淺部老采空區(qū)地表建設(shè)可行性評(píng)價(jià)

韓科明，李鳳明，譚勇強(qiáng)，徐乃忠

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)分院，北京 100013；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

煤層采出后，打破了巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成巖層的離層、斷裂、垮落、破碎。隨著時(shí)間的推移，其巖層結(jié)構(gòu)又達(dá)到新的平衡，但破損巖層的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度明顯低于原始強(qiáng)度。若破損巖層距離地表較遠(yuǎn)，地表的工程建設(shè)不會(huì)影響其穩(wěn)定性；但若破損巖體距離地表較近，地表的新增荷載向下傳遞會(huì)打破其平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地表產(chǎn)生新的移動(dòng)和變形，影響新建工程的安全[1-2]。本文針對(duì)淺部老采空區(qū)地表建設(shè)的可行性進(jìn)行了研究。

1 淺部老采空區(qū)地表建設(shè)可行性評(píng)價(jià)因素分析

在淺部老采空區(qū)地表建設(shè)，其荷載影響深度與裂縫帶已形成交叉，荷載直接作用在采空區(qū)破損巖層上，但并不能表示建筑物深部地基是不穩(wěn)定的。老采空區(qū)垮落后經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，深部地基的巖、土層均已經(jīng)過(guò)了相對(duì)劇烈的垮落，新的平衡狀態(tài)已形成，雖然巖塊間仍存有的空隙、裂縫及彎曲帶間有可能存在的離層、土層顆粒間仍不一定完全密實(shí)，但這類空隙、裂縫、離層及土顆粒間隙等隨著巖塊碎脹、土體顆粒在自重作用下由高密度區(qū)向低密度區(qū)移動(dòng)等小范圍的自身調(diào)節(jié)，深部地基的穩(wěn)定性逐漸增加，該過(guò)程將十分漫長(zhǎng)，并不會(huì)在后來(lái)修建的建筑物的基礎(chǔ)的持力層、下臥層土體中產(chǎn)生臺(tái)階、塌坑等非連續(xù)的變形，對(duì)后來(lái)修建的建筑物不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。新建建筑物荷載對(duì)老采空區(qū)覆巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響僅限于“縮短了采空區(qū)已垮落巖塊、上部覆巖破碎巖塊及空隙的進(jìn)一步壓實(shí)所需的時(shí)間”，而該部分巖塊及空隙的進(jìn)一步壓實(shí)，對(duì)建筑物的影響，也僅是增加了建筑物的附加沉降量，不會(huì)對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)成安全性影響。

老采空區(qū)殘留空隙失穩(wěn)引發(fā)的地表非連續(xù)變形是影響地表建筑物結(jié)構(gòu)安全的主要因素[3]。一般情況下，進(jìn)行深厚比較小的煤層、急傾斜煤層、露頭區(qū)煤層等的開采時(shí)，采空區(qū)垮落容易在地表形成塌坑、臺(tái)階狀裂縫等。地表的該類非連續(xù)變形如已充分發(fā)生，則對(duì)新修建的建筑物產(chǎn)生不利影響的潛在隱患基本消除，可以認(rèn)為采空區(qū)及所影響區(qū)域地層已處于穩(wěn)定性的逐步增強(qiáng)階段，對(duì)地表擬發(fā)生的殘余移動(dòng)變形充分預(yù)估，建筑物采取與之相適應(yīng)的抗采動(dòng)影響措施后在地表建設(shè)是可行的。若老采空區(qū)尚未完全垮落(包括部分開采形成的老采空區(qū)、長(zhǎng)壁開采的邊緣煤柱支撐區(qū)等)，由于淺部老采空區(qū)覆巖內(nèi)不存在彎曲帶巖層的整體性支撐或此類覆巖較薄不足以分散荷載的影響，荷載直接作用在破損巖體或者未完全垮落的空區(qū)上，致使殘留空區(qū)失穩(wěn)破壞，極有可能在地表產(chǎn)生非連續(xù)變形，對(duì)新建建筑物具有較大的潛在危害[3]。該種條件需核算荷載作用下的老采空區(qū)殘留煤柱和頂板的穩(wěn)定性，判斷殘留空區(qū)垮落是否在地表產(chǎn)生非連續(xù)變形，并預(yù)計(jì)地表發(fā)生的殘余移動(dòng)變形，在滿足經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的條件下才可建設(shè)。

