采煤塌陷區(qū)場地工程建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估

殷 強

(安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011)

為節(jié)約土地資源，使采煤塌陷區(qū)土地得到有效利用，濉溪建設(shè)投資控股集團公司擬在淮北市孟山南路采煤塌陷區(qū)場地施工建設(shè)康養(yǎng)小鎮(zhèn)項目。本次工作的目的是為保護地質(zhì)環(huán)境，防治地質(zhì)災(zāi)害，避免工程建設(shè)引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害及遭受地質(zhì)災(zāi)害的侵害，減少因不合理工程活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給人民生命財產(chǎn)造成的損失，保障建設(shè)工程安全、正常建設(shè)和運營。

1 工程概況

本項目建設(shè)總投資額2億元，占地面積約510畝，規(guī)劃總建筑面積約180 000 m2，主要建設(shè)以養(yǎng)老公寓、幼教、醫(yī)療等多層、低層建筑為主以及道路、水景、綠化、游園等室外活動輔助設(shè)施。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

評估區(qū)位于淮北平原，地貌單元為泛濫坡平地，地形較平坦，微波狀起伏，地勢由北西向南東微傾；地表全部由全新統(tǒng)蚌埠組的粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土和黏土覆蓋。成因類型為黃河泛濫堆積成因。

地層屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)徐淮地層分區(qū)之淮北地層小區(qū)。分布的地層主要有震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和第四系。除震旦系、寒武系、奧陶系在低山、丘陵區(qū)有不同程度的出露地表外，其余均隱伏于第四系之下。

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造包含褶皺和斷層，評估區(qū)位于徐宿弧形構(gòu)造的中段，閘河復(fù)式向斜中、東部。閘河向斜總體呈北北東向展布，長約28 km，復(fù)式向斜寬約10 km，核部地層為二疊系上、下石盒子組，地層傾角西翼較平緩，為10°～20°，東翼陡于西翼，傾角為40°～70°；斷裂構(gòu)造以北北東向斷層和近東西向斷層為主，近東西向斷層切割北北東向斷層。評估區(qū)附近較大斷層有3條，其中北北東向斷層1條，為徐宿弧形構(gòu)造的組成部分，近東西向斷層2條。

3 采空塌陷區(qū)危險性現(xiàn)狀評估

評估區(qū)深部發(fā)育有5煤層和6煤層，兩煤層均受巖漿巖侵入，蝕變?yōu)樘烊唤梗?煤層僅局部可采，6煤層大部可采。根據(jù)淮北礦業(yè)集團資料結(jié)合本次調(diào)查，評估區(qū)下為楊莊煤礦NⅡ522、NⅡ523采區(qū)(開采時間1992～1997年，共開采6年，目前已停采近20年，目前區(qū)內(nèi)無礦山開采活動)，開采深度-465 m，煤厚平均2.04 m。受巖漿巖侵入和構(gòu)造影響，開采工作面不連續(xù)，于1997結(jié)束開采，開采區(qū)已經(jīng)初步達(dá)到穩(wěn)沉階段，最大沉降深度2.5 m。根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查，目前大部分塌陷坑用做漁場及水塘，也有部分已回填。評估區(qū)范圍內(nèi)，在地表未見明顯的塌陷坑和積水洼地，僅部分房屋、道路有開裂現(xiàn)象。

4 工程建設(shè)中、建設(shè)后可能加劇采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估

淮北市康養(yǎng)小鎮(zhèn)建設(shè)項目位于楊莊礦采空塌陷范圍內(nèi)。當(dāng)煤層開采引起的移動與破壞穩(wěn)定后，按巖層破壞程度的不同可分為三個不同的影響帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。

根據(jù)淮北礦區(qū)實際觀測資料，當(dāng)開采第一層煤時，冒落帶、裂隙帶總高度一般為采厚的14.0～16.5倍，如再開采第二層煤(重復(fù)開采)時，此值將明顯遞減。評估區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層厚約70m，其下方煤層開采深度為496 m，煤層平均厚度按2.88 m計，兩帶總高度為47.5 m。

采空塌陷在形成過程中，塌陷盆地的各部位均經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變過程，垂向移動與水平移動交相作用，巖土體結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，即使在開采結(jié)束后經(jīng)過了較長時間的自然壓實，采空區(qū)及其上覆巖體中依然存在殘留空間、離層、裂縫和冒落帶的欠壓密、空隙中飽水等現(xiàn)象，存在殘余沉降空間(殘余沉降量)。在這種破損地基條件下興建大型建筑物時，建筑物的建造使地基原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，新增建筑物荷載可能改變采空區(qū)破裂巖體的應(yīng)力環(huán)境，并可能加劇破裂巖體的二次變形，從而影響建筑物的安全。

由于淮北市康養(yǎng)小鎮(zhèn)建設(shè)項目較簡單，建筑工程荷載較小，其荷載傳遞深度較小，而本區(qū)采空區(qū)冒、裂兩帶最小埋深一般大于449 m，而房屋建設(shè)影響層深度一般不會超過20 m，因此可以認(rèn)為上部建筑物荷載一般不會傳遞到老采空區(qū)，使老采空區(qū)因受力而“活化”。因此，淮北市康養(yǎng)小鎮(zhèn)建設(shè)項目不會加劇采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

5 工程建設(shè)可能遭受采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估

自1997年楊莊煤礦關(guān)閉后，目前評估區(qū)及周邊沒有采礦活動，但楊莊煤礦采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害可能對評估區(qū)內(nèi)工程建設(shè)造成影響。

