煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析

石 磊

(江苏长江机械化基础工程有限公司，江苏南京 210046)

0 引言

随着我国城市化进程的加快，建设用地越来越紧张，因此开采煤炭资源遗留下来的采空区场地需要利用。煤矿采空区建设工程在设计和施工前，应按规范[1-2]要求进行岩土工程勘察，煤矿采空区岩土工程勘察应在查明采空区特征的基础上，分析评价煤矿采空区场地的稳定性，并综合评价煤矿采空区场地的工程建设适宜性及拟建建筑物的地基稳定性，同时提出煤矿采空区治理措施建议。结合一建筑场地的实例,分析老煤矿采空区的稳定性及作为工程建筑场地的适宜性评价中各类参数的选取问题，并针对拟建建筑物场地提出了采空区治理技术措施建议。可为城市发展利用采空区场地作为建设用地提供参考和借鉴。

1 工程概况

该建设场地处于某煤矿矿区范围内，场地及周边均进行过地下采掘活动，遗留有多层采空区。本工程主要建设9栋高层建筑(11F，框剪结构，含2层地下室)、3栋多层建筑物(7F，框架结构)及配套设施。拟采用天然地基，柱下独立基础或筏板基础。

1.1 工程地质条件

评估区地表覆盖有第四系全新统黏土，第四系上更新统黏土等，覆盖层厚度约3～7 m，地层主要为①层表土、②层黏土、③层含砂姜黏土、④层黏土。其中②层黏土为灰褐色，可塑—硬塑，土质较均匀，干强度中等，韧性中等；③层含砂姜黏土为黄色，硬塑，含铁锰质结核及砂姜；④层黏土为黄棕色及黄褐色，含少量青灰色黏土条带，硬塑，低压缩性，韧性高，局部含风化残积物及块石。第四系以下基岩为二叠系、石炭系地层。

1.2 水文地质条件

评价区内第四系松散层厚度3～7 m，土性为黏土、含砂姜黏土，富水性较差，单井涌水量一般为10～100 m3/d，地下水埋深约0.6～1.4 m。第四系松散层潜水或上层滞水接受大气降水和基岩裂隙水的越流补给，其埋藏和分布受地形、采空区、河流等因素控制，第四系潜水的埋藏深度随季节性变化，雨季水位升高，枯水季节水位下降，第四系孔隙水通过煤系含水层露头直接入渗补给井下。区内裂隙孔隙含水层均被松散岩类孔隙含水层所覆盖，故松散岩类孔隙含水层的越流或下渗为其主要补给源。裂隙水向开采井巷汇流，而为矿坑排水所排泄。裂隙岩溶地下水的补给来源主要是大气降水入渗和上覆孔隙水下渗(或越流)补给， 裂隙岩溶水最主要的排泄途径是人工开采和采煤疏干。

1.3 地质构造

主要断裂构造展布方向为北东向、北西向和东西向。北东向构造主要构造形迹有江庄复式背斜和贾汪复式向斜；北西向构造主要构造形迹为汴塘断裂；东西向构造主要构造形迹为泉河断裂。分布在评价区以南约500 m的F2断层规模较大，是开采煤矿矿山井田边界的控制性断层。F2断层自评价区以南约500 m通过，走向NEE，倾向SSE，倾角70°，断距200～250 m，为南东盘下降之正断层，规模较大，切割贾汪复式向斜北东端，使诸地层在走向上不连续，其北东端被近南北和北东向断层切割而在走向上不连续。F10断层自评价区西南约500 m通过，走向NW，倾向NE，倾角60°～70°，为正断层。上述断层形成于古近系之前，至今无活动记录，均为非活动断裂。

1.4 场地评价区煤矿开采状况

评价区分布有17、20、21煤，在评价区内因煤层风氧化带煤质不好、地下水量大等原因，煤矿50 m以上煤层均未开采。各煤层开采情况如下：评价区内20煤开采深度约110～180 m,走向长壁顶板自然垮落采煤法，终采时间>20年。评价区内21煤开采埋藏深度约145～210 m,走向长壁顶板自然垮落采煤法，终采时间>20年。

