山东某煤矿老采空区上方大型工程建设案例

2022-04-01陈绍杰张立波尹大伟高志友郭惟嘉

煤炭学报 2022年3期

陈绍杰，张立波，江宁，尹大伟，高志友,2，郭惟嘉，ХОРЕШОК Алексей Алексеевич

(1.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛 266590；2.山东省地矿工程集团有限公司，山东济南 250200；3.库兹巴斯国立技术大学矿业工程学院，俄罗斯克麦罗沃市 650000)

煤炭资源开采后在地下形成采空区，这种不良地质体的产生和存在对地表建(构)筑物的安全修建和稳定运营产生严重威胁。采煤沉陷区是指煤炭开采导致地表沉陷深度大于10 mm的区域，采煤沉陷区内因地下煤炭开采导致减产和绝产的农用地以及受影响的建设用地和未利用地称为采煤塌陷地。目前，我国采煤沉陷区面积已达20 000 km，分布在23个省(市区)151个县(市区)，部分城市的采煤沉陷面积超过其区域总面积的10%，这严重影响区域经济持续健康发展、社会和谐稳定以及人民生活水平提升。习近平总书记在抚顺考察时作出重要指示，开展采煤沉陷区综合治理，要本着科学的态度和精神，搞好评估论证，做好整合利用这篇大文章。目前，大多数矿业城市转型发展空间受限、建设用地不足等问题日益凸显，迫切需要开展采煤塌陷地建设利用，保障城市建设用地供应，促进城市转型发展。

近年来，众多学者对采煤塌陷地治理与利用开展了大量的研究工作。胡炳南等通过采煤沉陷区调研和建筑利用需求分析，总结归纳了沉陷区建筑利用关键技术；李树志等基于济宁市采煤塌陷地损毁特征，提出了适用于济宁市采煤塌陷地的综合治理模式；徐艳等对我国采煤塌陷区生态修复技术进行了分类与评价；王剑龙等采用景观格局指数定量分析了太平国家湿地公园的景观格局和空间异质变化，探讨了生态修复景观格局变化及其研究方法；渠俊峰等从生态和社会角度揭示了沛北矿区水土资源的演替规律，为该区域土地生态治理提供依据；滕永海等提出了建筑荷载影响深度与采空覆岩垮落裂缝带高度是否重叠的采空区地基稳定性评价方法；郭文兵等研究并实施了高耸构筑物地基精准注浆加固技术，有效保护了采空区上方广播电视信号铁塔；李东阳等通过超载破坏试验研究了某城市地下小型采空区的岩层稳定性；王正帅研究了老采空区进入衰退期后概率积分参数的时变规律，进而评价了老采空区上方建筑地基稳定性；江宁研究了建筑荷载作用下长壁老采空区失稳机理，提出了注浆加固治理技术；朱磊等提出了垮落带矸石浆体充填技术，研究了不同浓度矸石浆体在采空区垮落岩块间空隙内的流动扩散规律。

上述研究为采煤塌陷地治理与利用提供了理论与技术支撑。我国现有的采煤塌陷地治理与利用模式主要为土地复垦或构建湿地公园等，小体量建(构)筑物已成功在塌陷地上修建。笔者以山东某地采煤塌陷地大型工程建设利用为例，首先对采空区进行了精细勘查，在揭示3层采空区赋存特征的基础上，分析了地表残余变形对拟建建筑物稳定性以及建筑荷载对采空地层稳定性的影响，评价了建筑场地稳定性；采用“无压自流+加压扩散”高效注浆技术与工艺对3层采空地层进行加固治理；分析了拟建的大跨度、高层建筑受采空区地表变形影响特征，进行了相应的抗变形设计；实现了大跨度、高标准数据处理中心以及22层综合楼等大型建筑群在3层采空区上的安全修建与运营。

