洞口上、下应增设拉结钢筋；养老公寓、幼教、医疗等多层建筑宜设置钢筋混凝土条形基础；在技术和施工条件许可时，建筑物长轴应平行于地表下沉等值线；基础内一般宜设置水平滑动层，同一单体内位于同一标高上；应对地基的长期稳定性进行评价，加强勘察、深测工作，并采用抗残余变形、活化变形的加强保护措施；地下管网应采取适当保护措施，如管接头处设置柔性接头或补偿器、增设附加阀门、建立环形管网、修筑管沟等，环境和气候条件允许时，优先采用地面管网。

7 结语

在采空塌陷区进行工程建设，可充分提高土地的有效利用率，符合国家节约集约用地政策。该项目地质灾害评估工作的重点是在充分搜集资料，调查访问的基础上，对采空塌陷区危险性进行定量评估。通过开展地质灾害评估工作，从源头上控制和减少因不合理工程活动引发的地质灾害以及工程建设遭受地质灾害的危害，为当地政府部门和建设单位预防地质灾害、最大限度地降低工程风险和维护费用提供依据，达到了评估工程的目的，可为类似工程地质灾害评估工作提供借鉴。