贾汪城区多层煤矿采空区治理探讨

2022-07-06陈益民吴洪楼

地质灾害与环境保护 2022年2期

陈益民，吴洪楼

徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司,徐州 221100)

徐州市贾汪区现城区范围内有煤系地层分布，有多层可采煤层，煤炭开采历史长，从19世纪80年代就有现代采煤活动，解放后，国有韩桥煤矿、地方煤矿-盐城矿务局、淮阴矿务局以及众多地方小煤矿进行煤炭开采，至2001年年底贾汪城区范围内的煤矿全部关闭，到2015年底徐州矿务集团旗山矿也闭坑停止产煤，至此贾汪地区所有煤矿均关闭。当地煤炭资源经过长期开采，遗留了大量的采空区，给当地的经济建设留下了安全隐患。

2011年11月，贾汪区被批准为第三批资源枯竭型城市，这为贾汪区实现转型和可持续发展带来巨大机遇。目前贾汪区城市规模越来越大，入驻的建设项目越来越多，土地资源紧缺成为制约地方经济快速发展的重要因素。与此同时，区内多年煤矿开采形成的大面积采空塌陷区很多处于闲置和撂荒状态，未能充分合理地开发利用。为了更加经济合理地进行采空区治理，本文根据贾汪地区的煤层赋存和开采情况，提出了对不同深度的采空区采取不同的治理措施，不仅可以确保采空区场地的建筑物的安全使用，而且能够节约大量的建设资金。

1 贾汪城区地质条件简介[1]

1.1 地层岩性

贾汪城区地层属“华北地层鲁西分区徐宿小区”，但发育不全，上元古界青白口系土门群是区内分布的最老地层，其上为震旦系城山组-魏集组，古生界寒武系、奥陶系中下统、石炭系中上统和二叠系及新生界第四系中上更新统和全新统。岩浆岩不甚发育，仅在汴塘和塔山一带零星分布，有辉绿岩体或岩脉。城区及其周边分布的基岩地层主要为奥陶系碳酸盐岩、石炭系-二叠系含煤系地层，岩性主要为石灰岩、白云岩、砂质页岩、页岩等。

贾汪城区及其周边地区详细地层结构见表1。

表1 区域地层结构表

1.2 煤层情况

贾汪城区的地下煤层主要分布于贾汪复式向斜中，已有一百多年的采煤历史，区内有国有大型煤矿韩桥矿，地方中小型煤矿盐城矿务局的滨海矿、东风矿、南庄矿、大李庄矿等，以及众多的地方小煤矿。

贾汪城区及外围含煤地层主要为二叠系下统下石盒子组、下统山西组及石炭系太原组，共含煤22层。分布的各煤层基本特征如下：

含煤地层主要为二叠系下统下石盒子组、山西组及石炭系太原组，煤系地层厚度438 m，含煤系数3.0%，煤层总厚约13.16 m。其中可采煤6层，煤厚度7.70 m，含煤系数1.76%。煤层产状：走向NNE，倾向EN，倾角约4°～7°。

区内主采煤层有6层，其特征为：

(1) 下石盒子组1#煤，为本区主要可采煤层，层位稳定，分布普遍，结构简单，煤层厚度0.5～2.16 m，平均厚度1.50 m，1#煤下距3#煤1.7～16.5 m，平均10.6 m。煤层顶板均为页岩,煤层底板为砂岩、页岩互层。

(2) 下石盒子组3#煤，为本区主要可采煤层，层位稳定，分布普遍，结构复杂，煤层厚度1.00～3.05 m，平均厚度2.20 m，3#煤下距7#煤平均145 m。煤层顶板均为砂岩、页岩互层，煤层底板为页岩。

(3) 山西组7#煤，为本区主采煤层，在本区内由南向北渐变薄，至尖灭。煤层厚度1.51～2.26 m，平均厚度1.70 m，7#煤下距17#煤平均133 m。煤层顶板均为砂岩，煤层底板为砂页岩。