1 工程背景

1.1 拟建建筑物情况

研究区内拟建建筑物与采空区的相对位置如图1所示，建筑物概念性规划设计如图2所示。研究区占地129亩，建筑面积82 000 m，主要包括北部东西向排列的4栋高层建筑物，其层数分别为22层(69 m)、18层(56 m)、14层(45 m)和18层(56 m)，南部和东部为多栋小型建筑，层数均小于6层，西部为数据处理中心，为现浇钢筋混凝土多层多跨框架结构，平面尺寸65 m×85 m，地下1层、地上4层，该数据中心须满足国标A级及国际Uptime institute Tier Standard Ⅲ数据中心设计规范要求。

图1 研究区拟建建筑物情况Fig.1 Situation of proposed buildings in the study area

图2 建筑物概念性规划设计Fig.2 Building conceptual planning and design

1.2 煤层及工程地质情况

研究区地层综合柱状图如图3所示，区内共开采3层煤，分别为4，9和10-2煤层。4煤层赋存于山西组中下部，埋深在22～60 m，平均厚度为0.67 m，遭受剥蚀严重，属于不稳定的局部可采煤层，顶板为粉砂岩，底板为黏土岩，煤层开采历史较长，1972年勘查时已经存在老采空区，开采时间截止到2003年。9煤层赋存于太原组下部，埋深在102～185 m，平均厚度为0.90 m，煤层结构简单，属较稳定煤层，开采时间自2007—2013年。10-2煤层赋存于太原组下部，埋深在137～210 m，平均厚度为1.18 m，煤层结构简单，属较稳定煤层，开采时间自2002—2013年。

研究区内岩、土体按工程地质特征，大体分为岩体和土体2种类型。岩层主要为石炭、二叠系地层，二者呈不整合接触；岩性为坚硬厚层状灰岩或坚硬-半坚硬砂岩、泥岩夹薄层灰岩，未发现胀缩性土及其他特殊土，其岩层的工程地质条件较好，为较好的天然地基持力层，可作为一般工程建筑的天然地基。该区位于山前倾斜平原，土层厚度12～35 m，总体上由南向北增厚；土体主要为粉质黏土、黏土和粉土，呈松散状，力学强度较低，且层位比较复杂，工程地质条件及地基承载力变化较大。

注：数据格式图3 地层综合柱状Fig.3 Comprehensive histogram of stratum

2 采空区精细勘查

2.1 地球物理综合勘查

在对拟建区域采空区调查与测绘基础上，采用高密度电法、大地电磁法、瞬变电磁法等多种地球物理勘查方法对采空区进行勘查，并采用钻探进一步验证、完善勘查结果，确定采空区范围和特征。研究区测线与钻孔布置如图4所示。

地球物理综合勘查结果如图5所示，勘查范围内电阻率等值线呈由西向东倾斜的特征，这与该区域地层倾向基本一致。煤层开采后，地层电性发生变化，导致局部电阻率等值线倾向特征发生改变，据此可推断解释采空区分布位置及深度。高密度电法勘查结果显示，电阻率等值线层状形态明显，自地表至深部逐渐增大，反映了浅部第四系、深部基岩不同电性特征，在研究区域中、东部浅部地层出现低阻反映，结合已有地质资料，推断确定为4煤层采空区。根据大地电磁探测法勘查结果(图5(a))，勘查范围内主要分布有4条断裂结构，水平0～52 m、埋深100～134 m，水平150～275 m、埋深120～161 m，水平328～479 m、埋深144～175 m范围的低阻反映，结合已有地质资料，推断确定为9煤层采空区。根据瞬变电磁法勘查结果(图5(b))，水平0～35 m、埋深115～135 m，水平100～250 m、埋深130～165 m，水平325～520 m、埋深150～185 m以及水平575～644 m、埋深182～194 m等范围出现低阻反映，结合已有地质资料，推断确定为9煤层采空区。

图4 研究区测线与钻孔布置Fig.4 Layout of survey lines and boreholes in the study area

图5 物探结果Fig.5 Results of geophysical prospecting

2.2 钻探勘查

对研究范围进行钻探钻探勘查，钻孔钻遇各煤层采空区时出现进尺快、全漏水、岩心破碎，部分钻孔有掉钻现象，个别钻孔打出了支护木棍、布条等采矿遗留物品。钻探明确了五至一灰及4煤层、9煤层、10-2 煤层或采空区，对比钻孔资料及各标志层，确定了研究区内揭露的煤层或采空区的特征：4煤层采空区主要位于研究区中东部；9煤层采空区分布不连续，在研究区西部和东部均有较大范围分布；10-2煤层采空区零星分布于研究区南侧。钻探结果基本验证了地球物理勘查结果。