综上所述可知，评价区内分布有大面积20煤、21煤采空区，评价区内20煤、21煤合计厚度1.40 m,倾角12°～20°，开采深度110～210 m。开采方法为走向长壁顶板自然垮落采煤法，开采活动结束时间>20年。周边煤矿采空区不会影响至本评价区。

2 采空区场地稳定性评价

参考国内外有关煤矿采空塌陷理论及经验，采空区场地稳定性应根据采空区勘察结果进行分析和评价。下面将从开采条件、地表移动变形判别场地稳定性。

2.1 开采条件判别场地稳定性

2.1.1 采动持续影响时间

煤层开采影响一般表现为从采空区上方顶板至地表岩层出现垮落、断裂、弯曲下沉。煤层采出达到一定面积后，引起上覆岩层的移动并逐渐波及地表，使地表出现一种在时间上和空间上连续有规律的移动和变形。这种移动和变形存在一个时空发展过程，即地表移动变形的初始期、活跃期和衰退期，进而进入稳定期，使采空区上方的岩层形成新的应力平衡。

采煤引起的地表移动持续时间，参考国内外研究成果[3-8]，对于缓倾斜、倾斜煤层而言，依照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[1]H.0.6条，当采空区埋深小于400 m时，其开采地表移动的持续时间可按式(1)计算。

T=2.5H0

(1)

式中：T为地表总移动时间(初始期、活跃期)，d；H0为采深，m。

评价区内煤层最大开采深度为210.0 m，H0取210 m，计算T=2.5×210=525 d。

依据表1判别采空区场地稳定性。

表1 按终采时间确定采空区场地稳定性等级

评价区内煤层开采活动终止于1998年，距今逾20年，t>1.2T且t>730。因此按经验估算公式地表移动已进入衰退期，采空区场地已进入稳定状态。

2.1.2 地表移动变形特征及覆岩特征

按地表变形特征及覆岩特征判别场地稳定性情况见表2、表3。

表2 按变形特征确定采空区场地稳定性等级[1]

表3 覆岩特征判定场地稳定性[1]

评价区周边开采范围较大，开采厚度相当，煤层倾角较小，因此可认为评价区处于塌陷盆地的中间区。开采初期地表变形属连续变形，地面无地裂缝、台阶、塌陷坑分布。根据勘察报告，评价区覆盖层厚度3.0～7.0 m，顶部灰岩属较硬岩。综合以上依据表2、表3判定评价区场地稳定性为基本稳定。

2.2 地表移动变形判别法

地表移动变形判别法可用于顶板垮落充分、规则开采的采空区场地稳定性定量评价。对于顶板垮落不充分且不规则开采的采空区场地稳定性，也可参照评价。评价指标见表4。

表4 地表移动变形值确定场地稳定性等级[1,9]

评价区内未进行较为精密的水准测量，因本区为缓倾斜煤层，采空区的地表移动变形计算采用《工程地质手册》(第五版)[9]中的经验公式进行计算，计算结果见表5。

表5 采空区地表最大变形预测值

根据周围经验，评价区内地表连续6个月累计下沉<30 mm，下沉速率<1.0 mm/d,倾斜、曲率及水平变形值计算见表5，根据计算结果评价区场地处于稳定状态。

根据开采条件及地表移动变形综合确定采空区场地稳定性为“基本稳定”。

3 采空区场地工程建设适宜性评价

采空区场地工程建设适宜性评价，应以采空区场地稳定性为主控因素，并考虑采空区剩余移动变形与拟建工程间的相互影响程度、拟采取的抗采动影响技术措施的难易程度及工程造价等方面进行综合评价。

3.1 采空区对本工程的影响程度

采空区对本工程的影响程度，可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、垮落裂隙带的密实状态、活化影响因素等，采用工程类比法、采空区特征判别法、活化影响因素分析法、地表剩余变形判别法等方法判别。

