某建筑场地下伏采空区稳定性分析与研究

摘要：在老采空区地表新建建筑物，关系到建筑物的长期安全性，是目前采空区工程地质问题研究的重要内容之一。本文以徐州某煤矿拟建电厂场地的下伏采空区为研究对象，在论述地质与采矿特征的基础上，采用概率积分法计算了采空区的残余变形值，对研究区进行了危险性分区和评价，并提出了相应的治理措施，为保证拟建工程场地的安全提供了一定的理论依据。

关键词：采空区；地表变形；危险性分区；地基稳定性

中图分类号：F407.1 文献标识码：A

煤矿地下开采导致上覆岩层冒落、断裂或者弯曲，虽经长时间的自然压实作用，但开采形成的空洞、裂隙、离层等将长期存在，老采空区上方地基特性势必发生变化，然而，随着经济的发展，可供建筑的土地资源严重不足，越来越多的建筑物不得不建在老采空区上方，因此对老采空区地基稳定性进行分析与评价，以保证新建建筑物的安全使用变得尤为重要。本文以某煤矿采空区为例，论述了其煤矿采空区地质、采矿特征，通过定性与定量的方法，分析与评价了该煤矿采空区的稳定性，并提出了相应的治理措施，解决了该矿工业广场作为拟建电厂场地的适应性的问题，为保证拟建工程场地的安全提供了一定的理论依据。

1 研究区地质采矿特征分析

本文研究场地位于徐州市九里区西部，距徐州市区中心约13km。该区域地表标高+35m～+42m，地势较平坦，表层土平均厚度76.0m。拟建发电机组的工程建筑布置于该矿区工业广场内待拆除的建筑设施所占土地上，其设计规划用地面积约250ha，属于动力工业类建筑。其建筑物类型主要为生产厂房、辅助生产厂房、动力用厂房、附属储藏建筑等类型。

该矿井在1983年以前，主采下石盒子组1煤及2煤。1983年以后，开始回采山西组7煤和9煤。形成1、2煤与7、9煤搭配开采的局面，现在主采山西组7、9煤。煤层分布特征如下：①1煤位于下石盒子组地层中段，上距奎山砂岩66m，下距2煤0.05～11.97m，平均煤厚0.89m，属不稳定煤层。②2煤位于下石盒子组地层中段，下距分界砂岩47m左右，平均煤厚1.85m，属于稳定性煤层。③7煤位于下山西组地层第二沉积旋回，上距2煤100m，下距分界砂岩58m，平均煤厚3.25m。④9煤位于下山西组地层第一沉积旋回，见煤点煤厚0.25～5.75m，平均煤厚2.24m。采煤方法为走向长壁开采，其单一工作面长度一般在60～80m之间，推进长度通常在150～200m之间，落煤方式多为综合机械化开采，局部地段为炮采。顶板管理均采用自然冒落法。

图1采空区平面分布示意图

研究区内1、2煤采空区形成时间较早，在北部形成于1968～1970年，在西部形成于1974～1981年，东部1967～1970年。在西北部的局部地段，2煤的采空时间为1984年和1994年，西南部采空区局部地段最晚时间为1987～1993 年。勘察区内的7、9煤采空区形成时间稍晚，在北部形成于1982～1990年，在西部形成于1986～1992年，东部在1985年。在勘察范围的西部边缘，9煤采空时间为2002年。采空区总体特征主要表现为煤层开采充分，采空区分布面积大，且多层重复开采。

2 采空区地表变形特征预计

目前老采空区的剩余沉降量计算大多采用概率积分法和数值计算法。本文采用较为成熟的概率积分法来预测采空区将会产生的地表移动和变形特征。按最不利条件即充分开采条件下计算。主要采用下面几个参数，最大剩余沉降量(mm)：Wm′=Mq′cosα=M (1-q)cosα；最大残余倾斜值(mm／m)： im′= W m′／r；最大残余曲率值(10-3/m)：Km′=1.52 W m′／r2；最大残余水平移动值(mm)：Um′=b W m′；最大残余水平变形值(mm/m)：εm′=1.52b W m′／r2。

根据国内外采空区移动变形的经验，结合该煤矿的地质采矿特征，选取了适当的预测参数。其中1、2煤、7煤、9煤沉降系数q分别为0.99、0.93、0.90；残余沉降系数q’分别为0.01、0.07、0.10；煤层采厚M (m)分别为4.0、3.3、3.3；煤层倾角α(°)分别为6.0、3.0、3.0；采空煤层平均埋深H (m)分别为206、330、350；煤层采空区影响半径r (m)分别为121、194、206；沉降拐点偏移距S (m)均为35；主要影响角正切tgβ均为1.70；水平移动系数b为0.385。根据上述计算公式求出地表最大剩余沉降量如表1。

