李学良， 孙 光， 田迎斌

(1.中煤科工生态环境科技有限公司， 北京 100013； 2.煤炭科学研究总院，北京 100013； 3.中煤科工集团 唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012)

0 引 言

近年来，城镇化水平的不断提高极大的推动了基础建设的发展。然而，在一些资源型城市，由于土地资源的紧缺不得不考虑利用老采空区上方的土地。地下煤炭资源的开采对采空区周边及其覆岩的结构造成了极大破坏，在长时间的物理与力学平衡过程中其虽能达到相对稳定的状态，但在内外因素的影响下仍存在二次“活化”的可能。在采空区上方进行工程建设时，为确保安全，必须进行工程建设适宜性评价，同时，提出具体的防治措施[1-3]。多年来，国内外专家学者在采空区上方土地综合利用方面做了大量研究。国外大多采用房柱式开采，研究多集中在浅部房柱式开采的覆岩结构和房柱的稳定性、控制措施方面，在长壁式开采废弃采空区的工程建设利用方面相对较少。另外，国外在条带和房柱式采空区的地表主要是生态建设，工程建设相对较少。我国在采空区上方工程建设方面研究较多。滕永海等[4]提出了基于建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带发育高度关系的地基稳定性评价方法。张俊英[5]提出了基于应用模糊数学理论的地基稳定性综合评价方法。王磊等[6]提出了基于关键层理论的长壁垮落法开采老采空区地基稳定性评价方法。上述研究成果对采空区上方土地的工程建设利用起到了一定的指导作用。

采动地基稳定性评价是确定老采空区工程建设适宜性的重点和难点。虽然国内外学者开展了大量的研究工作，但其评价技术仍是尚未攻克的难题，需进一步进行系统研究。笔者以济宁市高新区某规划建设地块为例，对采空区工程建设适宜性进行综合评价。该区域具有一定的复杂性，其局部开采深度变化较大，开采终止时间距今相对较短，兼有长壁开采、条带开采等多种开采方式。鉴于地质采矿条件相对较为复杂，且采空区具有一定的隐蔽性，对该区域进行综合评价有一定难度。笔者全面考虑可能影响采空区工程建设的各种因素，并进行了较为详细的分析与验证，为类似复杂老采空区上方的工程建设提供思路。

1 工程概况

评价区位于济宁市高新区，所占地表范围大部分位于采空区上方及其附近。该区工程地质条件相对复杂，但不存在较大的地质构造，具体情况如下：

第四系表土层：地层厚度约为127.00～282.74 m，平均厚度约为201.91 m，主要由土、砂质土、土质砂、砂及砂砾层组成，属河、湖相沉积。由现场勘察报告可知，评价区内浅部地层地质条件相对较好，除局部表层含有少量杂填土不均匀外，岩土性质变化不大。

煤系地层：评价区涉及区域可采煤层共5层，在含煤地层中的位置可以明显的划分为上、下2个可采煤层组。主采煤层为上组煤的3下煤层，直接顶板主要为中砂岩，次为粉砂岩。底板均以泥质岩类和粉砂岩为主。其顶底板类型属中等类型。

采空区分布：评价区范围及周边仅开采3下煤层。主要涉及130、430及530等采区的工作面，采深为250.0～470.0 m，采厚3.2～5.0 m，煤层倾角大部分在3°～10°，开采时间2000年～2014年。评价区的东部区域地下为村庄下条带开采工作面，其他区域均为长壁综采工作面，如图1所示。

图1 评价区与采空区相对位置 Fig. 1 Relative position of evaluation area and underground working face

根据综合测井及钻孔电视等工作勘察成果，长壁开采采空区垮落较充分，采空区覆岩垮落较密实，处于充分垮落状态，覆岩破坏高度范围内主要存在垮落裂隙及少量的空间。项目区东北部条带采空区区域为非充分开采条件下的未充分垮落状态，垮落不充分，仍存有大量的采空区空洞，采空区内部仍存在较大空间或裂隙，采空区目前处于全部充水状态。所以本次评价需要充分考虑采空区、覆岩、开采沉陷特征等多方面因素。

本次评价工作主要依据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044—2014)中的相关规定，结合工作面终采时间、拟建工程与采空区的相互影响、开采沉陷预计分析等多个角度对工程建设的适宜性进行全面分析，最终在分析成果的基础上提出建设分区。