对钻孔进行孔内电视观测，结果如图6所示，发现孔壁破碎、不完整、有空洞等采空区特征，4煤层采空区未发现积水，东部9煤层采空区、10-2煤层采空区积水水位距地表103.60～111.50 m，西部9煤层采空区水位距地表88.40～95.00 m，水位以下采空区均已充水。

图6 钻孔电视观测结果Fig.6 Results of drilling TV

通过地球物理综合勘探的剖面异常特征解释和钻探异常结果分析，获得研究范围内采空区赋存特征及参数见表1。

表1 研究区内采空区情况

3 塌陷地大型建筑场地稳定性评价

3.1 地表残余变形对拟建建筑稳定性影响分析

根据颗粒体介质力学理论，假设在岩层移动变形过程结束后所有采动空隙均被充分充填并压实，形成的地表移动盆地应是理想的随机介质模型(概率积分模型)下沉分布形式，如图7中曲线′()，最大下沉量等于煤层开采厚度与极限下沉系数′的乘积。

图7 采空区上方理想下沉和实际下沉曲线[3]Fig.7 Ideal and actual sinking curves above the goaf[3]

地表极限下沉分布曲线为

(1)

式中，′()为理想的随机介质模型下沉曲线；为煤层开采厚度，m；′为极限下沉系数；erf为误差函数；为主要影响半径，m；为距采空区边界的距离，m。

在采矿过程中，由于破裂岩体碎胀和采空区边界处顶板不充分垮落作用，地表实际下沉曲线为

(2)

式中，()为实际的随机介质模型下沉曲线；为一般下沉系数，<′<1；为拐点偏移距，m。

因此，采空区“活化”引起的地表附加下沉()为

()=′()-()=

(3)

采空区“活化”引起的地表附加水平变形()和倾斜变形()分别为

(4)

式中，为水平移动系数。

概率积分法计算地表移动与变形值所需的5个基本参数分别为下沉系数、主要影响角正切tan、水平移动系数、开采影响传播角和拐点偏移距，研究区域残余变形计算参数取值见表2，其中，为煤层开采深度。

表2 残余变形参数

根据式(3)和(4)，获得研究区地表因采空区“活化”引起的附加下沉为260 mm，附加水平变形(东西)为1.0 mm/m，附加水平变形(南北)为-1.1 mm/m，附加倾斜变形(东西)为1.8 mm/m，附加倾斜变形(南北)为1.8 mm/m，其中，附加下沉值超过了《建筑地基基础设计规范》允许的多层及高层建筑物在施工和使用期间地基变形要求，若不对采空区进行处理，将威胁新建建筑物的安全修建与使用。

3.2 建筑荷载对采空地层稳定性影响分析

地下煤层采出后，当地表半年内累计下沉量小于30 mm时，可认为地表移动期基本结束。在此采空区地表不进行大规模工程建设时，地表会长期保持这种稳定状态。若在此采空区地表新建建(构)筑物，当建筑荷载影响深度与采空区覆岩垮落裂缝带高度发生重叠时，采空地层将发生活化失稳，导致地表再次发生较大不均匀沉降。

裂隙带发育高度主要与煤层厚度、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等有关，参照《建筑物、水体、铁路及井巷煤柱留设与压煤开采规范》，选取如下公式计算：

(5)

式中，为裂隙带发育高度，m；∑为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m。

地基中自重应力用下式计算：

=++…+

(6)

式中，，，…，为地基中自上而下各层土或岩石的容重，kN/m；，，…，为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m。

基底附加应力按下式计算：

(7)

式中,为竖向附加应力系数；作用于基础底面平均附加压力，kN/m。

(8)

