基于極限殘余變形的濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)建設(shè)利用適宜性評估

張 豐， 李 亮，張 巖， 譚秀全，李愛軍

(1. 山東省魯南地質(zhì)工程勘查院(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊)，山東 濟(jì)寧 272100； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000；3. 自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)寧 272100)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城市擴(kuò)張的用地需求不斷增加，而煤炭資源型城市大片塌陷區(qū)的建設(shè)利用開發(fā)成為解決當(dāng)?shù)赜玫孛艿囊粋€重要途徑[1-4]。針對老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價及建設(shè)利用問題，國內(nèi)外專家學(xué)者做過很多深入的研究，薛丹丹等應(yīng)用數(shù)值模擬軟件，對黃土高原采空區(qū)上方的窯洞建筑穩(wěn)定性進(jìn)行計算，研究窯洞建筑受不同采動參數(shù)影響時沉降的變化規(guī)律[4]；康彥將FLAC軟件的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，便于采空區(qū)上方的土地資源得到高效利用[5]；蔡俊林應(yīng)用概率積分法對林場建設(shè)新址的地表沉陷進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，分析林場新址地基的穩(wěn)定性[6]；朱德福等計算煤層房式采空區(qū)中煤柱穩(wěn)定性，結(jié)合房式采空區(qū)煤柱群數(shù)值模擬結(jié)果，評價了煤礦房式采空區(qū)煤柱群穩(wěn)定性[7]；楊定明等從采空區(qū)三帶模型出發(fā)，對采空區(qū)地表變形機(jī)理及基本規(guī)律進(jìn)行研究[8]；董憲久基于功效系數(shù)法原理，采用三標(biāo)度改進(jìn)層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，建立了采空區(qū)穩(wěn)定性評判分級新模型[9]。

上述研究成果充分探討了采空區(qū)穩(wěn)定性的控制因素，分析了各種因素影響下采空區(qū)的變形過程，確定了采空區(qū)剩余變形量的計算方法，針對性地提出了適宜的采空區(qū)治理措施及地面建筑物抗變形措施，并成功指導(dǎo)了工程實(shí)踐，促進(jìn)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

但是，上述研究成果大多是針對某一具體工程項目開展具體分析的，濟(jì)寧市城市規(guī)劃區(qū)擬建范圍950 km2，截至2018年12 月，城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)涉及19 個煤礦共計1 958 個工作面，工作面水平投影總面積92.47 km2，采空區(qū)埋深170 m～1 200 m，開采煤層厚度0.8 m～10.2 m，開采方法有綜采、條采、充填開采等多種工藝。采用已有研究方法分析每個工作面對地表建設(shè)利用的穩(wěn)定性及適宜性評價可行性差，因此，本文探討一種適用于濟(jì)寧市城市規(guī)劃區(qū)的大范圍老采空區(qū)穩(wěn)定性評價及建設(shè)利用適宜性評價方法。

1 研究區(qū)域基本情況

2016年山東省人民政府批準(zhǔn)的《濟(jì)寧市城市總體規(guī)劃(2014-2030年)》確定的濟(jì)寧中心城市區(qū)范圍面積約為950 km2，包括任城區(qū)、兗州區(qū)，鄒城市、曲阜市、嘉祥縣的街道和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，城市規(guī)劃區(qū)用地發(fā)展方向?yàn)闁|融、西拓、南興、北延、中優(yōu)。東中西五區(qū)協(xié)同一體發(fā)展、南北新老城打造品質(zhì)生活。

城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)煤礦眾多，據(jù)調(diào)查城市規(guī)劃區(qū)涉及煤礦采礦權(quán)23 個。兗州煤田的開采歷史要早于濟(jì)寧煤田和寧陽～汶上煤田，兗州煤田興隆莊煤礦為最早投產(chǎn)煤礦，投產(chǎn)時間為1981 年。濟(jì)寧煤田安居煤礦為最晚投產(chǎn)煤礦，投產(chǎn)時間為2015 年。城市規(guī)劃區(qū)與煤礦礦區(qū)重疊面積約559.36 km2，占城市規(guī)劃區(qū)總面積的51.9%。城市規(guī)劃區(qū)與礦井的對照情況如圖1所示。根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃，擬在各礦的老采空區(qū)上方進(jìn)行各種不同類型建筑物的建設(shè)，需要評估采空區(qū)的穩(wěn)定情況和建設(shè)利用適宜性。

圖1 研究區(qū)域煤礦分布情況

2 老采空區(qū)極限殘余變形計算

2.1 極限殘余變形計算原理

已有研究成果表明，老采空區(qū)上方地表的殘余變形分為自然狀態(tài)下的緩慢蠕變變形和外界因素影響下的突然失穩(wěn)變形。緩慢蠕變變形時，地表沉陷可在確定適宜的殘余變形系數(shù)后采用概率積分法進(jìn)行計算；突然失穩(wěn)變形時，可將地層空間轉(zhuǎn)化為等價采厚后采用概率積分法進(jìn)行計算。

