对采空区作为拟建场地适宜性的思考

【摘要】在采空区上建设的项目越来越多，但对于采空区稳定性评价的方法却非常原始、滞后，缺少一种有效规范的审查、监管机制；本文力争从分析淄博采空区的地表变形特点出发，找到一种有效的评价采空区稳定性的定量方法，对目前的勘测、治理、论证提出了不同的意见，对今后采空区场地建设适宜性的评价提出了思路。

【关键词】采空区 “三带” 稳定性评价

中图分类号： O175 文献标识码： A

随着城市建设用地的紧张，近年来在采空区上兴建住宅的项目逐渐增多，矿井已经关停多年，周边也有使用已久的已建物，能不能在此兴建多层、甚至高层住宅呢？经过物探勘测、钻探验证的采空区就是稳定的建设场地吗？

根据采矿理论，地下煤层开采后，上覆岩层在自重作用下产生离层、垮落、弯曲、变形，并逐渐向上发展，当开采面积达到一定范围后，上覆岩层的移动与变形将逐渐波及地表，对缓倾斜煤层而言，当地表在6个月以内下沉量②

一、淄博小窑采空区的地表变形特征

采空区对覆岩的破坏程度主要受煤炭资源的开采深度、采厚、煤层倾角、采矿方式、地质构造、覆岩物理力学性质及管理方式影响，不同的采矿条件对地表沉陷的破坏程度差异很大，反映到地表的变形形态可归结为两类，I类为连续位移变形，II类为非连续位移变形，I类变形多发生在采空区采厚比大于40、开采范围较大的情况下，地表变形以连续沉陷为特征的盆状下沉出现，连续变形一般会持续2~5a，如兖州矿区各矿井附近出现的地表变形；II类变形多发生在采深采厚比小于40、开采空间较小的情况下，地表变形以出现拉裂裂缝、局部隆起，产生阶梯状、漏斗形塌陷坑为特征的浅层陷落出现，II类变形以突发性、隐藏性为特点，没有一定的规律，有时开采后几十年还会发生较大的沉陷垮落破坏，如淄博博山某工厂住宅小区，就是在已建物使用10多年后出现报废性破坏的，淄博地区由于煤层以赋存浅、鸡窝状分布、覆岩多以泥页岩为主的特点，地表变形多表现为II类变形形态。

二、采空区的主要变形带

地下煤层开采后引发采空区上方的覆岩产生离层、垮落，并逐渐向上扩展，自采空区至地表沿垂直方向，形成破碎和变形程度不同的“三带”，由下至上依次为垮落带、裂隙带和弯曲带。

垮落带的碎胀岩体自然充填采矿体积达到平衡时，冒落过程停止，垮落带的上覆岩层在重力作用下所受应力超过自身强度时，将产生裂隙、离层及断裂，岩体失去原有的整体性，形成裂隙带，弯曲带是裂隙带上覆岩层所受应力未超过岩层本身的强度，产生连续微小的弯曲变形，能较好的保持岩体的完整性的一个相对稳定带。垮落带、裂隙带没有明显的分界线，均属破坏影响区，裂隙带处于应力相对平衡状态，在受到外力（如拟建物基底扩散压力、地下水流动、地下水位升降、地震等）的影响后，其平衡状态失去稳定的可能性很大，是产生采空活化的主要区域。

三、采空区的稳定性评价方法

根据工程经验及有关矿山开采规程规定，对拟建场地应进行适宜性评价的条件为：

1、采深采厚比H/M

2、残余变形≥10mm的场地；

3、H≤50m的地表变形剧烈且不连续的小窑；

4、Q4较薄，覆岩破碎、构造发育，采用非正规高落式开采，地表裂隙平行于开采推进方向的场地；

5、未充分采动，重复开采，塌落未稳、充填不密实，地下水位变化大或流动性大的场地。

采空区在地表的影响半径可按确定，地下煤层开采后采空区以上地表移动的延续时间，根据三下（建筑、铁路、水体）采煤规程规定，可按T=2.5H确定，但据波兰相关资料规定，在一般情况下开采结束后至少10a地面才算稳定。

当建筑物建在采空区影响范围以内时 , 可按《工程地质手册》[4]公式 6 - 4 - 9 验算地基的稳定性,设拟建建筑物基底单位压力为p0 ,当巷道顶板的埋藏深度增大到一定的深度时 , 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 H称为临界深度 H0，进行采空区的顶板稳定性分析，当H

四、采空区的一般勘测及治理方法

对大型矿山采空区的勘测方法通常包括搜集矿山地质资料、采矿工程图纸，而对于小窑上述资料往往不全，这时必须采用综合物探和钻探的方法，工程物探方法种类繁多，一般包括高密度电法、瞬变电磁法及地震波法，每种物探方法各有不同的适用条件，如高密度电法适用于采空区与围岩有明显的电性差异，地形起伏不大，采深

