渭北铜川老采空区工程建设地质灾害危险性评估方法探讨与研究

张 维，赵刘会，陈永恒，王 鑫，王育强，李 伟

(西北有色勘测工程有限责任公司,陕西 西安 710038)

0 引言

渭北铜川地区煤炭开采历史久远，是我国典型的“因煤而兴、先矿后市”的资源及工业型城市之一[1，2]。近百年的煤炭资源开采活动导致该地区形成了庞大的地下采空区，采空塌陷易造成地表建(构)筑物变形破坏及区内生态环境的恶化，给人民群众的正常生活、生产造成影响[3]。因此在分布有巨大地下采空区的黄土台塬区进行工程建设的地质危险性评估及适宜性评价尤为重要。

本文以铜川渭北黄土台塬地区新建一处物流仓库为背景，充分收集拟建区地下煤炭资源开采历史资料，比对拟建区与地下采空区空间相对位置关系，从拟建区分布的老采空区现状评估、预测评估及综合评估三方面就老采空区工程建设地质灾害危险性评估方法进行了探讨与研究，为工程建设的可行性及适宜性评价提供科学依据，为分布有地下采空区的土地开发利用提供合理保障。

1 研究区地质环境背景

1.1 地质环境条件

拟建场地位于渭北台缘中段，地质构造以NW倾向的单斜构造为主，倾角5°～15°；整体地形开阔而平坦，地貌单元属黄土台塬；区内分布地层主要以第四系中更新统风积黄土以及二叠系孙家沟组砂、泥岩；周边无大的断裂构造及全新世活动断裂分布；地震基本烈度为Ⅶ度；地下水类型以基岩孔隙裂隙承压水为主；区内地质灾害以采空塌陷隐患为主。综合分析将评估区地质环境条件复杂程度确定为中等。

1.2 拟建工程概况

拟建物流仓库包括工业品仓库及公共卫生用品等仓库。各仓储库层数为2层、高度10 m、钢结构、采用独立基础，基础埋深为-1.5 m，屋盖体系选用轻型钢屋架和铝复合夹心板；拟建物流仓库跨度32 m，基底平均荷载标准组合值200 kPa。按照建设项目重要性分类表，拟建工程属重要建设项目。

综合评估区地质环境条件复杂程度与工程建设项目重要性，划分评估级别为一级评估。

1.3 以往煤炭开采历史

将拟建区范围与采空区分布图进行套合，发现拟建区整体位于老采区范围内。查阅资料可知拟建区下方老采空区形成于1958年至1984年间，此后处于停采闭坑状态。历史生产主采10#煤，采厚1.0～1.4 m，煤层倾角6°～10°，顶板岩性为砂岩、泥岩以及砂砾岩，采煤工艺为炮采，长臂工作面[4]。

2 地质灾害危险性现状评估

拟建场地位于采区内，占建设用地总面积的100%，其与采空分布区相对位置如图1所示。

图1 拟建场地与地下采空区相对位置示意图

通过推算，拟建区采矿活动完毕长达35年，平均采厚1.2 m，最大采厚为1.4 m，煤层采深为385.53～463.06 m，开采深厚比约为298～360。拟建仓库为2F钢结构，从工程建设加载、扰动作用可能引发采空塌陷方面着手评价场地现状稳定性。

2.1 开采活动引发地表集中移动时间

拟建区采矿活动地下采深为385.53～463.06 m，据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》计算采煤后地表移动时间，公式如下：

T=2.5H0

(1)

式中，T为地表移动延续总时间，day；H0为工作面平均采深，m。

依据上式计算得出地表集中移动延续时间约2.6～3.2年，以往采矿活动停采至今已有近35年时间，故从地表集中移动延续时间角度分析，该矿区内地表集中移动期已结束，处于相对稳定状态。另据《陕西省铜川市矿区采煤沉陷情况报告》，拟建区沉陷范围不再扩大，已趋于稳定[5]。

2.2 采空区变形情况

依据《地质灾害危险性评估规范》[6]，拟建区地下采空区开采深厚比大于120，且根据现场调查黄土台塬区未发现地表塌陷坑、伴生裂缝等变形迹象，周边居民房屋未见明显的采空塌陷变形迹象，故认为该采空塌陷发育程度弱；加之现状拟建区内无居民分布，危害程度小，故认为该采空塌陷隐患现状评估危险性小。

3 地质灾害危险性预测评估

研究结果表明，煤炭资源开采后，所形成的采空区变形演化过程复杂而漫长，开采造成顶板覆岩体内形成的裂隙带、离层空洞或欠压密区将长期存在[7]。工程建设活动可能使原本趋于相对稳定的岩体结构再次失稳，建筑荷载的影响深度和导水裂隙带的发育高度是其主控因素。新建建筑物在地基中产生的附加应力扰动深度与老采空区垮落带或裂缝带沟通(如图2所示)，则将使得处于相对稳定的岩层结构重新活化并产生新的移动变形。