表1采空区地表最大剩余沉降量

采空煤层 Wm’(mm) im’(mm/m) Km’(10-3/m) Um’(mm) εm’（mm／m）

1,2煤 39.78 0.334 0.00427 15.32 0.196

9煤 329.93 1.774 0.01450 127.02 1.038

7煤 230.95 1.172 0.00905 88.92 0.686

合计 599.45 3.280 0.02781 231.26 1.920

由表1中各煤层采空区残余沉降值得出，7#、9#煤层的残余沉降量较1#、2#煤层大，起控制作用。最大残余下沉值(Wm’)位于采空区上方的沉降盆地中心，不属于拟建工程建设用地范围。最大残余倾斜(im’)和最大残余水平位移(Um’)位于北部与西部位置，最大残余曲率(Km’)和最大残余水平变形(εm’)位于计算边界两侧的0.4r位置，均位于拟建电厂工程建设用地范围内。7、9煤采空边界处残余沉降量为196.2～199.9mm，最大剩余水平位移75.5～76.9mm，小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》标准规定的允许值。拐点连接线处的最大残余倾斜值(im’)为3.02～3.28mm/m，略大于规定的允许值3.0mm/m，对拟建建筑物构成危害。

3 研究区危险性分区及评价

由于该矿煤层开采充分，采空区分布面积大，且多层重复开采，地表变形破坏严重。根据研究区地表变形调查结果，4层煤(1、2、7、9煤)采空引起的累计沉降量达到8m以上。虽然工业广场院内的塌陷区已被人工填平，但养鱼池、游泳池的存在，工业广场西侧围墙外沉降形成的移动盆地以及北侧围墙外在沉降盆地基础上形成的人工河流拾新河，都保留了地面沉降的历史。因此必须对研究区进行采空区的危险性分区，以对拟建电厂建筑群的分布起到一定的指导作用，同时也为采空区的分区治理提供依据。

本次危险性分区主要考虑近些年来7、9煤采空引起的残余沉降变形特征，参考有无采空区、采空层数、煤层终采时间、和现场建筑物变形开裂情况，进行采空地面塌陷危险性分区。单种地质灾害以轻重程度划分危险性大小，两种或两种以上灾害就重不就轻来划分其危险性大小。根据采空区地表变形特征数值模拟计算结果，综合考虑采空变形预计数据、采空区平面分布、地面建筑物破坏情况等，将研究区分为3 个区(见图2)，即Ⅲ区(危险性大)、Ⅱ区(危险性中等)和Ⅰ区(危险性小)。

图2采空区建筑场地危险性分区图

(1)Ⅲ区(危险性大区)

该区为单层或多层煤层采空区。大面积分布在评价区的西部、北部地区。主要为1、2、7、9 煤三层或四层采空类型，局部为其双层、单层采空类型。7、9煤采空形成时间一般小于20 年；1、2 煤采空形成时间仅在西南部的局部地段小于20 年，其它地段均大于20 年。经现场调查，该区曾发生采空地面塌陷，残余沉降变形或 “活化”变形灾害的危险性大，场地适宜性差。

(2) Ⅱ区(危险性中等区)

该区为煤层采空区的拉伸及裂隙影响带，分布在Ⅰ区的，至Ⅲ区之间。该区西部为四层煤采空区，北部为单层煤采空区，西北部为双层煤采空区。受采空区残余沉降变形的影响，该区的倾斜变形或拉伸变形，可能发生引发建筑物的局部破坏。因此，场地适宜性中等，为基本适宜。

(3) Ⅰ区(危险性小区)

略呈半圆形分布于评价区中南部之某井工业广场中心部位。该区无采空区且不受采动影响。该区工程建设受采空地面沉降危害的可能性小，为建筑适宜场地。

5 结论

(1)通过进行地表残余变形量预计可知，拟建电厂场场地内地表最大剩余变形量为196.2～199.9m，最大剩余水平位移75.5～76.9mm，小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》标准规定的允许值。最大残余倾斜值(im’)为3.02～3.28mm/m，略大于规定的允许值3.0mm/m，可能对拟建建筑物构成危害。在附加建筑物地基荷载作用下，没有造成采空区上方覆岩发生进一步的塑性变形，并未引起采空区的“活化”变形。

(2)根据稳定性分析结果，将场地划分为3个大区。Ⅲ区残余沉降变形或 “活化”变形灾害的危险性大，场地适宜性差。Ⅱ区的倾斜变形或拉伸变形，可能发生引发建筑物的局部破坏。场地适宜性中等。Ⅰ区无采空区，受采空地面沉降危害的可能性小，为建筑适宜场地。

(3)结合采空区治理经验，可在研究区内地表变形较大位置处布置注浆钻孔，采用注浆加固技术对该区域上方破坏覆岩进行结构加固，使其形成整体梁结构而降低该处地基的水平及倾斜变形。拟建电厂构筑物中对于地基倾斜、不均匀变形等较敏感的辅助设施，应尽量避免建造在采空边界拐点位置及其两侧，此处发生地表的不均匀沉降最大。

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