因此，對(duì)于淺部老空區(qū)地表建設(shè)可行性主要評(píng)價(jià)有3個(gè)方面：老采空區(qū)是否已垮落壓實(shí)；若未完全垮落，其煤柱和頂板穩(wěn)定性如何，若失穩(wěn)，地表是否會(huì)產(chǎn)生非連續(xù)變形；若不產(chǎn)生非連續(xù)變形，地表殘余移動(dòng)變形是多少，建筑適宜性如何？

2 淺部老采空區(qū)地表建設(shè)可行性評(píng)價(jià)

2.1 荷載作用下的淺部老采空區(qū)失穩(wěn)條件分析

淺部煤層開采(特別是短壁和部分開采)，殘留了大量的未完全垮落的空區(qū)[4]，現(xiàn)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)?shù)乇碛凶銐虼蟮暮奢d影響時(shí)將打破原來(lái)的平衡，其失穩(wěn)形式主要為殘留煤柱失穩(wěn)破壞和殘留空洞覆巖失穩(wěn)整體垮塌。

2.1.1 殘留煤柱穩(wěn)定性分析

殘留煤柱的穩(wěn)定性取決于所承受的荷載和自身的強(qiáng)度。

煤柱上的荷載，是由煤柱上方巖層重量以及其相鄰空區(qū)上覆懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分巖層重量疊加地面新增荷載而構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 煤柱荷載計(jì)算示意

若煤柱兩側(cè)均為空區(qū)，當(dāng)H>L·cotδ/2時(shí)，煤柱上單位面積的荷載即平均應(yīng)力為：

(1)

式中,k為荷載系數(shù)，由于上覆巖層結(jié)構(gòu)一般具有一定的自承載能力，覆巖傳遞下來(lái)的自重應(yīng)力只是巖層自重應(yīng)力的一部分，當(dāng)煤柱兩側(cè)均為空區(qū)時(shí)，一般取巖層荷載傳遞系數(shù)為k=1/3；W為煤柱寬度，m；L為空區(qū)寬度，m；h為采空區(qū)巖層垮落高度，m；H為開采深度，m；l為建筑物長(zhǎng)度，m；q為建筑物均布荷載，kN/m2；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3。

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤柱強(qiáng)度是十分困難的。長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)煤柱強(qiáng)度的主要影響因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提出了許多計(jì)算煤柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式[5]，對(duì)于淺部老采空區(qū)煤柱的強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)具體條件選用。常用的有線性公式和指數(shù)公式：

(2)

(3)

式中,σp為煤柱強(qiáng)度，kPa；σm為現(xiàn)場(chǎng)立方體煤柱的臨界強(qiáng)度，kPa；hC為煤柱高度，m；A，B，a，b為無(wú)量綱量，且有A+B=1。

根據(jù)煤柱承受的荷載和自身的強(qiáng)度即可計(jì)算老采空區(qū)殘留煤柱的穩(wěn)定系數(shù)為：

(4)

當(dāng)F煤柱<1時(shí)，采空區(qū)殘留煤柱在建筑荷載的影響下會(huì)失穩(wěn)；當(dāng)11.5時(shí)，建筑荷載不會(huì)影響煤柱的原有穩(wěn)定性。

