某煤矿老采空区地基稳定性评价
2021-02-01张德成
张德成 李 维 代 亚
(江苏华晟建筑设计有限公司，江苏 徐州 221006)
0 引言
改革开放以来，国民经济发展迅速，煤矿采空区及其周边的场地逐渐被开发。由于煤矿经历了长时间的开采，形成采空区，采空区以上的岩土层、地表失去平衡而发生大的移动和变形，经过一段时间后变形会逐渐稳定，但地表还会存在部分剩余沉降，特别是在采空区上施加较大荷载后，在荷载的作用下，地基岩土体中将产生附加应力并向下传递，因此会改变老采空区上方破裂岩土体的受力状态，使破裂岩土体的应力增加，产生附加沉降，影响新建建筑物的安全，出现建筑物开裂等隐患。
多年以来，众多学者对煤矿采空区地基稳定性进行了大量研究[1-6]，但对大面积的多层老采空区上新建高层建筑的地基稳定性研究并不多。本文以徐州市贾汪区某住宅小区工程为例，对煤矿老采空区建筑地基稳定性进行评价，以确定该场地的稳定性和建筑适宜性，并根据评价结果采取相应的处理措施，以保证新建建筑物的安全。
1 工程概况
拟建场地占地面积约37万m2，分为2号、3号两个地块，规划建设53栋18层住宅、2栋3层幼儿园、数栋1层～2层商业及-1层地下车库。场地位于贾汪区韩桥矿界内，场地内及其附近进行过长时间的采煤作业，韩桥矿及附近多个小煤窑在此多次采煤，形成多层采空区，并导致地表塌陷严重。场地内1煤、3煤、17煤、20煤、21煤为主要开采煤层。根据勘探资料，1煤及3煤顶板为泥岩、砂岩互层，17煤顶板为页岩，20煤及21煤顶板为石灰岩。韩桥煤矿于20世纪50年代开始在场地内及周边进行煤层开采，主要开采二叠系下石盒子组1煤、3煤，后期又开采深部的17煤、20煤、21煤，周边多个小煤窑又进行了多次复采，小煤窑的开采时间较长、开采方式较多、资料搜集困难，地基稳定性评价难度较大且尤为重要。
2 场地及周边煤层开采情况
2.1 煤田分布情况
根据搜集到的煤田地质资料，场地主要为二迭系下统下石盒子组、山西组及石炭系上统太原组地层，地层倾角1°～10°，属缓倾斜采空区。韩桥矿井田主采煤层为下石盒子组1煤、3煤、太原组17煤、20煤、21煤。
场地下的1煤埋深约10 m～50 m，厚度0.50 m～2.20 m，平均1.2 m；3煤埋深23 m～52 m，厚度1.00 m～2.50 m；17煤埋深约280 m～320 m，平均厚度约0.80 m；20煤埋深约300 m～340 m，平均厚度约0.80 m，21煤埋深约330 m～370 m，平均厚度约0.80 m。
2.2 煤矿开采情况
场地下的1煤、3煤为20世纪50年代～60年代韩桥矿开采，20世纪70年代后为小煤窑复采。1960年以前采煤方式为房柱式采煤法，1960年—1962年、20世纪70年代后进行了复采，长壁式采煤法(小煤窑复采1煤、3煤为非正规长壁法及穿巷式)，全垮落法管理顶板。
1煤开采深度约13 m～50 m、平均采厚约1.2 m；3煤开采深度在23 m～52 m，采厚约1.00 m～2.50 m。17煤、20煤、21煤均为韩桥矿开采，17煤于1996年—1999年开采，主要在场地北部2号地块开采，开采深度约280 m，采厚约0.80 m，开采方式为走向长壁法；20煤的开采时间为1988年—1994年，主要在2号地块东部、3号地块西南部开采，开采深度在300 m～330 m，采厚约0.80 m，开采方式为走向长壁法；21煤开采时间为1992年—1998年，主要在2号地块东部、3号地块开采，开采深度在330 m～370 m，采厚约0.80 m，开采方式为走向长壁法；17煤、20煤及21煤的顶板管理方式采用垮落法和缓慢下沉法。评价场地采空区分布情况详见图1。
3 现场勘察验证