(4) 太原组17#煤层(屯头系)：为本区主采煤层，煤层厚度0.28～1.16 m，平均厚度0.85 m，为较稳定型煤层。煤层顶板均为页岩，煤层底板为砂页岩。17#煤下距20#煤12.5～22.50 m。

(5) 太原组20#煤层(屯头系)：为本区主采煤层，属较稳定性煤层，煤层厚度0.08～1.00 m，平均厚度0.80 m。煤层顶板为石灰岩，煤层底板为砂岩。20#煤下距21#煤25～32.0 m。

(6) 太原组21#煤层(屯头系)：为本区主采煤层，煤层厚度0.05～0.98 m，平均厚度0.65 m，为较稳定型煤层。煤层顶板均为灰岩，煤层底板为砂页岩。

徐州矿务集团韩桥煤矿已于20世纪60年代前期结束1#煤、3#煤、7#煤开采(7#煤为局部开采)，2001年年底结束17#煤、20#煤及21#煤的开采。20世纪70年代以后，地方小煤矿在贾汪城区及附近下开采1#煤、3#煤、7#煤、17#煤、20#煤、21#煤。2001年底贾汪城区的采煤活动全部结束。

1.3 地质构造

徐州贾汪区主要存在3种构造类型：北东向构造、北西向构造和东西向构造。北东向构造主要构造形迹有江庄复背斜和贾汪复向斜；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。

贾汪复向斜沿大吴-贾汪一线呈北东20°～50°方向展布,区内长约21 km，宽5～15 km，为宽缓向斜构造，北东端昂起成山。核部由石炭系、二叠系组成，两翼为奥陶系和寒武系。该向斜为贾汪区乃至徐州市最重要的含煤盆地。

贾汪城区处于贾汪复向斜的核部，地层总体上向西、西北倾斜，地层产状较平缓，倾角4°～10°，有较大的3条断层F47、F20、F21穿过(图1)。

图1 地质剖面图

在贾汪城区南侧及外围还发育一些次级断裂，依据煤田地质勘查资料，上述断裂均为非活动性断裂。

1.4 人类活动对地质环境的影响

人类活动对地质环境的影响主要表现为煤矿的开采和地下水的疏排、开采。

煤矿的开采：各煤层的开采情况：1#煤、3#煤，由于埋藏较浅，煤层为较稳定型，清朝至国民党统治时期至20世纪50年代都曾有开采的历史，解放以后，一些地方和个体小窑也都曾陆续开采过，此二层煤在本区正式组建之前(1964年)已基本开采殆尽，韩桥矿已于20世纪60年代前期结束1#煤、3#煤、7#煤开采(7#煤为局部开采)。后来，一些地方小煤矿在此进行过回采。

7#煤在本评估区内为不稳定型煤层，厚度变化较大，浅部煤层煤质差，局部缺失，为局部可采煤层，大部分未采。

17#煤和20#煤及21#煤为后期的主采煤层，在2001年年底本区的煤矿全部关停。顶板的管理方式一般为17#煤为综采、炮采全陷，20#煤、21#煤为炮采全陷。

由于煤矿开采，在地表形成了采空塌陷，由于城区建设，地面已基本整平，地表现状条件下无明显塌陷痕迹。

人工疏干排水影响：贾汪城区煤炭开采至今已有上百年的历史，随着矿井开采水平的不断延深，矿井疏干水及井下防尘用水的开发利用，地面生活、工业用水等，使各含水层的水位下降。地下水的水动力环境受到人工开采和疏放水影响，已经破坏了自然的地下水动态和均衡。从而也对评估区的地下水动态环境有一定的影响。2008年贾汪城区南部的徐州矿务集团原韩桥煤矿韩桥井关闭，停止排水，地下水位很快上升，根据调查，煤矿废弃井筒中的地下水位埋深约为15～20 m。截止到2015年，贾汪地区的煤矿已全部关闭，并停止矿井排水，地下水水位恢复其自然状态。在雨季时，部分地区的地下水位已与地面基本持平，例如2013年贾汪海峡湖尚城项目地块，该地块的南侧比北侧约低1.0 m左右，7月份，在场地南侧钻孔施工结束时，钻孔里往外流水，表明地下水水位已略高于地面。