2.1.2 頂板穩(wěn)定性分析

淺部開采形成的老采空區(qū)，其覆巖受采動(dòng)影響大部分呈層狀碎裂或者散體結(jié)構(gòu)[6]。假設(shè)殘留煤柱有足夠的支撐能力，采空區(qū)上覆巖柱主要受巖柱與周圍巖體之間的摩擦力和黏聚力保持平衡。巖體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析力學(xué)模型

按平面問(wèn)題考慮，取另一方向?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度，則在荷載作用下頂板巖層保持平衡的極限條件為：

Q=G+S-T-R=0

(5)

式中，Q為采空區(qū)上方巖柱所受的垂向力；G為采空區(qū)上方巖柱的自重；S為采空區(qū)上方巖柱所受的建筑物影響的附加荷載；T為采空區(qū)上方巖柱側(cè)壁所受的摩擦力和黏聚力；R為采空區(qū)支撐力(煤柱支撐力及破碎巖體的支撐力)，一般不考慮，當(dāng)煤柱完整時(shí)取煤柱強(qiáng)度的30%。

根據(jù)模型條件，上式中各參數(shù)的計(jì)算方法為：

(6)

式中，z為采空區(qū)深度，m；φ為巖體的內(nèi)摩擦角，(°)；C為黏聚力， kN/m2；P為老采空區(qū)上方巖柱上的側(cè)向主動(dòng)壓力，kN。

老采空區(qū)側(cè)向主動(dòng)壓力的計(jì)算可根據(jù)經(jīng)典土力學(xué)理論[7]進(jìn)行，利用土力學(xué)公式得出的側(cè)向主動(dòng)壓力計(jì)算結(jié)果是偏于保守的，對(duì)于工程應(yīng)用是偏于安全的。假定未垮落采空區(qū)上方巖柱為彈性巖體，則有：

(7)

根據(jù)胡克定律：

(8)

當(dāng)εx=εy=0，有：

(9)

在平面問(wèn)題條件下，有：

(10)

則，采空區(qū)上方巖柱的側(cè)壁上所受的摩擦力和黏聚力為：

(11)

式中，μ為泊松比；E為彈性模量，kPa；σx，σy和σz為水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力，kPa；εx，εy和εz為水平應(yīng)變和鉛直應(yīng)變。

由此，可計(jì)算采空區(qū)頂板的穩(wěn)定系數(shù)：

(12)

當(dāng)F頂板<1時(shí)，采空區(qū)頂板在建筑荷載的影響下會(huì)失穩(wěn)；當(dāng)11.5時(shí)，建筑荷載不會(huì)影響頂板的原有穩(wěn)定性。

2.2 地表非連續(xù)變形分析

長(zhǎng)壁開采形成的老采空區(qū)邊界、部分開采形成的老采空區(qū)，由于煤柱或者巖體結(jié)構(gòu)的支撐，殘留空洞的上覆巖層還保持一定的結(jié)構(gòu)完整性，這類巖層受地面荷載作用失穩(wěn)垮落破壞是逐層向上發(fā)展的[8]。對(duì)于淺部老采空區(qū)，頂板巖層可視為簡(jiǎn)支梁，按對(duì)稱梁考慮，則，最大剪力發(fā)生在梁的兩端，最大值為：

τmax=3ql/4h

(13)

最大彎矩和最大拉應(yīng)力發(fā)生在梁的中央，最大彎矩為：

Mmax=ql2/8

(14)

最大拉應(yīng)力為：

σmax=3ql2/4h2

(15)

式中，τmax，Mmax，σmax分別為最大剪應(yīng)力、彎矩、拉應(yīng)力；q為巖梁承受的包括地面荷載在內(nèi)的覆巖均布荷載；l，h分別為巖梁的長(zhǎng)度和厚度。

當(dāng)最大拉應(yīng)力或者最大剪應(yīng)力達(dá)到或大于該巖層抗拉或抗壓強(qiáng)度極限時(shí)，巖層將斷裂垮落，逐層向上發(fā)展。