因此，無論是緩慢蠕變變形還是突然失穩(wěn)變形，均是地下空間向地表的釋放，釋放的過程均可以采用概率積分法進(jìn)行計算，不同點(diǎn)在于釋放的速率不同和總釋放空間量的不同。

極限殘余變形理論假定采出的煤炭資源體積和淺部土層失水固結(jié)體積，除去永久不可釋放的部分外，最終會全部釋放到地表。即煤炭資源采出體積可簡化為三部分：已沉陷空間、永遠(yuǎn)不可釋放空間和可釋放空間三部分，如圖2所示。

圖2 采出空間分布

極限殘余變形計算時，假定可釋放的殘余變形空間全部釋放到地表，不再考慮釋放時間因素，按最終結(jié)果評估采空區(qū)地基穩(wěn)定性和建筑利用適宜性。

2.2 采出空間的確定

無論對于何種規(guī)模的開采區(qū)域和任意開采方法，采出空間最為簡便的方法是利用該生產(chǎn)區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果中顯示的采煤量除以該區(qū)域的煤炭容重得到，也可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的采場布置、開采厚度和采出率等參數(shù)算出。

2.3 已沉陷空間的確定

在進(jìn)行地表已沉陷空間計算時，主要有兩類方法可采用：第一類利用研究區(qū)域沉陷前后地形數(shù)據(jù)求差獲取；第二類根據(jù)礦區(qū)開采沉陷觀測資料求取。

(1)基于地形數(shù)據(jù)的地表已沉陷空間計算

基于地形數(shù)據(jù)進(jìn)行地表沉陷空間計算時，核心問題是獲得研究區(qū)域開采沉陷前后的高程信息。在獲取的高程信息基礎(chǔ)上，分別建立研究區(qū)域沉陷前后的DEM，然后進(jìn)行DEM求差即可獲取沉陷體積。

開采沉陷前的高程數(shù)據(jù)通?？梢愿鶕?jù)研究區(qū)域存檔的原始大比例尺地形圖獲得，而沉陷后的高程數(shù)據(jù)則可以通過實(shí)地測量的方法獲取。

(2)基于開采沉陷數(shù)據(jù)的地表已沉陷空間計算

濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)各礦井積累了大量的實(shí)測地表觀測站數(shù)據(jù)，根據(jù)已有的觀測數(shù)據(jù)可以建立起適應(yīng)于對應(yīng)礦區(qū)的開采沉陷計算模型。根據(jù)開采沉陷計算模型和實(shí)測的參數(shù)，則可以計算出開采引起的地表沉陷體積。

2.4 不可釋放空間的計算

由于采空區(qū)上方巖層的碎脹作用及各種力學(xué)支撐結(jié)構(gòu)的存在，總有一部分采出空間將永久存在于巖層結(jié)構(gòu)中，這部分不可釋放空間以破碎巖體的殘余碎脹空間為主。在進(jìn)行殘余碎脹空間計算時，涉及到兩方面的內(nèi)容，一方面為破碎巖石體積的確定，另一方面為殘余碎脹系數(shù)的確定。

(1)破碎巖石體積的確定

采空區(qū)上方的巖層中，其破碎程度從下到上逐漸減小，其中垮落帶中的巖石破碎嚴(yán)重，層位錯亂，斷裂帶中巖石呈塊段狀破裂，層位不發(fā)生明顯變化，而彎曲帶中巖石破裂形態(tài)不明顯，因此在進(jìn)行破碎巖體碎脹計算時，可只考慮破碎嚴(yán)重的垮落帶內(nèi)巖體，對塊段狀破裂的斷裂帶和破裂不明顯的彎曲帶不予考慮。

在垮落帶高度確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)采場布置情況則可以計算出研究區(qū)域的破碎巖體體積。

(2)殘余碎脹系數(shù)的計算

巖石的碎脹系數(shù)與巖石的粒徑、巖性和圍巖壓力等密切相關(guān)，通過大量的統(tǒng)計分析[10]，部分巖石的殘余碎脹系數(shù)如表1所示。

表1 巖石的殘余碎脹系數(shù)

在確定了破碎巖體的體積和殘余碎脹系數(shù)后，巖石殘余碎脹所占用空間可采用破碎巖體體積與殘余碎脹系數(shù)中的小數(shù)部分相乘進(jìn)行計算。

2.5 濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)極限殘余變形計算

在進(jìn)行濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)極限殘余變形計算時，根據(jù)采空區(qū)類型，分別確定各采空區(qū)的可釋放空間。

(1)長壁采空區(qū)：根據(jù)區(qū)域?qū)崪y資料確定垮落斷裂帶高度，然后利用上述方法計算得出采空區(qū)上覆巖層中的可釋放空間；

(2)條帶開采區(qū)域：假定極端情況下，條帶煤柱的長期穩(wěn)定性無法保持，條帶煤柱碎落到周邊采空區(qū)，然后利用上述方法計算得出采空區(qū)上覆巖層中的可釋放空間；