3.1.1 采用工程类比法定性分析

采用工程类比法定性分析采空区对工程影响程度见表6。

表6 采用工程类比法定性分析采空区对工程影响程度

评价区附近已建建筑主要为单层厂房、多层办公楼及部分高耸构筑物。根据现场走访，评价区附近多年未见有地基下沉导致的建(构)筑物破坏现象。

评价区东南侧泰和小区(距离场地约100 m，工程及地质情况相似，未进行处理)，目前已建多幢6层住宅，建成已超过2年；毗邻场地南侧的3层办公楼及厂房，建成已超过5年，均使用状况良好，目前未发现有倾斜、开裂等现象。

评价区北侧道路，在煤矿开采初期，局部曾出现地基下沉，路面出现裂缝，目前使用状况良好，未见有地基下沉现象。评价区西侧已建2层轻钢结构商业及围墙，已建成约3年，目前使用状况良好。因此采用工程类比法分析认为采空区对工程的影响程度小。

3.1.2 根据采空区特征及活化因素

采空区特征及活化影响因素定性分析采空区对工程的影响程度见表7。

表7 采空区特征及活化影响因素定性分析采空区对工程的影响程度[1，11]

评价区内各已采煤层均为薄煤层，单层采厚0.67～0.73 m，煤层倾角12°～20°，计算采深采厚比164～209。

评价区各煤层及最小采深采厚比计算见表8。

表8 采深采厚比计算表

根据本次深孔钻探资料并参考场地周围煤矿采空区勘察经验，评价区内采空区局部仍存在少量尚未完全塌落洞隙，这些洞隙在地震、地下水及建筑荷载的影响下有可能发生塌落，对地表建筑产生一定的影响，现阶段地表相对稳定，采空区活化对地表建筑物影响的可能性小，危害小。

根据采空区地表剩余变形值参照表9确定采空区对工程的影响程度。

表9 根据剩余变形值确定采空区对工程的影响程度[1]

根据表9，判定地表剩余变形对工程影响程度小。

3.2 拟建工程对采空区稳定性影响

拟建工程对采空区稳定性影响程度，应根据建筑物荷载及影响深度等，采用荷载临界影响深度判别法、附加应力分析法等方法判别,并按表10划分影响程度等级。

表10 根据荷载临界影响深度定量评价工程建设对采空区稳定性影响的评价标准[1]

3.2.1 荷载临界影响深度HD和采空区深度H

当建筑物建在影响范围以内时，可按下式验算地基的稳定性，设建筑物基底单位压力为p0，当巷道顶板的埋藏深度H增大到一定的深度时，使顶板岩层恰好保持自然平衡(即作用在采空段顶板上的压力Q=0)，此时的附加应力的影响深度称为临界深度HD[1]，则：

(2)

式中：HD为临界深度，m；B为巷道宽度，m，此处按4 m计算；γ为岩土层平均重度，kN/m3；φ为内摩擦角，取平均值30°。

以上参数的取值为经验取值，是参考徐州地区煤矿采空区以往的验算资料及岩石测试结果。以上参数有一定的可信度，但也存在着一定的局限性，有待在下一步的工作中进行验证。

对于拟建11层住宅楼，按平均基底压力p0为180 kPa估算，矿井煤层开采的井下残留空洞宽度4.0 m，岩石平均重度按23.5 kN/m3计，计算的HD=26.7 m，1.5HD=40.1 m。

评价区内采空区埋深>80 m，大于1.5HD(40.1 m)，因此根据荷载临界影响深度判别拟建工程对采空区稳定性影响程度小。

3.2.2 附加应力影响深度Ha和垮落断裂带深度H1f

对于在长壁垮落法开采的老采空区上进行建筑，在没有新的开采扰动的情况下，可以采用以建筑物荷载影响深度、采空区垮落、断裂带发育高度不能相互重叠，作为评价老采空区的活化、地基稳定性及其对建筑物影响的依据。

(1)建筑物荷载影响深度计算

根据《地基与基础》[12]中的岩土力学理论，不同的基础形式和不同荷载作用下，附加应力的扩散随深度增加而减少，对地基扰动深度逐渐减弱。根据《建筑地基基础设计规范》[9]第5.3.8条，当无相邻荷载影响，基础宽度在1～30 m范围内时，基础中点的地基变形计算深度可按式(3)进行计算。