殘留空洞上覆巖層垮落后體積碎脹，當(dāng)垮落向上發(fā)展到一定高度，空洞被碎脹巖石充填，可以認(rèn)為空洞已被支撐而不再向上擴(kuò)展了。設(shè)采空區(qū)空間體積為V0，垮落體體積為V，兩者的關(guān)系為：

V·k=V0+V

可得：

V0=(k-1)V

(16)

式中，k為上覆巖體的碎脹系數(shù)，在常規(guī)地層條件下殘余碎脹系數(shù)一般為1.05～1.15[9-12]。

假定空洞范圍面積為S，空洞高度為M，垮落的覆巖高度為h，則有：

V0=S·M

(17)

V=S·h

(18)

將式(17)和式(18)代入式(16)，那么，空洞范圍被充滿并壓實(shí)所需的上覆巖層厚度為：

(19)

據(jù)此，當(dāng)空洞上覆巖層的厚度h覆巖>h充滿時(shí)，即使空洞覆巖失穩(wěn)垮落，在地表也不會(huì)產(chǎn)生非連續(xù)變形；當(dāng)空洞上覆巖層的厚度h覆巖

2.3 地表殘余移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

2.3.1 預(yù)計(jì)模型及計(jì)算方法

連續(xù)6個(gè)月下沉不超過(guò)30mm之后的地表移動(dòng)變形，稱為殘余移動(dòng)變形，它包括[13]：地表殘余移動(dòng)變形逐漸趨于零的過(guò)程中所產(chǎn)生的變形；受外力、地下水等影響，老采空區(qū)及覆巖活化在地表產(chǎn)生的新的移動(dòng)變形。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)老采空區(qū)殘余預(yù)測(cè)大多采用概率積分法，預(yù)測(cè)模型[14]如下：

(20)

W0=qmcosα

式中，W0為充分采動(dòng)時(shí)，地表移動(dòng)變形最大值；m為開采厚度，m；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角，(°)；r為主要影響半徑，r=H/tanβ；tanβ為主要影響范圍角正切；H為開采深度，m；x為以左側(cè)拐點(diǎn)為原點(diǎn)，指向工作面方向的x坐標(biāo)；l為計(jì)算工作面長(zhǎng)度，m。

應(yīng)用概率積分法計(jì)算淺部老采空區(qū)地表殘余移動(dòng)變形時(shí)一般分為兩類，一類是采空區(qū)已垮落，通常采用取合適的計(jì)算參數(shù)(根據(jù)覆巖巖性、巖體的碎脹系數(shù)、移動(dòng)期階段的實(shí)測(cè)參數(shù)及老采空區(qū)開采結(jié)束時(shí)間等來(lái)確定)的方法計(jì)算，即殘余變形系數(shù)法；另一類是采空區(qū)未完全垮落，計(jì)算參數(shù)取常規(guī)條件下的參數(shù)，計(jì)算厚度和范圍根據(jù)勘察結(jié)果選取，即等效厚度法[15]。

2.3.2 地表殘余移動(dòng)變形分區(qū)

對(duì)同類建(構(gòu))筑物，地表變形特征值越大，則受到的影響也越大[16]。地表變形由小到大的量變，會(huì)導(dǎo)致擬建建筑物建造成本的逐漸增加，不同變形特征值對(duì)應(yīng)的抗采動(dòng)影響建筑物的適宜性也不盡相同，從而影響到地表建設(shè)的可行性。

地表移動(dòng)與變形程度可根據(jù)地表水平變形值、地表傾斜值、地表曲率值劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個(gè)級(jí)別[14]：

若3項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)滿足水平變形∣ε∣≤2.0 mm/m，傾斜∣i∣≤3.0 mm/m，曲率∣k∣≤0.2×10-3/m，則為Ⅰ級(jí)地表變形區(qū)，適宜性好。