式中，为建筑物基础底面处竖向均布荷载，kN/m；为基础底面标高以上天然土层的容重，kN/m；为基础埋深，m。

图8 建筑荷载附加应力影响深度与采空区关系Fig.8 Relationship between the depth of the additional stress of building load and the mined-out area

研究区内第四系表土层厚度约为10 m，容重为20 kN/m；表土层以下岩层计算容重取25 kN/m，地下水位以下岩层取浮容重为15 kN/m，根据式(5)，(7)计算得出，研究区9煤层采空区裂缝带高度最大为26 m，建筑荷载影响深度最大为66 m，2者之和为92 m，而该区域范围内9煤层采空区与上覆4煤层采空区最小间距85 m(西部)，最大间距130 m(东部)，如图8所示，其中，为建筑物荷载；为地下岩层的自重应力。因此，研究区域范围内部分建筑物地基稳定性差，若不对采空区进行处理，将威胁新建建筑物的安全修建与使用。

4 采空地层高效注浆加固治理技术与工艺

4.1 注浆加固治理范围

为有效治理研究区内采空地层，根据建筑物尺寸、保护等级及与采空区位置关系，进行注浆范围计算。区域内煤层较为平缓，平均倾角10°，第四系松散层移动角取45°，基岩移动角取70°，采用垂直剖面法，计算采空地层注浆加固治理范围：

=+2+′

(9)

式中，为采空地层水平处理范围，m；为建(构)筑物轮廓宽度，m；为维护带宽度，m；′为采空区覆岩移动影响宽度，m。

对于研究区内采空区重叠部分，2者范围取并集，上下采空区共用同一注浆孔，在下层采空地层治理结束后进行上层采空地层治理；兼顾地表建筑物的重要等级及修建顺序，确定采空地层注浆治理范围，如图9所示。采空地层治理深度至采空区底板以下2 m，治理范围包括采空地层中的残余空区和裂缝，注浆深度及层位如图10所示。

图9 治理范围和钻孔布置Fig.9 Governance scope and drilling layout

图10 注浆深度及层位Fig.10 Grouting depth and position

4.2 注浆加固治理工艺

研究区内分布有4，9，10-2煤层采空区，且采空区存在重叠区域，其中：10-2煤层采空区呈零星分布，与9煤层采空区相距较近甚至部分重合，因此将10-2煤层采空区与上部9煤层采空区作为一个注浆层位；4，9煤层采空区相距较远，将2者作为不同的注浆层位，全区共分成上述2个注浆层位。对于多个注浆层位，采用“一次成孔、上行注浆”方法；对于单个注浆层位，采用“一次成孔、一次注浆”方法。

..工艺流程

(1)布置钻孔。根据前期试验结果，浆液有效扩散半径为10～20 m，以此设计钻孔间距。在地面东西走向注浆钻孔布设间距为25 m，在南北走向注浆钻孔布设间距为20 m，呈矩形布置；帷幕孔间距均为15 m。为进一步保证建筑物的安全，在数据处理中心区域采空地层进行加密注浆治理，研究区内注浆钻孔布置如图9所示。

(2)选择注浆材料。由于粉煤灰压缩系数小且就地取材经济便宜，因此选择粉煤灰作为注浆液的主要材料，但其黏结性不好，活性较差，所以浆液中还需加一定比例的水泥，从而提高充填体强度和防止震动液化。针对较大空洞，采用石屑(粒径0.5～10 mm)作为骨料混入浆液进行填充。

(3)拌制浆液。将水泥、粉煤灰和水按照一定比例加入一级搅拌罐进行混合搅拌，所得混合浆液流入二级搅拌罐进行二次搅拌，经过滤网过滤大块杂质后，制得满足要求的水泥粉煤灰浆，注浆搅拌站设备配置如图11所示。