采空区的治理技术基本上以注浆充填为指导思路，注浆材料以水泥粉煤灰、水泥粘土为主，采用全部充填支撑覆岩、局部充填柱支撑覆岩的充填方式，以注浆充填采空区垮落带，加固覆岩断裂带和弯曲带中的岩土体离层、裂隙，使垮落带充填（微膨胀性充填，充盈系数≮1.0），使裂隙带形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，以有效抵抗采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉降，再辅以地面建筑的总体规划布置，采取有效的建筑及结构措施，采用柔性或刚性设计原则以吸收或抵抗有害变形，总之，采空区的治理是综合措施的运用结果，在稳沉或未完全稳沉采空区上建设，首选的治理方案应是地基加固而非建筑结构措施，因为对于采空区的大面积残余变形控制，不是单一的建筑结构措施就能解决的问题，目前工程中常用的单纯对垮落带的充填，也只是一种不能彻底解决后期残余变形发展的不完全治理方法，因为裂隙带、弯曲带受地表环境影响很大，环境的任何变化都有可能活化裂隙带，其自身潜在的变形扩展是后期不可忽视的残余变形，采空区的概念不仅是垮落带，裂隙带必须一并治理方可有效。

五、采空区评价的基本思路

对采空区作为建设场地的适宜性，应该是在可行性研究阶段解决的问题，若把采空区作为一种不良地质作用考虑，（JGJ72-2004）8.1.2用强条明确规定，“对有直接危害的不良地质作用地段，不得选作高层建筑建设场地。对于有不良地质作用存在，但经技术经济论证可以治理的高层建筑场地，应提出防治方案建议，采取安全可靠的整治措施。”本人认为，从采空区对拟建场地的危害性大小、可治愈的程度进行评估的话，若采空区对拟建场地有直接危害、难以治理或经治理也难以根除危险，仍会产生过大的残余变形，或治理成本大于建设利益，当放弃建设；对目前采用的采空注浆充填处理方法，难以从根本上消除拟建物后期不均匀变形的安全隐患，因为注浆钻孔是在有限范围内布设施工的，浆液地下流动是无序的，只强调垮落带的充填，未进行裂隙带的带压加固，未重视裂隙带的后期变形的影响，这种有限范围内的不完全充填，不能改变拟建场地稳定性差的实质，从抗震设防的角度出发考虑，拟建场地仍属于抗震不利地段，（GB50011-2010）3.3.1提出“对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效的措施。”作为适宜性差的拟建场地，在未来建筑使用的有效期内会因各种不确定因素的影响，使拟建物产生不均匀变形、开裂、倾斜甚至报废的可能性仍然存在，因此在采空区上建设当慎之又慎，不能采用目前的评价方法，低成本的物探公司出个报告，仅凭勘察单位钻探验证一下就算解决问题，这是不实际的解决方式。

最近一个工程就很能说明问题，见下图：

物探报告表述：本次物探圈定了场区内异常区域，推断为采空区塌陷引起的低阻异常，其范围及埋深如图表一。

推断采空区剖面位置及埋深 表一

线号 推断采空区剖面位置（m） 埋深（m）

高密度电法1线 5～40 45～65

高密度电法2线 0～10、25～38 35～50

高密度电法3线 5～15、28～38 35～50

高密度电法4线 未见

推荐验证钻孔的坐标表二

孔号 坐标 深度（m）

1# X=53109.34，y=83346.38 70

2# X=53099.82，y=83373.95 60

3# X=53036.83，y=83340.70 60

4# X=53028.49，y=83363.40 60

勘察单位受建筑单位委托对物探推荐的验证钻孔全部实施了工程钻探，其钻孔柱状图显示：钻探进尺深度范围内未发现地层异常，无掉钻、漏水等现象，岩石结构无明显破碎，地层层序、层位正常。验证结果与物探报告结论矛盾，这怎么解释呢？能说明本场地内无采空区分布吗？勘察到此就能得出结论说明该场地稳定、能够就地建设吗？本人认为本着为业主负责的态度，项目初期进行地质灾害评估是必须的，应根据采空区情况收集采空区资料，特别是对于一些小窑采空区更是需要通过调查走访、多技术方式物探、钻探验证才能进行规范的拟建场地可行性论证。在目前进行地质灾害治理的方案审查是不可缺少的监管步骤，在复杂的地质环境下建设，不能用后期的一个勘察阶段解决所有过程的地质问题，这样做是不负责任的，百年大计，责任重大。