若3項(xiàng)指標(biāo)中，至少有一項(xiàng)指標(biāo)滿足：水平變形2.0<∣ε∣≤4.0 mm/m，或傾斜3.0<∣i∣≤6.0 mm/m，或曲率0.2×10-3<∣k∣≤0.4×10-3/m，則為Ⅱ級(jí)地表變形區(qū)，適宜性較好。

若3項(xiàng)指標(biāo)中至少有一項(xiàng)滿足：水平變形4.0<∣ε∣≤6.0 mm/m，或傾斜6.0<∣i∣≤10.0 mm/m，或曲率0.4×10-3<∣k∣≤0.6×10-3/m，則為Ⅲ級(jí)地表變形區(qū)，適宜性差。

若3項(xiàng)指標(biāo)中，至少有一項(xiàng)滿足：水平變形6.0 mm/m <∣ε∣，或傾斜10.0 mm/m <∣i∣，或曲率0.6×10-3/m <∣k∣，則為Ⅳ級(jí)地表變形區(qū)，在該區(qū)修建建筑物成本較高，不適宜修建。

3 淺部老采空區(qū)地表建設(shè)可行性評(píng)價(jià)分區(qū)及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

根據(jù)荷載影響下的老采區(qū)殘留空間及煤柱穩(wěn)定性、地表非連續(xù)變形和地表殘余變形分區(qū)，結(jié)合沉陷區(qū)利用采取的措施，將淺部老采空區(qū)地表建設(shè)劃分為以下3類區(qū)域：

Ⅰ 注漿治理后方可作建設(shè)場(chǎng)地的區(qū)域。主要是指在荷載影響下地表可能產(chǎn)生塌坑、臺(tái)階、大裂縫等非連續(xù)變形的區(qū)域。評(píng)價(jià)指標(biāo)：(1)老采空區(qū)未完全垮落，且h覆巖

Ⅱ 采取抗采動(dòng)影響措施后可作建設(shè)場(chǎng)地的區(qū)域。主要是指淺部老采空區(qū)地表不會(huì)產(chǎn)生非連續(xù)變形但殘余變形相對(duì)較大的區(qū)域。評(píng)價(jià)指標(biāo)：(1)老采空區(qū)未完全垮落，但h覆巖>h充滿且F煤柱>1.5且F頂板>1.5；Ⅱ或Ⅲ級(jí)地表殘余變形區(qū)。(2)老采空區(qū)已垮落；Ⅱ或Ⅲ級(jí)地表殘余變形區(qū)。這些區(qū)域可作為建設(shè)場(chǎng)地，但建筑物需采取與地表相適應(yīng)的抗采動(dòng)影響措施。

Ⅲ 推薦作建設(shè)場(chǎng)地的區(qū)域。評(píng)價(jià)指標(biāo)：(1)老采空區(qū)已垮落；(2)Ⅰ級(jí)地表殘余變形區(qū)。以上指標(biāo)需同時(shí)滿足，優(yōu)先推薦作為建設(shè)場(chǎng)地，但考慮到淺部老采空區(qū)的復(fù)雜性，仍需抗Ⅰ級(jí)殘余變形。

不同采煤方法的淺部老采空區(qū)地表建設(shè)可行性判定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。地質(zhì)構(gòu)造(如斷層)的影響本文未涉及，應(yīng)專門分析后判斷其可行性。

表1 淺部老采空區(qū)地表建設(shè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)及準(zhǔn)則