2 工程建设适宜性评价

2.1 基于终采时间的场地稳定性分析

地表移动延续时间的长短和变形数值的大小与开采深度、开采厚度、开采尺寸、覆岩性质、顶板管理方法等有关。基于采空区终采时间t对采空区场地稳定性等级[7-8]划分如下：当t<0.8T或t<365 d时，采空区场地稳定性等级为不稳定；当0.8T≤t≤1.2T且t>365 d时，采空区场地稳定性等级为基本稳定；当t>1.2T且t>730 d时，采空区场地稳定性等级不稳定。

考虑到评价区内已难以收集可靠的观测资料，故地表移动延续时间可按下式计算。

(1)

式中：T——地表移动延续时间，d；

H0——工作面平均采深，m。

评价区工作面平均开采深度为388 m，经计算，对应的地表移动延续时间为970 d(约2.7 a)，评价区地表达到基本稳定状态和稳定状态时对应的时间为776 d(约2.2 a)、1 164 d(约3.2 a)。

评价区涉及工作面最晚开采结束时间为2015年11月，故截至目前采空区地表已达到基本稳定-稳定状态，后续评价中仅需着重考虑其他因素，尤其是新增建筑荷载对老采空区稳定性的影响。

2.2 拟建工程对采空区稳定性的影响

由于评价区地下开采存在条带短壁冒落开采方式，不属于穿巷、房柱及单一巷道类型，故本次评价采用附加应力分析法。

2.2.1 顶板最大破坏高度

覆岩导水裂隙带高度(顶板最大破坏高度)应当依据实测数据分析确定，对无实测数据的矿区，可参考类似地质采矿条件矿区的实测数据、水体下开采成功经验或者依据覆岩类型按经验公式计算。

评价区范围及周边仅开采3下煤层，开采方式为综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。覆岩岩性主要为砂岩、泥岩、黏土岩等，按中硬岩考虑。采空区上方导水裂隙带高度Hli为

(2)

(3)

式中，ΣM——累计采厚，m。

经计算，评价区最大采厚为5.0 m，按式(2)计算导水裂隙带高度为49.0 m，按式(3)计算导水裂隙带高度为55.0 m，为确保安全，最终确定导水裂隙带高度为55.0 m。

2.2.2 荷载影响深度

评价区为规划用地，尚无详细建筑结构设计资料，故暂以常规建筑尺寸进行计算分析。

(1)住宅建筑

按照《住宅设计规范(GB50096—2011)》[9]规定10层及以上为高层住宅。此处以建设高层单元式住宅为例，假设高层建筑设置2层地下室，标准层高3 m，筏基或箱基埋深6 m，桩长30 m。一个单元宽度按15 m计，长度按25 m计。每层建筑平面荷载考虑为20 kPa。建筑荷载引起基底附加压力作用位置取在桩端处。当住宅由不同数量单元组成时，其不同层数建筑荷载影响深度Hz计算结果见表1。

表1 高层住宅建筑荷载影响深度

通过住宅楼不同层数建筑荷载影响深度计算结果的对比可以看出，随着层数的增加，建筑荷载影响深度也随之增加。

(2)大体型建筑

考虑到评价区可能会建设一些大体型的建筑物，比如厂房、公共建筑等。对于大体型建筑物，假设建(构)筑物的平面尺寸为100 m×50 m，单位面积荷重考虑为250 kPa。由于未进行地基工程勘察，基础埋置深度无法确定，暂以2种情况考虑：重大工程项目通常采用桩基础，假设桩基埋深20 m；一般工程项目通常采用浅基础，假设浅基埋深3 m。

假定整个大体型建筑荷重作用在给出的平面尺寸的矩形基础上，基础埋深按2种情况考虑，单位面积建筑荷重作为作用于基础底面(对于桩基础为20 m深处，对于浅基础为3 m深处)的平均附加压力，按均布矩形荷载计算地基附加应力F。经计算，大体型建筑采用深基础和浅基础时，建筑荷载影响深度Hz分别为66 m(表2)和57 m。记自重应力的10%为F0.1

表2 深基础建(构)筑物荷载影响深度

2.2.3 建筑荷载对采空区稳定性的影响

当3下煤层的采深大于建筑荷载影响深度与导水裂隙带高度之和Hlmc时，建筑物荷载一般不会影响裂隙带的稳定性；当3下煤层的实际采深小于Hlmc时，建筑物荷载将会影响导水裂隙带的稳定性。将Hli与Hz相加，可得建筑所需要的最小采深或临界采深Hlmc。当住宅建筑(15 m×75 m)为30层时，Hlmc最大，为128 m。

3下煤层采空区埋藏深度250～470 m，最小埋深250 m，导水裂隙带高度Hli=55 m，则垮落断裂带最小埋藏深度Hm=195 m。由于附加应力影响深度最大值Hz=73 m，则Hm/Hz=2.7>2.0，故根据附加应力分析法定量评价工程建设对采空区稳定性影响程度的评价结果为影响程度小。

