小煤窯采空區(qū)綜合勘察與地基穩(wěn)定性評價

李 維

(江蘇華晟建筑設(shè)計有限公司，江蘇 徐州 221006)

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小煤窯采空區(qū)綜合勘察與地基穩(wěn)定性評價

李 維

(江蘇華晟建筑設(shè)計有限公司，江蘇 徐州 221006)

結(jié)合徐州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)煤田的地質(zhì)情況與小煤窯開采情況，采用物探與鉆探技術(shù)，對小煤窯采空區(qū)進行了綜合勘察，評價了小煤窯采空區(qū)地基穩(wěn)定性及建筑適宜性，為采空區(qū)建筑工程建設(shè)提供了依據(jù)。

小煤窯，采空區(qū)，勘察方法，地基，穩(wěn)定性

0 引言

在過去的幾十年中，小煤窯對地方經(jīng)濟的發(fā)展起到較大的推動作用，由于產(chǎn)能較低、安全隱患較大等原因，小煤窯大多已被關(guān)停，其多年開采留下了大量的采煤巷道與采空區(qū)，給公路、鐵路、工業(yè)民用建筑的建設(shè)埋下了很多隱患。

小煤窯采空范圍較小，開挖深度較淺，以巷道采掘為主，向兩邊開挖支巷道，一般分布無規(guī)律或呈網(wǎng)格狀。巷道大多不支撐或采用臨時支撐，任其自由垮落，缺乏安全保障。在小煤窯采空區(qū)上新建建筑物，將改變老采空區(qū)上方破裂巖土地基的受力狀態(tài)，對新建建筑物的安全構(gòu)成威脅。

由于小煤窯多為無證開采、無開采規(guī)劃、無采礦資料，局部多次復(fù)采，使小煤窯采空區(qū)的勘察難度較大，因此需采用多種勘察方法，綜合確定采空區(qū)范圍，綜合評價其建筑地基穩(wěn)定性。

國內(nèi)眾多學者對淺埋小煤窯采空區(qū)的勘察、地基穩(wěn)定性的評價等進行了研究[1-5]，但民用建筑下的小煤窯采空區(qū)勘察及地基穩(wěn)定性評價案例較少。本文結(jié)合工程實例，探討小煤窯淺埋采空區(qū)的綜合勘察方法及地基穩(wěn)定性評價方法，為地區(qū)類似工程積累經(jīng)驗。

1 煤田地質(zhì)及小煤窯開采情況

1.1 擬建建筑物概況

擬建工程為一綜合辦公樓，主樓地上27層(樓高99.9 m，地下室2層)、裙房4層(樓高17.25 m，無地下室)，見圖1。場地位于徐州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)上山村小煤窯開采范圍內(nèi)，場地內(nèi)及周邊進行過采煤活動。

1.2 煤田地質(zhì)情況

建設(shè)場地位于大黃山—賈汪復(fù)式向斜煤盆地的西南翹起端，場地一帶為北東走向的狹長向斜構(gòu)造。擬建建筑物位于該向斜的軸部偏西。場地下伏基巖為石炭系上統(tǒng)太原組的石灰?guī)r(共13層)及碎屑巖(砂、頁巖等)，其中夾煤最多可達14層，一般12層。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，太原組層厚160 m，可采煤層17煤、20煤、21煤，其中17煤為不穩(wěn)定性煤，煤層厚度約0.5 m，頂板為砂頁巖，底板為頁巖；20煤層位穩(wěn)定，分布普遍，煤層厚度約0.80 m，20煤下距21煤25 m～32 m，煤層頂板為石灰?guī)r，底板為細砂巖；21煤層位穩(wěn)定，分布普遍，煤厚0.75 m，煤層頂板為石灰?guī)r，底板為泥巖。據(jù)調(diào)查，場地內(nèi)小煤窯主采煤層為20煤。

1.3 小煤窯開采情況

上山村小煤窯始建于1995年，1996年關(guān)閉，斜井，為私人無證開采，井口在擬建場地東南方約200 m處，巷道走向北西，巷道傾角約20°，采用毛石砌筑，上口寬約1.8 m，下口寬約2.5 m，高約2.0 m。巷道開掘時發(fā)現(xiàn)地下水豐富，在巷道盡頭修建一處水倉，長約40 m，距地表30 m～40 m之間。在巷道附近打了3口降水井用于礦井地下水疏干。該處采煤區(qū)可采煤層厚度較薄，1996年接到關(guān)停通知后，呈雞窩狀少量開采，未正式投產(chǎn)即廢棄。關(guān)停后水倉處(裙房處)曾發(fā)生過地面塌陷，塌陷深度約1.0 m，在塌陷處開挖一處魚塘，魚塘呈南北向，約60 m×25 m。