4 工程實(shí)例

遼寧省北票市某住宅小區(qū)擬建場(chǎng)地位于冠山煤礦開采形成的老采空區(qū)上方，擬建場(chǎng)地區(qū)域曾開采3，4，5A，5B，5C，8，9，10煤，各層采厚1.0～2.5m，傾角36°～44°，采深52～439m，開采時(shí)間為1990年前，采煤方法為單一長(zhǎng)壁采煤法。為查明采空區(qū)垮落、覆巖破損壓密情況，在區(qū)域內(nèi)施工11個(gè)鉆探孔。結(jié)果顯示，2個(gè)鉆孔有掉鉆現(xiàn)象(最大掉鉆高度1.5m)，其他鉆孔無(wú)掉鉆現(xiàn)象，但漏水嚴(yán)重，裂隙較為發(fā)育。根據(jù)表1中長(zhǎng)壁開采的評(píng)價(jià)指標(biāo)和準(zhǔn)則，對(duì)建筑荷載影響下的老采空區(qū)殘留空洞頂板穩(wěn)定性、地表非連續(xù)變形發(fā)生的可能性進(jìn)行了計(jì)算分析；采用殘余變形系數(shù)法和等效厚度法分別對(duì)老采空區(qū)已垮落的區(qū)和未完全垮落區(qū)進(jìn)行了地表殘余移動(dòng)變形的計(jì)算；最終劃分了4個(gè)建設(shè)區(qū)域，分別為：I～Ⅲ級(jí)抗變形建設(shè)區(qū)和注漿治理建設(shè)區(qū)。住宅小區(qū)開發(fā)單位根據(jù)評(píng)價(jià)成果采取了相應(yīng)的治理措施，新建了數(shù)十棟樓房(最高17層)，總建筑面積291945.80m2，于2013年底竣工，至今樓房完好，未出現(xiàn)任何采動(dòng)損壞現(xiàn)象。工程實(shí)例表明，淺部老采空區(qū)的地表建設(shè)，在對(duì)荷載影響下老采空區(qū)的穩(wěn)定性和地表殘余移動(dòng)變形的充分分析和預(yù)估下，采取相應(yīng)的治理措施，可以保證使用安全。

5 結(jié) 論

(1)淺部老采空區(qū)地表建設(shè)的可行性主要分析3個(gè)方面：老采空區(qū)及其覆巖是否已垮落壓實(shí)；若未完全垮落，其煤柱和空區(qū)穩(wěn)定性如何，若失穩(wěn)，地表是否會(huì)產(chǎn)生非連續(xù)變形；若不產(chǎn)生非連續(xù)變形，地表殘余移動(dòng)變形是多少，建筑適宜性如何？

(2)淺部老采空區(qū)在地表荷載的影響下的失穩(wěn)形式主要為殘留煤柱失穩(wěn)破壞、殘留空洞覆巖整體失穩(wěn)垮塌和覆巖逐層失穩(wěn)垮落破壞。本文推導(dǎo)了荷載影響的殘留煤柱失穩(wěn)和殘留空洞覆巖整體失穩(wěn)的判別公式；研究了殘留空洞上覆巖層逐層破斷向上發(fā)展的條件，推導(dǎo)了地表發(fā)生非連續(xù)變形的判別公式；指出淺部老采空區(qū)地表殘余移動(dòng)變形可采用殘余變形系數(shù)法或等效厚度法進(jìn)行計(jì)算。最終，根據(jù)不同采煤方法結(jié)合采取的措施給出了淺部老采空區(qū)地表建設(shè)可行性判定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。

(3)為緩解土地匱乏現(xiàn)狀，開發(fā)利用淺部老采空區(qū)地表進(jìn)行工程建設(shè)勢(shì)在必行。淺部開采多為舊時(shí)老窯和小煤礦開采，限于技術(shù)條件，遺留了大量的不規(guī)則煤柱和空洞，其結(jié)構(gòu)和力學(xué)環(huán)境異常復(fù)雜。因此，對(duì)于淺部老采空區(qū)的地表建設(shè)，應(yīng)引起相關(guān)部門的足夠重視。工程實(shí)例表明，對(duì)于淺部老采空區(qū)的地表建設(shè)，在對(duì)荷載影響下老采空區(qū)的穩(wěn)定性和地表殘余移動(dòng)變形的充分分析和預(yù)估的條件下，采取相應(yīng)的治理措施，可以保證使用安全。