為保證新建建筑物的安全，淮北礦業(yè)集團公司對評估區(qū)周邊楊莊礦地面沉陷變形進行了預(yù)測，計算方法采用概率積分、法負(fù)指數(shù)函數(shù)法和威布分布法，建立模型，通過中國礦業(yè)大學(xué)專業(yè)軟件分析計算，預(yù)測如下：

(1)地表沉陷預(yù)測模型。根據(jù)對淮北礦區(qū)長期的地表移動實測成果資料的研究分析，結(jié)合淮北礦區(qū)地質(zhì)采礦條件，本區(qū)開采引起的地表移動和變形分布特征符合地表移動的一般規(guī)律，本區(qū)地表移動規(guī)律基本符合概率積分模型，因此本區(qū)的地表移動和變形預(yù)計采用概率積分法預(yù)測模型。同時概率積分法也是《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定的計算方法。

(2)地表沉陷預(yù)計參數(shù)。根據(jù)淮北礦區(qū)實際資料，計算地表移動時,地表沉陷預(yù)計采用的參數(shù)為：下沉系數(shù)取1.0，主要影響角正切取1.8，開采影響傳播角為84°，水平移動系數(shù)為0.35，拐點偏移距s為0。

(3)采空塌陷區(qū)影響范圍預(yù)測。依據(jù)國家煤炭工業(yè)局2000年出版的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的開采傾斜煤層地表下沉盆地和變形值計算公式：

r=H1/tgβ1+H2/tgβ2(1)

式中：r為主要影響半徑；H1為松散層厚度；H2為基巖層厚度；β1為松散層移動角；β2為上、下山移動角。

參照相鄰的楊莊煤礦實測數(shù)據(jù)，且與淮北煤礦的經(jīng)驗值相結(jié)合，可取松散層移動角β1=40°，上山移動角β2=75°，下山移動角β2=(上山移動角-0.7α)=(75°-0.7×8°)=69.4°。礦區(qū)松散層平均厚度為H1=74 m，下山處基巖厚度H2=422 m，可估算出下山處影響半徑r=232 m。

(4)塌陷區(qū)深度預(yù)測。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》有關(guān)公式：

(2)

式中：q為下沉系數(shù)；Wcm為最大下沉值；M為煤層的平均厚度；α為煤層傾角。

參照相鄰的楊莊煤礦實測數(shù)據(jù)，且與當(dāng)?shù)孛旱V的經(jīng)驗值相結(jié)合，取下沉系數(shù)q=1。煤層平均厚度約為2.88 m，傾角α=8°，計算塌陷區(qū)最大下沉深度：Wcm=2.85 m。

(5)預(yù)測成果。根據(jù)計算，預(yù)計地表最大沉陷值為2 850 mm，最大傾斜值為7.0 mm/m，最大水平變形值為5.5 mm/m，最大曲率為0.5。

(6)采礦地面塌陷預(yù)測結(jié)論比對。根據(jù)收集的《淮北市相南金巖小區(qū)規(guī)劃項目地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告》、《淮北市金御華府住宅小區(qū)建設(shè)工程地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告》及《安徽省淮北市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃》，區(qū)內(nèi)殘余塌陷變形深度均在0.5 m左右，可與計算結(jié)果相互印證。

(7)預(yù)測結(jié)論。根據(jù)上述采空塌陷范圍預(yù)測、塌陷深度預(yù)測，評估區(qū)受采空塌陷影響范圍較大，預(yù)測塌陷影響深度1.3～2.9 m，目前最大已沉陷2.5 m，仍有繼續(xù)沉降可能。最大殘余形變量為0.4 m，預(yù)測淮北市康養(yǎng)小鎮(zhèn)建設(shè)項目可能遭受采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害，其危害性、危險性等級均為中等級。

6 防治措施

對于區(qū)內(nèi)的多層建筑，承重墻體縱、橫方向宜對稱布置，盡量減小橫墻間距、層間、檐口圈梁和立柱；墻體轉(zhuǎn)角、丁字和十字連接處應(yīng)沿高度增設(shè)接結(jié)鋼筋，門窗洞口上、下應(yīng)增設(shè)拉結(jié)鋼筋；養(yǎng)老公寓、幼教、醫(yī)療等多層建筑宜設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)；在技術(shù)和施工條件許可時，建筑物長軸應(yīng)平行于地表下沉等值線；基礎(chǔ)內(nèi)一般宜設(shè)置水平滑動層，同一單體內(nèi)位于同一標(biāo)高上；應(yīng)對地基的長期穩(wěn)定性進行評價，加強勘察、深測工作，并采用抗殘余變形、活化變形的加強保護措施；地下管網(wǎng)應(yīng)采取適當(dāng)保護措施，如管接頭處設(shè)置柔性接頭或補償器、增設(shè)附加閥門、建立環(huán)形管網(wǎng)、修筑管溝等，環(huán)境和氣候條件允許時，優(yōu)先采用地面管網(wǎng)。

7 結(jié)語

在采空塌陷區(qū)進行工程建設(shè)，可充分提高土地的有效利用率，符合國家節(jié)約集約用地政策。該項目地質(zhì)災(zāi)害評估工作的重點是在充分搜集資料，調(diào)查訪問的基礎(chǔ)上，對采空塌陷區(qū)危險性進行定量評估。通過開展地質(zhì)災(zāi)害評估工作，從源頭上控制和減少因不合理工程活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害以及工程建設(shè)遭受地質(zhì)災(zāi)害的危害，為當(dāng)?shù)卣块T和建設(shè)單位預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害、最大限度地降低工程風(fēng)險和維護費用提供依據(jù)，達(dá)到了評估工程的目的，可為類似工程地質(zhì)災(zāi)害評估工作提供借鑒。