2 小煤窯采空區(qū)綜合勘察

小煤窯采空區(qū)的勘察方法包括收集地質(zhì)資料、采礦調(diào)查、工程物探、鉆探等。

2.1 物探勘察

為查明擬建場地內(nèi)采空區(qū)分布情況，采用高分辨率的高密度電法中的三極裝置電阻率剖面法進行勘探。在場地內(nèi)布置了4條測線，電極間距高密度序列設(shè)置為3.0 m。勘探深度為42 m～50 m，測線總長600 m，詳見圖1。

物探勘察成果表明，測區(qū)深部巖層連續(xù)性較好，淺部石灰?guī)r連續(xù)性較差且分布不均勻。未發(fā)現(xiàn)大面積的采空區(qū)空洞，僅發(fā)現(xiàn)一處相對低阻區(qū)，推測為巷道的反應(yīng)；淺部巖土層變化較明顯，深部巖層變化較緩，發(fā)現(xiàn)數(shù)處地質(zhì)異常區(qū)域，推測為巖層局部變化所致。

2.2 鉆探勘察

通過鉆探取芯和鉆探過程描述，能直觀地觀察巖土體性狀，同時可以采取巖土試樣進行室內(nèi)試驗，綜合反映巖土層結(jié)構(gòu)、巖土體特征、水文地質(zhì)條件等。

本次勘察在場地內(nèi)共施工了35個鉆孔，鉆孔的位置詳見圖1。通過鉆探查明場地下巖土層結(jié)構(gòu)、巖土體特性；采空區(qū)埋深、采空塌陷現(xiàn)狀等；探明采空區(qū)影響范圍內(nèi)巖體完整程度、巖體密實度、巖體裂隙發(fā)育程度等多種特征。各孔鉆探情況詳見表1。

表1 鉆探成果表

鉆探結(jié)果證實了收集及調(diào)查了解的場地范圍內(nèi)20煤的分布與開采情況，小煤窯僅在巷道附近局部開采20煤，開采不規(guī)范，水倉區(qū)發(fā)生過塌陷，采空區(qū)具體邊界、位置依靠鉆孔是難以精確查明的，只能通過資料收集、鉆探、物探等手段綜合分析推測其規(guī)模。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、工程測量、物探、鉆探綜合分析認為水倉區(qū)位于場地西側(cè)魚塘范圍內(nèi)。巷道、水倉區(qū)實測及推測大致位置見圖1。裙房(4層辦公樓)下存在水倉塌陷區(qū)和東西走向的采煤支巷道，主樓下20煤未開采。

3 小煤窯采空區(qū)地基穩(wěn)定性分析及評價

3.1 煤層開采對地基穩(wěn)定性的影響評價

小煤窯開采范圍內(nèi)的20煤于1996年建井初期有少量開采，未正式投產(chǎn)小煤窯即關(guān)停。根據(jù)鉆探揭露的煤層埋深及厚度判定，水倉采空區(qū)采深32.5 m～34.6 m，采厚約1.0 m～1.5 m，采深厚比約23，小于30；巷道采深35.6 m，采厚約1.4 m，采深厚比約25，小于30。

根據(jù)采空區(qū)地表移動變形規(guī)律的分析認為，水倉采空區(qū)地表移動變形已經(jīng)初始穩(wěn)定，但水倉區(qū)曾垮落塌陷，會對地基的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；未垮落的巷道在外在因素(如建筑物荷載、地震、地下水等)作用下，將對地基的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

水倉區(qū)采深按33.0 m計，第四系厚度按8 m計，依據(jù)徐州地區(qū)煤田巖層移動角參數(shù)：第四系邊界移動角φ取40°，基巖邊界移動角β取70°，根據(jù)地表移動影響范圍經(jīng)驗公式r=h/tanφ+H/tanβ,計算采空區(qū)地表影響范圍最大半徑為18.6 m，大于水倉塌陷區(qū)距離主樓最近距離14 m，水倉塌陷對主樓存在影響，但只影響到淺部第四系土層(見圖2)，主樓基礎(chǔ)埋深約9.0 m，因此采空區(qū)對主樓影響較小。

3.2 地表變形對地基穩(wěn)定性的影響評價

場地地層傾角較緩，水倉區(qū)開采引起的地表移動和變形總體上符合地表移動的一般規(guī)律。終采時間15年以上，整體塌陷形成了塌陷坑，其地表移動變形的活躍期已經(jīng)結(jié)束，未來的地表沉降變形將以殘余變形為主。