通过搜集场地及附近的煤矿开采资料、现场调查了解地表塌陷情况以及现场物探、钻探验证，以查明采空区、特别是对工程建设影响较大的1煤、3煤采空区现状、采空区塌陷密实情况等，为地基稳定性评价提供基础性资料。
3.1 物探勘察
为查明评价场地内采空区分布情况，采用全排列高密度电法进行勘探。本次物探工作重点查明浅部1煤、3煤采空区现状，因此在场地内布置了5条测线(2条南北向主测线，3条东西向辅助测线)，勘探深度分别为100 m,60 m。电极间距高密度序列设置为6.0 m，4.0 m，测线总长4 160 m(见图2)。
根据5条测线剖面电阻率图的特征，表明场地多个地段、埋深10 m～60 m处存在电阻率低阻现象，推测为岩土体采煤塌陷后，岩土体疏松、充水所致，为采空区垮落断裂带，符合采空区覆岩变形破坏规律。
3.2 钻探勘察
本次评价工作在场地内布置了23个钻孔，钻孔总进尺1 022.5 m(钻孔布置见图2)。通过钻探勘察，查明场地下岩土层结构及岩土体特性；查明对工程建设影响较大的1煤、3煤采空区范围内岩体完整程度、岩体密实度等。钻孔深度至3煤(采空区)底板以下稳定岩层(其中2个钻孔验证7煤埋深、厚度等)。
分析各个钻探孔的地质成果，同时和煤田地质资料、煤矿开采资料作对比，验证了评价场地内1煤、3煤采空区的分布及开采情况，整个场地下均分布1煤、3煤采空区，开采方法不正规，场地发生过地面塌陷，但存在未垮落密实的巷道和残留煤柱；部分钻孔未揭露到1煤、3煤采空区，推测采空区为垮落密实。本场地下7煤变薄，钻探深度范围内未揭露到7煤，结合收集的煤矿开采资料判定，场地下7煤不可采。钻探勘察成果见表1。
表1 钻探成果一览表
4 采空区地基稳定性分析与评价
4.1 煤层开采对场地稳定性的影响评价
根据搜集到的煤田地质资料，场地及周边1煤、3煤、17煤、20煤、21煤采空区属大面积采空区。
1)根据开采方式，评价场地及周边韩桥矿采空区属长壁式采空区为主，1煤、3煤部分为房柱式采空区，小煤窑复采1煤、3煤为非正规长壁法及穿巷式，17煤、20煤、21煤大都采用长壁式开采为主，全部垮落法管理顶板，这种开采方式在短时间内对地表的沉陷影响较大，截至2017年已停采17年以上，主沉降早已结束，残余沉降较小，对场地的稳定性影响较小，从开采方式评价场地采空区场地稳定等级为基本稳定。
2)根据开采时间和采空区地表变形阶段，评价场地采空区属老采空区。评价场地 1煤、3 煤采空区为浅层采空区，开采方法有房柱式、非正规长壁法及穿巷式，开采方式多样，回采率变化大，部分区域垮落不密实，仍残留有空洞，在外因作用下易发生活化，活化后产生不连续变形；17煤、20煤、21煤采空区为深层采空区，开采方法为走向长壁、全部垮落法管理顶板，引起的地表变形是连续变形。从地表变形特征评价场地采空区场地稳定等级为不稳定。
3)评价场地下的1煤采深厚比约11～42；3煤采深厚比约23～50；17煤采深厚比约350；20煤采深厚比约375～412；21煤采深厚比约412～462。采空区属浅层～中深层～深层采空区。根据煤层倾角(1°～10°)，场地采空区属于缓倾斜采空区。从采深、采深厚比评价场地采空区场地稳定等级为不稳定。
4.2 地表变形对场地稳定性的影响评价
评价场地地层倾角较缓(1°～10°)，缓倾斜采空区，开采引起的地表移动和变形符合地表移动的一般规律，整个场地位于贾汪煤盆地的中间区。各煤层的地表移动和变形预计可采用概率积分法预测模型，计算采空区塌陷盆地的沉降量、倾斜值、曲率值、水平移动及水平变形值等参数。计算方法参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[7]及GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范[8]。表2为变形计算采用的参数。