Zn=b(2.5-0.4lnb)

(3)

式中：b为基础宽度，m；评价区11层楼基础宽度16 m，计算Zn=22.2 m。

根据《岩土工程勘察规范》[2]第4.1.19条，地基变形计算深度，对中、低压缩性土可取附加应力等于上覆土层有效自重压力20%的深度，对高压缩性土可取附加应力等于上覆土层有效自重压力10%的深度，一般当地基中的附加应力σz为上覆地基土自重应力σcz的10%时，可认为附加应力对该深度处的地基压缩影响微弱，该深度称为地基受压层深度。受压层深度以下的岩、土层中附加应力很小，其对地基沉降的影响可忽略不计。地基附加应力，按式(4)计算。

σz=αP0

(4)

式中：α为各种荷载下的竖向附加应力系数；P0为作用于基础底面平均附加压力，kN/m2。

估算11层楼基础下23 m深度(基础开挖深度约5.0 m)处附加应力σz约为62.6 kPa。地面以下任一层面处的自重应力按式(5)计算。

(5)

式中：n为从天然地面到深度z处的土层总数；hi为第i层土的厚度，m；ri为第i层土的重度，kN/m3，地下水位以上的土层一般采用天然重度(地下水位取1.0 m，土层按5 m计算)，地下水位以下的土层采用浮重度，毛细饱和带的土层采用饱和重度。

计算场地地表下28 m深度处土层的自重应力σcz约为630 kPa。

因地表下28 m深度处附加应力σz<10%σcz，因此认11层住宅楼应力影响深度约为地面以下28 m。

综合以上两种算法，11层住宅楼应力影响深度约为地面以下28 m。

(2)垮落带、断裂带计算

依据地层资料，确定拟建区下采煤工作面的上覆岩层为软硬岩互层，煤层倾角12°～20°，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[1]附录L，当煤层顶板为硬质岩、软质岩层或其互层时，开采空间和垮落岩层本身的空间可由顶板的下沉和垮落岩石的碎胀填满，开采单一煤层时垮落带的最大高度可按式(6)计算。

(6)

式中：M为单层采厚，m，取0.7 m；W为下沉值，取0.595 m；k为岩石的碎胀系数，取1.3；a为煤层倾角，取20°。计算Hm为0.4 m。

断裂带最大高度Hli计算公式见式(7)。

(7)

此处∑M取1.40 m，计算Hli为33.7 m。

计算垮落及断裂带高度之和为34.1 m。

(3)稳定性影响评价

评价区11层楼附加应力影响深度为Ha=28 m；而采空区垮落、断裂带最大发育高度34.1 m，深度H1f为110-34.1=75.9 m，H1f≥2Ha。因此根据附加应力影响深度Ha和垮落断裂带深度H1f判别拟建工程对采空区稳定性影响程度小。

综合以上分析，认为采空区场地工程建设适宜性为“基本适宜”。

评价区地基按不均匀地基考虑，变形计算应包括采空区地表剩余变形值与附加荷载引起的正常地基沉降变形值。

4 建筑技术措施

场地地基基本稳定，工程设计适当考虑残余变形对建筑的影响。本场地地基变形是由采空区的残余变形及拟建荷载导致的地基压缩变形两部分组成，因此应控制地基土层的压缩变形值。建议对建筑物的基础及上部结构采取能够抵抗地表残余沉陷变形的抗变形结构技术措施，确保建筑物的安全。抗变形结构技术措施包括吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施。

5 结论

充分利用好开采煤炭资源遗留下来的采空区场地，可以增加建设用地。以一建筑场地的实例，分析煤矿采空区场地作为建筑场地的稳定性和适宜性，根据开采条件及地表移动变形，综合确定采空区场地稳定性为“基本稳定”，采用工程类比法、采空区特征判别法、活化影响因素分析法、地表剩余变形判别法等判别采空区场地工程建设适宜性为“基本适宜”。为确保建筑物的安全，采空区场地采取一定的抗变形结构技术措施包括吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施等，在此措施下，拟建煤矿采空区场地作为建筑用地是可行的。