根據(jù)徐州礦區(qū)地表移動規(guī)律監(jiān)測和研究成果分析，水倉區(qū)地表移動規(guī)律基本符合概率積分模型[6]。根據(jù)概率積分原理計算水倉區(qū)發(fā)生的沉降量及預(yù)測的沉降變形見表2。

表2 水倉區(qū)發(fā)生的沉降量及預(yù)測的沉降變形

通過對預(yù)測的沉降量與已發(fā)生的沉降量的分析，可以認為主沉降已結(jié)束，殘余變形量較小。

3.3 建筑地基穩(wěn)定性綜合評價

現(xiàn)狀條件下，根據(jù)場地下煤層開采情況，將場地分為兩個區(qū)域，即水倉塌陷區(qū)和巷道區(qū)，分別評述其建筑地基穩(wěn)定性。

1)水倉塌陷區(qū)：小煤窯于1996年關(guān)停，水倉區(qū)曾發(fā)生地面塌陷，后在該處開挖魚塘，經(jīng)鉆探驗證，該處區(qū)域可認為地表變形已相對穩(wěn)定，地表變形對建筑物的影響可以采取地基處理措施減輕或者消除。

2)巷道區(qū)：該區(qū)域巷道寬約2.5 m，巷道附近蜂窩狀少量開采20煤，巷道保持完好，未發(fā)生垮落塌陷。該區(qū)域地基穩(wěn)定性評價方法為《巖土工程手冊》[7]中所用方法。計算公式如下：

建筑物基底單位壓力P0按60 kPa(4層)進行計算，H0=15.4 m，1.5H0=23.1 m。

通過物探、鉆探勘察驗證，4層裙房下巷道頂板埋深35.6 m，巷道埋深大于1.5倍的臨界深度，對地基穩(wěn)定性影響較?。坏谕庠谝蛩?如地下水)作用下存在“活化”的可能。

4 結(jié)語

1)建設(shè)場地位于小煤窯采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)，場地下的20煤僅在巷道附近局部開采，開采范圍不大，水倉區(qū)發(fā)生過垮落塌陷。2)4層裙房部分位于水倉塌陷區(qū)、部分位于巷道區(qū)、部分煤層未開采，仍然存在出現(xiàn)非連續(xù)性變形的危險，地基穩(wěn)定性較差，在采取地基處理措施后作為建設(shè)用地是基本適宜的。建議裙房采取地基處理措施(注漿充填)或采用樁基穿越采空區(qū)，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取抗變形措施。3)主樓(高層辦公樓)下雖然未發(fā)現(xiàn)煤層開采，但依然會受到鄰近采空塌陷區(qū)的影響，地基相對穩(wěn)定，作為建設(shè)用地是基本適宜的，可適當加強建筑基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度。4)采用收集地質(zhì)資料、采礦調(diào)查、工程物探、鉆探等多種方法進行小煤窯采空區(qū)勘察，可大大提高地基穩(wěn)定性及建設(shè)適宜性評價的可靠性。5)建設(shè)單位采納了勘察評價研究成果，對巷道及水倉塌陷區(qū)進行了注漿充填處理。目前，采空區(qū)地基穩(wěn)定性良好。

[1] 唐咸遠,羅得把,李迎春.高速公路下伏淺層小煤窯采空區(qū)綜合勘察技術(shù)[J].公路工程，2013(2):16-19,26.

[2] 張 勝,蔣家龍,韓許恒.高速公路小煤窯采空區(qū)路基綜合勘察與評價[J].災(zāi)害學，2006(4):67-70.

[3] 鄧國成,劉紹偉.綜合勘探技術(shù)在高速公路過采空區(qū)的應(yīng)用[J].陜西煤炭，2009(5):97-99.

[4] 藤永海,張俊英.老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價[J].煤炭學報,1997,22(5):504-508.

[5] 錢自衛(wèi),吳慧蕾,姜振泉.老采空區(qū)高層建筑物地基穩(wěn)定性綜合評價[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2011,26(1):58-62.

[6] 國家煤炭工業(yè)局.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[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[7] 《巖土工程手冊》編寫委員會.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996.

Investigation geotechnical investigation and evaluationof foundation stability about buildings to be built above small mine goaf

Li Wei

(Jiangsu Huasheng Architectural Design Co., Ltd, Xuzhou 221006, China)

Combining with the geological circumstances and exploitation of some small coal mines in Xuzhou Economic and Technical Development Zone, the paper adopts the physical and drilling survey techniques, undertakes the comprehensive survey of the small mine goaf, and evaluates the foundation stability and building adaptability of the goaf, so as to provide some reference for the architectural engineering construction in goafs.

small coal mine, goaf, survey method, foundation, stability

1009-6825(2017)08-0056-03

2017-01-09

李 維(1984- )，男，碩士，高級工程師

TU195

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