表2 地表移动变形计算参数
场地勘探平面布置及地基稳定性评价综合成果图见图2。
根据变形计算结果，已发生的沉降量为500 mm～1 300 mm，残余沉降量在20.0 mm～200.0 mm之间，可以认为场地的主沉降已结束，现阶段属于残余变形阶段。表3为变形计算结果。
表3 地表变形计算成果表
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》及GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范评定建筑物的安全标准，当残余水平变形值小于2 mm/m、残余倾斜值小于3 mm/m、残余曲率值小于0.2×10-3m时，地基是稳定的、建筑物是安全的。根据变形计算结果，残余水平变形值最大值4.0 mm/m，残余倾斜值最大值4.0 mm/m，残余曲率值最大值0.7×10-3/m，大于规范允许值。同时考虑到场地还存在残留煤柱、未垮落密实的残留巷道等，存在活化的可能，活化后将导致不连续变形的发生，对建筑物的安全影响较大。因此，从地表移动变形值综合考虑，拟建场地稳定性等级为不稳定。
4.3 建筑地基稳定性评价
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》及GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范，可按下式验算地基的稳定性，P0为建筑物基底单位压力，当巷道顶板的埋藏深度能使顶板岩层恰好保持自然平衡，此时的附加应力影响深度H称为临界深度HD，则：
其中，HD为临界深度，m；B为巷道宽度，按2.5 m计算；γ为巷道上覆岩层的重度，按22.0 kN/m3计算；φ为巷道上覆岩层的内摩擦角，按38.0°计算。
当H
根据前述分析，拟建场地采空巷道埋深大于13 m。1煤、3煤采空区埋深小于1.5 倍的荷载临界影响深度，部分1煤、3煤采空区埋深小于1.0 倍的荷载临界影响深度，地基基本稳定～不稳定；对于高层住宅，1煤、3煤采空区埋深小于1.0 倍的荷载临界影响深度，地基不稳定。
深部17煤、20煤、21煤采空区埋深280 m～370 m，远大于1.5HD，地基稳定。
4.4 建筑地基稳定性综合评价
根据上述分析，从开采方式评价场地采空区场地稳定等级为基本稳定，从地表变形特征评价场地采空区场地稳定等级为不稳定，从采深厚比评价场地采空区场地稳定等级为不稳定，从地表移动变形值评价建场地稳定性等级为不稳定；在建筑荷载作用下，1煤、3煤采空区地基不稳定，深部17煤、20煤、21煤采空区地基稳定。综合确定，场地地基不稳定，需采取地基处理及结构抗变形措施以控制采空区对拟建工程的影响。
5 结语
1)场地下的1煤、3煤、17煤、20煤、21煤开采、复采时间长，属多层老采空区。采空区属浅层～中深层～深层采空区，缓倾斜采空区。
2)现状条件下，场地地基不稳定，工程建设适宜性差。未经处理，不宜作为重要建筑建设用场地。
3)根据采空区情况及拟建建筑情况，1煤、3煤采空区埋深小，对工程建设影响大，建议对场地下的1煤、3煤采空区进行注浆充填加固处理，以减小采空区对地基稳定性的影响。17煤、20煤、21煤采空区埋深大，对拟建工程的影响小，可不进行注浆处理。
4)建设单位采纳了本研究成果，对场地下1煤、3煤采空区进行注浆充填加固处理并调整了建筑布局,同时采取结构抗变形措施。注浆充填加固处理后，进行了注浆质量检测。工程建设期间及竣工后进行了建筑物沉降观测，沉降观测结果表明，建筑物的总沉降量在20 mm～45 mm之间，地基稳定。本项目的评价成果为类似工程的建设提供了参考。