2 煤层采空区地质灾害危险性预测评估

2.1 工程建设诱发加剧地质灾害的可能性

贾汪城区拟建工程多为住宅小区或一般工业厂房，大部分建筑物为5～6层的住宅楼或商住楼，建筑物荷载引起的地基土压缩影响深度有限，也有少量的高层建筑(已建、在建的高层建筑最高层数为33层)，因此对本区拟建建筑，需要考虑建筑物荷载对采空区的影响[2-3]。

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，当采空顶板的埋藏深度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H称为临界深度H0，则[4]：

式中，H0为临界深度(m)；B为巷道宽度或采空宽度(m)，此处分别按4～8 m计算；γ为地层平均重度，取24.45 kN/m3；φ为摩擦角,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与岩石试验结果。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和落实。

当H1.5H0时，地基稳定。

(1)B按8 m计算时

当建筑物为6层时，计算得H0=38.51 m，1.5H0=57.8 m(注：p0取值按6层建筑估算)。

当建筑物为25层时，计算得H0=56.6 m，1.5H0=84.9 m (注：p0取值按25层建筑估算)。

(2)B按4 m计算时

当建筑物为6层时，计算得H0=24.89 m，1.5H0=37.34 m(注：p0取值按6层建筑估算)。

当建筑物为25层时，计算得H0=33.5 m，1.5H0=50.25 m(注：p0取值按25层建筑估算)。

贾汪城区范围内，1#煤、3#煤采空区深度在15～100 m左右，17#煤、20#煤、21#煤采空区深度在200～350 m左右；东部F3断层以东的17#煤、20#煤、21#煤采空区深度在12～100 m左右。城区范围内1#煤、3#煤采空区、F3断层以东的17#煤、20#煤、21#煤采空区的埋深与巷道最浅深度均在地面建筑物地基附加应力影响深度范围内，建筑物荷载可能会引起地下老采空区的“活化”，因此拟建建筑有引起采空地面塌陷地质灾害的可能性[5]。

而贾汪城区范围内大部分17#煤、20#煤、21#煤采空区深度在200～350 m左右，在地面建筑物地基附加应力影响深度范围以外，建筑物荷载难以引起地下老采空区的“活化”，拟建建筑引起采空地面塌陷地质灾害的可能性很小。

2.2 工程建设遭受地质灾害的危险性

采空地面塌陷危险性预测:

在贾汪城区范围内，2001年底采煤活动已全部结束，至今停采时间已超过20 a，采空塌陷已逐步趋于稳定。可以认为，该城区内采空区的沉陷已基本稳定，但部分地段的采深采厚比(主要是1#煤、3#煤)小于30，其上进行建筑具有一定的危险性，同时，考虑到贾汪城区含煤层数多，开采情况复杂，煤层采空区尚有一定的残余沉降，在采煤过程中遗留了矿井的井筒、巷道等未进行处理，故贾汪城区采空区塌陷对工程建设的危险性中等[6]。

3 采空区的治理方法

3.1 采空区场地遗留井筒的处理

煤矿闭坑后，遗留的井筒如不进行处理，会发生坍塌、地面掉小井等严重的破坏事故，对拟建建筑的地基产生严重不利影响。

贾汪地区煤矿井筒多分为3种：(1)立井、(2)斜井、(3)立井+暗斜井(下山)。

处理方法：(1)立井一般采用先回填建筑垃圾，再灌注水泥-粉煤灰浆液，井口采用混凝土封盖。(2)斜井采用灌注水泥-粉煤灰浆液，井口采用混凝土封盖。(3)立井+暗斜井(下山)，一般先对暗斜井段灌注水泥-粉煤灰浆液，再对立井回填建筑垃圾、灌注水泥-粉煤灰浆液，井口采用混凝土封盖。

工程实例：

(1) 贾汪区民康园住宅小区[7]，在2009年进行场地下采空区处理时，对场地内遗留的一个煤矿立井进行了处理，采用先回填建筑垃圾，再灌注水泥-粉煤灰浆液，井口采用混凝土封盖，确保了周围新建建筑物的安全。