(4)注浆施工。根据采空区层位不同，研究区域采空地层加固治理工艺分一次注浆工艺和上行式注浆工艺，2种工艺流程如图12所示。

图11 注浆搅拌站示意Fig.11 Schematic diagram of grouting mixing station

图12 注浆工艺流程Fig.12 Grouting process

一次注浆和上行式注浆工艺相同之处在于均为一次成孔，且需经过无压自流和加压扩散2个阶段；不同之处在于上行式注浆需自下而上逐段重复一次注浆工艺流程以完成采空地层注浆。无压自流工序的主要步骤为：注浆管与浆液面控制装置的探头下放至预定位置，按浆液由稀到浓的顺序，利用大流量无压泵将其注入采空地层，并根据所注采空地层情况按一定比例向浆液中添加骨料，当浆液面达到预定位置时，浆液面控制装置工作，控制电路导通，自动切断混凝土输送泵电源，无压自流工序完成，转入加压扩散工序。加压扩散工序的主要步骤为：止浆塞预先下放至所需治理采空地层上部完整基岩段，使其注水膨胀后填塞注浆管与井壁间的空隙，阻止浆液沿井壁上行，再利用高压泵将浆液注入采空地层，直至达到终孔标准后，停止注浆；整套系统的注浆能力为45 m/h。

(5)结束注浆。注浆结束标准为终量终压，注浆压力可以有效推动浆液在采空地层扩散，但浆液扩散有一定范围，过大的注浆压力会造成岩层劈裂和抬动，甚至导致地面隆起。由于采空地层结构极为复杂，浆液在采空地层扩散特征不恒定，表现为所监测的浆液压力值存在突变，因此不能以单纯某一时刻达到设计终孔压力值作为结束注浆标准，而应在达到终孔压力，且注浆量小于一定值、持压一定时间后，方可结束注浆，以此确保浆液充分填充所扩散范围内的残余空区和裂缝并尽量滤除多余的水分。

参考《煤矿采空区建(构)筑物地基处理技术规范》，对4煤层采空地层进行注浆时，当帷幕孔孔口压力达到1 MPa且泵量小于70 L/min时，持压30 min；当注浆孔孔口压力达到1.5 MPa且泵量小于30 L/min时，持压30 min；对9，10-2煤层采空地层进行注浆时，当帷幕孔孔口压力达到2.5 MPa且泵量小于30 L/min时，持压30 min；当注浆孔孔口压力达到3.0 MPa且泵量小于30 L/min时，持压30 min；以此作为注浆结束标准。

..注浆加固治理效果检测

由于采空地层治理工程的隐蔽性和复杂性，在注浆工程结束后很难直观判断注浆加固治理效果。为检验注浆加固治理效果是否达到设计要求，同时验证注浆设计的合理性，需进行相关检测和评价。

注浆结束3个月后，开展采空地层注浆加固治理效果检验。在注浆区进行钻探，检查孔布置在两注浆孔连线中点处，检测手段包括：在钻探过程中记录钻孔冲洗液漏失量；统计注浆段岩心中结石形状、展布特点、厚度、胶结状况以及裂隙充填情况；进行注浆段岩心单轴压缩试验，测试其单轴压缩强度等参数；对检测孔进行二次注浆，通过分析注浆量来间接判断地下空区充填率。

对高层建筑和数据处理中心周围钻取的结石体如图13所示，结石体单轴抗压强度均在9 MPa以上，说明破碎岩石胶结效果良好，具有一定强度；钻孔冲洗液显示无漏失或少量漏失，表明采空地层注浆加固效果较好，不存在较大的空洞和裂缝。二次注浆检测结果见表3，各钻孔二次压浆量均小于周边钻孔注浆量平均值的10%，说明所注浆液已有效充填了采空地层空隙，残留未注满空隙较少。

图13 钻孔取心检测结果Fig.13 Drilling and coring test results

表3 检测孔二次压浆量

5 采煤塌陷地大型工程建设利用

5.1 拟建建筑物特点及变形要求

拟建的4栋高层建筑高度均在45 m以上，最高为69 m，均属于Ⅰ级保护建筑物。根据《建筑地基基础设计规范》中多层和高层建(构)筑物的地基倾斜变形允许值(表4)为2.5(22，18层)和3 mm/m(14层)。拟建数据处理中心的电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失或公共场所秩序严重混乱，该建筑的基础设施按容错系统配置，即在电子信息系统运行期间，基础设施在一次意外事故后或单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统正常运行。另外，根据《数据中心设计规范》，变形缝不宜穿过主机房。拟建的2类大型建筑具有严格的变形要求和特殊功能需求，建筑物地基的细微变形都可能对建筑物安全稳定产生严重影响。

