采空区瓦斯综合利用零排放项目建设场地适宜性评价

李 晶 晶

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)

随着我国社会经济的高速增长，土地资源却越来越贫乏，工程建设场地的选择也越来越困难，尤其是在以煤矿为主的一些城市地区，越来越多的项目不得不建在采空区上方的场地上，山西某煤矿瓦斯综合利用零排放项目就计划建设在煤矿采空区上方的土地上。

在煤矿采空区上方建设瓦斯综合利用零排放项目，尤其是泵站、泵房等对变形比较敏感的建筑，一旦受采空区变形的影响，就会面临较大的风险或花费较大的成本。由于地下开采煤层的分布错综复杂，所形成的采空区也比较复杂，为了确保拟建瓦斯综合利用零排放项目建筑物的正常运营，应当对该建设场地的适宜性进行评价，为该项目工程的设计提供技术依据。

1 工程概况

为回收利用煤矿风排瓦斯及泵站抽放瓦斯，变废为宝综合利用煤矿瓦斯资源，山西某煤矿计划新建瓦斯综合利用零排放示范项目工程，该项目场址位于伏岩煤矿井田范围内，占地面积约14.8亩。瓦斯综合利用零排放项目内的泵站、泵房为对变形比较敏感的建筑物，应当选择受煤层采动影响比较小、稳定性比较好的场地。根据业主的要求，计划将本项目建在3号煤层采空区之上，为了保证瓦斯综合利用零排放示范项目内各建筑物的正常运营，本文对该项目场地稳定性和工程建设适宜性进行初步评价，为该项目的选址和方案设计提供依据。

2 采空区基本情况

根据搜集到的煤层采掘平面图可知，本评价区场地只受3号煤层采空区的影响，煤层厚度3.04 m～6.64 m，平均4.81 m。煤层直接顶板为泥岩或砂质泥岩，厚11.78 m～15.75 m，平均12.82 m，伪顶为炭质泥岩，底板为粉砂质泥岩或泥岩，厚5.40 m～7.50 m，平均6.50 m。

据调查，评价区周围煤矿开采煤层为3号煤，且距离评价区场地的最短直线距离均大于2.0 km，距离甚远，且附近也不存在小窑煤矿，因此，本次评价不予考虑相邻煤矿对评价区场地的影响。

评价区场地采空区平面图如图1所示。影响场地稳定的各采煤工作面的终采时间如表1所示。

表1 影响场地稳定的各采煤工作面的终采时间表

采煤工作面编号终采时间停采时长/年31022013年5月6.131032017年8月1.831042015年4月4.231082018年12月0.531092019年4月0.2

3号煤开采方法为长壁综采放顶煤采煤法；埋深320 m，煤层平均厚度约4.8 m，采深大于300 m，采深采厚比大于60；煤层倾角介于0°～3°，小于15°；根据GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)综合确定评价区3号煤采空区为近水平、顶板充分垮落的深层采空区。

3 采空区地表残余变形预测

对于充分采动采空区，当地下煤层采出后形成采空区，随着煤层开采的不断进行，通常会在采空区上方形成垮落带、裂隙带和弯曲带；在地表形成移动盆地、裂缝或台阶、塌陷坑。

通过对采空区地表变形的预测，了解新建瓦斯综合利用零排放示范项目场地的地表下沉值、倾斜、曲率、水平变形、水平移动等数值，预估新建项目场地各建筑物建成后的变形值。根据估算建筑物的变形值，并结合建筑地基基础规范规定的建筑变形允许范围值，判定本采空区上方新建项目的工程建设适宜性。

本次评价采用概率积分法对评价区地表残余变形进行预测，预测曲线如图2～图6所示。

根据图2～图6的预测曲线结果可知，本次评价区场地地表的残余最大倾斜值为0.6 mm/m、残余最大曲率值为0.04×10-3m、残余最大水平变形值为0.6 mm/m、残余最大水平移动值为30.0 mm、残余最大下沉值为22.0 mm。

根据预测地表变形结果可知，目前采空区对评价区场地的地表变形影响比较小，地表下沉值仅为22 mm、倾斜值为0.6 mm/m，按建筑地基基础规范及建筑变形测量规范的要求，判定本评价区采空区对地表变形影响甚微。

4 采空区场地稳定性和工程建设适宜性评价

4.1 采空区场地稳定性评价

采空区的稳定性评价因素包含主控评价因素和一般评价因素，其中主控评价因素有终采时间、地表移动变形特征、地表移动变形值，一般评价因素为采深、顶板岩性、松散层厚度。本次评价按主控因素、一般因素采用开采条件判别法对采空区场地稳定性进行初步判别，采用地表移动变形判别法对采空区稳定性进行定量分析评价。综合确定评价区采空区场地稳定性等级为不稳定～稳定。

4.2 采空区场地工程建设适宜性评价

1)采空区对拟建工程的影响程度。

采空区对工程的影响程度，应根据采空区场地稳定性、建筑物重要程度和变形要求、地表变形特征及发展趋势、地表移动变形值、采深或采深采厚比、垮落断裂带的密实状态、活化影响因素等，采用采空区特征判别法、活化影响因素分析法、地表剩余移动变形判别法等方法，按GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)表12.3.2-1～12.3.2-4的规定划分。综合评价采空区场地对工程的影响程度为中等。

2)拟建工程对采空区的影响程度。

拟建工程对采空区稳定性影响程度，根据采空区垮落裂隙带发育高度的计算来判定。垮落裂隙带发育的最大高度Hli=70.7 m。依据瓦斯综合利用零排放项目土建总图可知，厂区内最大建筑为抽放泵站，其平面尺寸为20.5 m×15.5 m，预估其基础形式为筏板基础，基础尺寸为23.0 m×18.0 m，其计算的附加荷载影响深度Ha的最大值为24.2 m。

由于拟建场地地下采空区埋深H=320 m，垮落断裂带的最大高度Hli=70.7 m。因此，垮落断裂带的埋藏深度Hlf=H-Hli，计算的Hlf=249.3 m，Hlf≥2.0Ha，说明新建建筑后其附加应力影响深度小于采空区垮落断裂带的埋藏深度值。据此判断，采空区场地新建工程对采空区的稳定性影响程度为小。

3)采空区场地工程建设适宜性评价。

根据前述采空区场地稳定性分析、采空区与拟建工程的相互影响程度分析，本评价区若采取合理的地面布置、建筑结构措施、进行适当的采空区治理可以满足工程建设的需要。故将本次评价区瓦斯综合利用零排放项目采空区场地工程建设适宜性级别划分为基本适宜。

5 结语

通过本次评价，确定评价区域内采空区场地稳定性等级为不稳定～稳定；采空区场地对工程的影响程度为中等；场地内拟建工程对采空区稳定性影响程度为小；采空区场地工程建设适宜性分级为基本适宜。