2.3 采空区对拟建工程的影响

2.3.1 采空区特征及活化影响因素

(1)采空区特征

采空区采深250～470 m，平均采深360 m，采厚3.2～5.0 m，平均采厚4.1 m，深厚比H/M=88>80。由地表现有建构筑物的受影响程度可知，地表处于相对稳定状态。评价区地下采空区埋深较大，有数条较大的断层通过，由于第四系冲积层较厚，约200 m，可以忽略断层对于地表的影响。

出于安全考虑，同时为避免村庄搬迁，条带开采设计采留比定为采35 m、留55 m。根据条带开采工作面尺寸、煤柱尺寸、开采厚度和上覆岩层埋深等数据可计算煤柱的强度安全系数。条带开采区域的煤柱安全系数为2.29，满足大于1.5的要求，煤柱的宽高比13.8，也满足大于5的要求[7]。村庄下条带煤柱留设尺寸符合条带设计原则和稳定性要求，故在条带煤柱稳定情况下，地表一般不会发生非连续变形。

(2)活化影响因素

建筑荷载：据计算，评价区垮落断裂带埋藏深度为195 m，建筑荷载影响深度最大值为73 m，建筑荷载影响深度远小于垮落断裂带埋藏深度，且二者在位置上相距较远，故不会造成采空区活化。

地下水和风化作用：风化与水蚀对煤柱的影响是一个相对漫长的过程，短时间内煤柱的稳定性受二者的影响较小，且目前不具备定量分析的条件[10-11]，故此处暂不考虑。

重复采动和邻区采动：评价区仅开采一层煤即3下煤层，不存在重复采动影响。邻近煤矿采面距离评价区较远，不存在因邻近矿区开采而使评价区采空区活化的可能。

2.3.2 采空区地表残余变形

根据开采沉陷预计结果图2～4可知，评价区最大残余下沉量为300 mm(图2)，最大残余倾斜变形为2.1 mm/m(图3)，最大残余水平变形(拉伸)为2.1 mm/m(图4)，最大残余水平变形(压缩)为-2.6 mm/m(图4)。

图2 评价区残余下沉等值线Fig. 2 Contour of residual subsidence in evaluation area

图3 评价区残余倾斜等值线Fig. 3 Contour of residual inclination in evaluation area

因评价区内残余沉陷和变形值是从零逐渐过渡增大到最大值，最大值仅在评价区局部出现，故建(构)筑物最终将遭受Ⅰ～Ⅱ级破坏，地表残余变形对拟建工程的影响程度为小-中等-大。

3 工程建设利用分区

评价区内地势平坦，不存在因建筑边坡滑坡或坡脚隆起、基础临空面崩塌等影响地基基础稳定性的可能。评价区内采空区埋藏深度相对较深，桩基不会穿越采空区，故不存在开采沉陷残余变形引起的桩侧负摩阻力对于基桩的不利影响。评价区内建筑平面规划时，尽量使建(构)筑物位于预测残余沉降较均匀区域。评价区工程建设适宜性分区如图5所示。

图5 评价区建设适宜性分区Fig. 5 Construction suitability zoning of evaluation area

由上述分析结合多年来国内外工程实践经验认为：对于不受采动影响区域可正常施工建设；对于受采动影响的东部条带开采区域，埋藏深度较浅，弯曲下沉带下部不存在或仅存在较薄的完整岩层，计算的煤柱稳定系数为2.29，考虑煤柱长期浸水软化、风化等因素，煤柱的安全系数有降低的趋势，采空区若无注浆处理措施，建议该区域建筑高度不超过20 m(6层)，并采取抗变形技术措施；中北部、西北部长壁综采区域，工作面之间残留煤柱宽度很小，在覆岩压力下一般自然压垮，若无注浆处理措施，建议该区域建筑高度不超过50 m(16层)，并采取抗变形技术措施。

4 结 论

(1)评价区地表不会发生异常不均匀沉降，在条带开采区域建筑高度不超过20 m，长壁综采区域建筑高度不超过50 m的前提下，在采空区地表进行工程建设合理可行。

(2)采空区“活化”易受到内外多种因素的影响，尤其是条带采空区，煤柱经受风化、水蚀等作用易导致表层的剥落和尺寸的减少，在长期负荷作用下其强度及稳定性难以把握。在涉及到多种开采方式、开采深度变化大(尤其是浅埋煤层)、地表未稳沉等复杂开采条件下的工程建设时，必须综合考虑多种因素并进行专门的地基稳定性评价分析，重点区域辅以工程勘察。