表4 建筑物的地基变形允许值[17]

5.2 拟建建(构)筑物受采空区地表变形影响特征及其抗变形设计

不同类型建(构)筑物受采空区地表移动变形影响特征不同，分析拟建2类大型建筑物受采空区地表变形影响特征，如图14所示，综合考量多种抗变形方法和措施，进行相应的建筑物抗变形设计，如图15所示。

图14 拟建建(构)筑物受采空区地表变形影响特征Fig.14 Characteristics of the proposed building(structure) affected by the surface deformation of the mined-out area

图15 拟建建(构)筑物相关抗变形技术[3]Fig.15 Anti-deformation technology related to the proposed building(structure)[3]

地表倾斜变形使高层建筑结构产生附加内力，导致填充墙和主体结构容易出现裂缝或损坏，影响正常使用，甚至破坏。基于上述特点，高层建(构)筑物的结构承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀、连续，不应突变；竖向宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，侧向刚度宜下大上小，均匀变化，不宜采用竖向布置严重不规则的结构；竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通。设置砂垫层或砂石垫层以减少地基反力的不均匀性，并有效吸收地表水平变形、曲率变形和部分倾斜变形的影响。

大跨度建筑物对地表变形较为敏感，特别是所处位置的地表出现拉伸时，建筑物内部较大的拉应力极易造成建筑物结构破坏。基于上述特点，大跨度建筑物形式应力求简单，平面形状以矩形为主，尽量避免立面高低起伏和平面凹凸曲折，尽量使质量、刚度均匀分布。可设置变形缝、砂垫层和滑动层以吸收地表水平变形、曲率和部分倾斜的影响，设置基础连系梁以增强基础的整体稳定性，加强上部结构整体强度以提高建筑物的抗变形能力。

结合高层建筑附加应力大且分布密集的特点，主体建筑基础采用“桩+筏板”形式，使附加应力均匀传至地基；并将高层建筑下的部分注浆钻孔作为小桩基，增强地基承载能力。由于数据处理中心变形要求严格且变形缝不宜穿过主机房，因此通过设置基础连系梁和增强上部结构整体强度的措施来增强其抗变形能力。

5.3 建筑运营效果

采煤塌陷地上方建(构)筑物修建过程中，须进行地面变形观测，以保证建(构)筑物的安全建设，并对采煤塌陷地的治理效果跟踪检验。

..建筑场地地面下沉监测

基于数据处理中心特殊功能需求以及大跨度的形态特点，在采空地层注浆过程及建筑修建过程中对该区域地面进行了监测，数据处理中心西侧3个测点(自北向南依次为GC5，GC6和GC7)的地面标高变化如图16所示，其中正值表示地面抬升，负值表示地面下降。

在注浆工程中，地面逐渐上升，注浆完成后地面又下降；随着数据处理中心建筑物的建设，地面发生下沉，至建筑物地面3层建设完成(距采空地层注浆加固治理结束300 d)时，地面最大下沉5 mm，标高变化趋于平缓，平均沉陷速度为0.01 mm/d，符合《建筑变形测量规范》相关要求，认为地面变形已进入稳定阶段。

图16 注浆及建筑物修建过程地面标高变化Fig.16 Ground elevation changes during grouting and building construction

..建筑物运营情况

研究区实现了大跨度、高标准数据处理中心，22层综合楼等大型建筑群在3层采空区上的安全修建，如图17所示，已吸引数十家企业、高校创新中心入驻，目前运营稳定。采煤塌陷地建设利用改变了塌陷地荒芜的状态，提升了塌陷地土地利用价值，使塌陷地成为生态宜居之地，满足了矿业城市转型发展建设用地需求，具有显著的经济、社会和生态效益。