(2) 贾汪区泉城新区棚户区改造保障性安居工程[8]地块一、地块二场地中遗留有两个斜井，在2014年年底至2015年年初对该两个斜井进行了灌注水泥-粉煤灰浆液，进行全充填法注浆处理。

3.2 拟建建筑物地基附加应力影响深度范围内采空区处理

对采空区进行灌砂或充填注浆处理，一方面可消除采空区内岩体产生二次变形的空间，同时阻止、减缓地下水在采空区内流动，避免地下水进一步对采空区软化和侵蚀作用的发生。另一方面，对采空区及上覆岩体残余空洞的填充也可避免地震过程中的二次压密；而且治理方法施工相对简单，安全性高，施工工艺成熟，施工易于管理，材料来源分布广泛、价格适中，治理后的地基可满足建筑物设计要求。

(1) 灌砂法

灌砂法是在地面钻孔至采空区，用砂石泵通过钻孔将砂灌入采空区，或将砂随水泥-粉煤灰浆液注入采空区。

工程实例：

贾汪区××局办公楼，层高12层，场地下由浅至深分布有1#煤、3#煤、17#煤、20#煤、21#煤等5层煤层采空区。针对不同深度采空区对建筑物稳定性的影响程度不同，对1#煤、3#煤采空区进行灌砂充填处理(当时韩桥煤矿夏桥井正常生产，该场地下1#煤、3#煤采空区处于无水状态)、对深部的17#煤、20#煤、21#煤采空区按照不利地段采取结构措施进行抗变形加固处理的综合处理措施。该楼于1998年建成投入使用，至今仍正常使用，未出现与地基有关的安全事故。

(2) 充填注浆法

注浆技术是一项实用性强、应用广泛的工程技术，其具体做法是在地面钻孔至老采空区，采用液压、气压或电化学方法，将采空区所有空洞和覆岩裂隙用由水泥、粉煤灰、砂子等混合而成的浆液全部充填和加固，使整个采空区恢复为接近原始岩体状态，彻底消除采动破碎岩体的移动变形空间。

工程实例：徐州工业园家具展销中心[9]

本工程总用地面积38 972.62 m2(3.9 hm2)，拟建建筑为3F家具展销中心、18F电子商务，设一层地下车库，总建筑面积62 252.85 m2，楼层高，跨度大，场地内无可液化土层及软弱土层分布，但分布有多层煤矿采空区。

经过分析研究，根据不同深度采空区对建筑物稳定性的影响程度不同而采取了不同的处理措施，对1#煤、3#煤采空区进行注浆充填处理、对深部的17#煤、20#煤、21#煤采空区按照不利地段采取结构措施进行抗变形加固处理的综合处理措施。并按以上设想进行了1#煤、3#煤采空区注浆治理设计与治理施工。

该建筑于2018年建成投入使用后，进行了长期变形监测。监测表明，该高层建筑从开始施工至竣工验收沉降量最大的为29.87 mm，远小于《建筑地基基础设计规范》中高层建筑基础沉降量小于200 mm的要求；楼房倾斜率最大倾斜率为0.527 ‰，满足《建筑地基基础设计规范》第5.3.4条中建筑整体倾斜小于2.5‰的要求，该建筑物累计沉降量、倾斜率均满足规范要求。

3.3 深部采空区处理

贾汪城区范围内大部分17#煤、20#煤、21#煤采空区深度在200～350 m左右，在地面建筑物地基附加应力影响深度范围以外，建筑物荷载难以引起地下老采空区的“活化”，因此拟建建筑引起采空地面塌陷地质灾害的可能性很小。

徐州矿务集团韩桥矿夏桥井在开采17#煤、20#煤、21#煤时，由于地面有工业广场、家属区、街道、工厂等分布，为保证地面建筑的安全，采用了条带开采法进行采煤。条带开采是一种部分开采方法，它是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，而地表只产生较小的移动或变形。

因此在贾汪城区煤矿采空区治理中，对深部采空区一般不直接进行处理，而是按照不利地段采取结构措施进行抗变形加固处理的综合处理措施，即可保证建筑的安全使用。