(3)充填開采區(qū)域：根據(jù)充填材料的性質(zhì)將充填體的可壓縮量和充填時的懸頂距合并為等價采厚，然后利用上述方法計算得出采空區(qū)上覆巖層中的可釋放空間。

大量的實(shí)測資料表明，老采空區(qū)上方的地表殘余變形仍符合概率積分法規(guī)律。因此，依據(jù)上述方法確定出各工作面區(qū)域的極限剩余可釋放空間，利用各礦井實(shí)測的概率積分法參數(shù)，可計算得到濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)的殘余下沉,如圖3所示。變形情況不再一一列出。

圖3 濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)殘余下沉等值線圖

3 濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)穩(wěn)定性評價

《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中規(guī)定，采空區(qū)穩(wěn)定性評價需綜合分析采空區(qū)類型、開采條件、終采時間、地表移動變形特征、頂板巖性及覆蓋土層厚度等評價因子，采用開采條件判別法對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

綜合分析上述因素可知，采空區(qū)穩(wěn)定性評價的核心在于確定評估區(qū)域后續(xù)仍會產(chǎn)生多少剩余變形量。因此，以第三部分確定的老采空區(qū)殘余變形為主，綜合利用上述評價因子，對濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評價。評價時，只有各因子均滿足穩(wěn)定性條件，采空區(qū)綜合評價結(jié)果為穩(wěn)定；只要有一個因子達(dá)到不穩(wěn)定，則該區(qū)域評價結(jié)果為不穩(wěn)定；其余區(qū)域評價結(jié)果為基本穩(wěn)定。綜合評價結(jié)果如圖4所示。

圖4 濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)穩(wěn)定性評價結(jié)果

4 濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)建設(shè)利用適宜性評價

《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定，根據(jù)采空區(qū)場地穩(wěn)定性、地表變形特征及發(fā)展趨勢、地表移動變形值、采深或采深采厚比、垮落裂隙帶的密實(shí)狀態(tài)、活化影響因素，采用工程類比法、采空區(qū)特征判別法、活化影響因素分析法、地表剩余變形判別法等方法，開展適宜性評價工作。

評價的核心因素在于評估區(qū)域后續(xù)產(chǎn)生的變形量對擬建建筑物的影響，大部分指標(biāo)與采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標(biāo)重合。但是，濟(jì)寧市城市規(guī)劃區(qū)部分區(qū)域?yàn)楦邼撍粎^(qū)域，采煤塌陷區(qū)會出現(xiàn)大面積的積水，在積水區(qū)內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)是不切合實(shí)際的。因此，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查結(jié)果，確定評價區(qū)域的積水區(qū)，將積水區(qū)劃定為工程建設(shè)利用適宜性差的區(qū)域。

在確定積水區(qū)時，根據(jù)收集到的區(qū)域多年水文地質(zhì)資料，選用近些年最高水位2010年豐水期水位為準(zhǔn)，確定出各礦范圍內(nèi)對應(yīng)的積水區(qū)下沉量，如表2所示。當(dāng)沉陷值超過該下沉量時，則判定該區(qū)域?yàn)榉e水區(qū)，工程建設(shè)利用適宜性差。

表2 濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)各礦積水時下沉量

綜合利用上述各指標(biāo)對濟(jì)寧市城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)工程建設(shè)適宜性進(jìn)行評價。評價時遵循如下原則：(1)有一個及一個以上因子評價結(jié)果為“適宜性差”，則該區(qū)域評價結(jié)果為“適宜性差”；(2)所有因子評價結(jié)果均為“適宜”，則該區(qū)域評價結(jié)果為“適宜”；(3)除上述兩種情況外，其余區(qū)域評價結(jié)果為“基本適宜”。綜合評價結(jié)果如圖5所示。

圖5 濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)建設(shè)利用適宜性評價結(jié)果

5 結(jié) 論

通過對濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)大范圍老采空區(qū)建設(shè)利用適宜性評價問題開展研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)針對現(xiàn)有的采空區(qū)殘余變形計算方法進(jìn)行大范圍評價難度較大的問題，提出了一種采空區(qū)極限殘余變形計算方法，并分別給出了長壁采空區(qū)、條帶采空區(qū)和充填采空區(qū)計算原則。

(2)在極限殘余變形計算的基礎(chǔ)上，利用采空區(qū)穩(wěn)定性評價各因子綜合評價了濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)老采空區(qū)的地基穩(wěn)定性。

(3)基于區(qū)域水文資料，確定了各礦井的積水沉陷深度，并綜合其它因素進(jìn)行了濟(jì)寧城市規(guī)劃區(qū)采空區(qū)建設(shè)利用適宜性評價。