图2 工程建设造成采空区“活化”示意图

计算公式如下：

H>Hli+Hj+Hb

(2)

式中，H为建设场地要求最小安全界限采深，m；Hli为采空区覆岩导水裂缝带高度，m；Hj为建筑物载荷最大影响深度，m；Hb为安全保护层厚度，m。

3.1 工程建设采空区“活化”预测评估

根据土力学计算理论，无相邻荷载的独立基础荷载中心下垂直方向地基的附加应力σz为0.1P(P为建筑物荷载)处z值作为基础沉降的影响深度[8]。根据建筑物基础类型选择经验公式z=B(2.5-0.4 lnB)推算基础沉降的影响深度。拟建物流仓库最大荷载P为200 kPa，经计算得建筑物载荷中心下垂直方向最大影响深度为基底下6.2 m；考虑到评估区位于黄土台塬区，黄土覆盖层厚度大(>100 m)，故保护层厚度按照最大影响深度2倍计，取值12.4 m；导水裂隙带最大发育高度按照长壁全陷法开采条件下采空区顶板覆岩的导水裂隙带发育高度计算公式计算得Hli值为30 m，故建设场地要求最小安全界限采深H为48.6 m，即工程建设扰动深度与导水裂隙带发育高度沟通的可能性小，故工程建设加载作用对采空区“活化”的可能性小，对地基稳定性影响较小，预测加剧采空塌陷隐患的危险性小。

3.2 地表突发性塌陷可能性预测评估

拟建区主采煤层顶板覆岩岩性为中硬型，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的相关规定[9]，计算得长壁全陷法开采条件下采空区顶板覆岩的垮落带高度Hm介于6.4～7.7 m，导水裂隙带高度Hli介于24.8～29.6 m。第四系覆盖层厚度按130 m考虑，则地下采煤形成的采空区可能发生塌陷的界限采深为160 m，即采深小于160 m区域地表塌陷的可能性大，拟建区采深为385.53～463.06 m，据此，评估引发突发性采空塌陷的可能性较小。

3.3 地表残余变形计算预测评估

地表残余变形是指地表集中移动期结束之后，地表所产生的变形。按照我国长壁全陷法采煤活动(覆岩坚硬程度为中硬岩)引发的地表残余下沉值计算经验公式如下：

(3)

式中，Wc为地表残余下沉值，mm；M为煤层采出厚度，mm；q为地表下沉系数；α为煤层倾角，度；T为集中移动期地表移动延续总时间，年；t为残余移动期的时间变量/年；倾斜值：I=Wc/r；曲率值：K=±1.52Wc/r2；水平变形值：ε=±1.52 bI。

利用上式及表1计算得出目前和未来5年拟建区采空区内地表可能产生的连续残余下沉值见表2。根据砖混结构建筑物的破坏等级见表3[9]，通过计算地表变形指标值进而判定采空区范围内建筑物的破坏等级分级。

表1 地表沉降及移动计算参数一览表

表2 地表极限残余下沉计算预测值一览表

表3 砖混结构建筑物的破坏等级分级表

表4 区内建构筑物破坏等级预测表

计算结果表明，拟建区域剩余的残余下沉值为91.3 mm，地表最大倾斜值1.16 mm/m，最大曲率值为10-5rad/m，最大水平变形值为0.53 mm/m，即说明拟建区采空区地表集中移动期已结束，处于相对稳定期，预测采空区地表残余变形对地面建筑物产生Ⅰ级(不修)破坏性影响。

4 综合评估与适宜性评价

现状评估认为拟建场区地表集中移动期已结束，处于相对稳定状态，且评估区内采空塌陷隐患发育程度弱，危害程度小，现状评估危险性小。预测认为工程建设活动引发突发性采空塌陷的可能性较小；加剧采空塌陷隐患的危险性小；拟建区采空区处于相对稳定期，工程建设活动造成采空区“活化”的可能性小，危险性小。综合现状评估与预测评估成果，按“就高不就低”原则，将评估区整体划分为小区。对于地质灾害危险性小区，场地适宜性为适宜，但鉴于建筑物跨度大且地处黄土台塬区，建议地基基础宜采用抗残余变形较强基础形式，同时对其采取加强结构措施。

5 结论

(1) 通过评估区地表集中移动期以及采空塌陷隐患发育程度及危害程度，现状评估发生采空塌陷灾害的危险性小。

(2) 根据工程建设造成采空区“活化”可能性分析、地表突发性塌陷可能性分析、地表残余变形计算等多角度计算分析判定，工程建设活动引发、加剧以及遭受采空塌陷的危险性小。

(3) 综合现状评估与预测评估成果，综合判断评估区内发生采空塌陷地质灾害的危险性小；拟建场地适宜建设。

(4) 为类似地质环境背景下进行工程建设地质灾害危险性评估提供了新的评估方法与思路。