構(gòu)筑物下采空區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)研究

劉興全

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)用地、城市工業(yè)用地及建筑用地日益緊張，在以資源型經(jīng)濟(jì)為主的經(jīng)濟(jì)省份，礦區(qū)采空區(qū)的修復(fù)及利用成為亟待解決的問題。對(duì)于采空區(qū)的復(fù)墾，大多數(shù)省份以復(fù)農(nóng)復(fù)漁為主，但是隨著經(jīng)濟(jì)開發(fā)，城市工業(yè)、商業(yè)、建筑用地不能滿足商業(yè)及居住需求，采空區(qū)上的復(fù)墾土地成為建筑用地的重中之重，但由于采空區(qū)上覆巖情況、地表下沉情況等復(fù)雜地質(zhì)因素，需要對(duì)采空區(qū)及其上覆巖層進(jìn)行針對(duì)性治理以滿足用地需求。文章對(duì)采空區(qū)上的地表移動(dòng)變形特征及采空區(qū)治理技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；采動(dòng)沉陷；建（構(gòu)）筑物；治理

中圖分類號(hào)：TD 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0038-02

煤炭資源大規(guī)模采出后形成大面積采空區(qū)，形成不良工程地質(zhì)條件，給采空區(qū)的再利用帶來困難和安全隱患。與此同時(shí)，我國(guó)城市發(fā)展迅速，工程建設(shè)日益增加，建設(shè)用地日趨緊張，特別是對(duì)于依靠資源發(fā)展的新興轉(zhuǎn)型城市，由于建設(shè)用地緊張，一些工業(yè)及民用構(gòu)筑物、公路、鐵路等交通設(shè)施等不得不在采空區(qū)上修建。

在采空區(qū)上修建構(gòu)筑物是一項(xiàng)復(fù)雜的工程問題，地表建筑物的結(jié)構(gòu)會(huì)受到采空區(qū)上覆巖層運(yùn)移而造成破壞，如果對(duì)采空區(qū)處理不當(dāng)，構(gòu)筑物就會(huì)發(fā)生開裂、傾斜、甚至倒塌破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-2]對(duì)于地表減沉控制進(jìn)行了大量研究，針對(duì)采空區(qū)，得到了許多合理有效的解決方法。合理利用采空區(qū)上土地不僅能緩解建筑用地的需求，而且能減少農(nóng)業(yè)用地的損失，從而為政府、企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。因此，如何合理利用采空區(qū)土地，確保建（構(gòu)）筑物的安全，是亟待解決的技術(shù)難題。

1 地表移動(dòng)變形特征

1.1 地表殘余變形

地表殘余變形是指在地表移動(dòng)穩(wěn)定后（地表下沉量連續(xù)6個(gè)月不大于10mm）可能產(chǎn)生的移動(dòng)變形[6]。殘留煤柱的失穩(wěn)災(zāi)變、地面建筑的荷載、地震及疏排水等都是導(dǎo)致地表殘余變形的因素。根據(jù)前人的理論研究和多年以來工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般選用概率積分法對(duì)地表殘余變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)的參數(shù)包括下沉系數(shù)、主要影響角、拐點(diǎn)偏移距、水平移動(dòng)系數(shù)及開采影響傳播角，其中除下沉系數(shù)外，其他參數(shù)與正常預(yù)計(jì)時(shí)所用的參數(shù)基本一致。老采空區(qū)的下沉系數(shù)一般選取0.2～0.4[8]，對(duì)條帶開采及房柱式開采等煤柱留設(shè)多或開采時(shí)殘留煤柱較多時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大下沉系數(shù)。

1.2 采空區(qū)上覆巖層特征

煤層開采后上覆巖層發(fā)生破壞和位移，一般來說自上而下形成“三帶”，即垮落帶、裂縫帶、彎曲帶[7]。垮落帶由于開采破壞而失去連續(xù)性，巖體破碎呈塊狀，冒落矸石充填采空區(qū)；裂縫帶又稱導(dǎo)水裂縫帶，下部巖層運(yùn)移導(dǎo)致巖層受拉伸破壞而產(chǎn)生裂隙、離層等，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，不再具有隔水性能；彎曲帶呈整體下沉趨勢(shì)，裂隙發(fā)育但不連通巖層。即使垮落帶、裂縫帶的巖層經(jīng)過長(zhǎng)期地質(zhì)作用壓實(shí)，仍可能存在一定的貫通裂隙與離層，其抗壓強(qiáng)度等力學(xué)特征遠(yuǎn)低于原巖，如果在采空區(qū)上修建構(gòu)筑物，不對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行有效治理，造成地表沉降加劇勢(shì)必對(duì)地表建筑物產(chǎn)生破壞。

2 采空區(qū)治理技術(shù)

采空區(qū)上修建構(gòu)筑物的關(guān)鍵技術(shù)是采空區(qū)治理，而需要治理的采空區(qū)往往又是即將廢棄或者廢棄多年的老窯，采用充填開采減沉技術(shù)、離層注漿減沉技術(shù)等行而有效的手段可以對(duì)采空區(qū)實(shí)行有效治理，對(duì)地表沉降進(jìn)行有效控制。

2.1 充填開采

充填開采是在采煤工作結(jié)束后，頂板未冒落前將煤矸石、粉煤灰等廢棄物作為充填體，充填到采空區(qū)，控制開采引起的上覆巖層的變形和破壞，使地表構(gòu)筑物變形保持在安全的允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑物下回收煤炭資源，保護(hù)環(huán)境的一種采礦方法[6]。充填采礦法可以使采空區(qū)得到有效治理，長(zhǎng)期、穩(wěn)定的支撐上覆巖層，控制地表變形，充填開采的控制效果與充填程度與材料具有很大的關(guān)系，充填法控制的地表下沉系數(shù)在0.02～0.6之間[9]，效果次于使用條帶法控制地表沉降，但是充填采礦法大大降低了煤柱失穩(wěn)導(dǎo)致的地表二次移動(dòng)的可能性，使得采空區(qū)上構(gòu)筑物的安全得到保障。煤礦地質(zhì)條件、充填材料、充填成本及地表沉陷控制要求等因素都限制了充填法減沉的大面積推廣應(yīng)用。我國(guó)煤炭企業(yè)對(duì)充填開采也提出了更高的要求：降低充填成本；尋求更簡(jiǎn)易充填材料；研發(fā)新型膠結(jié)材料、化學(xué)添加劑；與充填配套的高效充填設(shè)備與工藝等。

2.2 注漿減沉技術(shù)

采煤工作面開始采煤工作，推進(jìn)到一定距離后，覆巖開始出現(xiàn)移動(dòng)，由于巖性之間存在較大差異并且其豎向移動(dòng)速度不協(xié)調(diào)，在軟、硬巖層交界處會(huì)出現(xiàn)離層。隨著煤層開采覆巖離層空隙逐漸發(fā)育擴(kuò)展。有的學(xué)者[10]也把煤層的上覆巖層大致可分為四帶：垮落帶、裂縫帶、離層帶和彎曲帶，采場(chǎng)覆巖“四帶”模型如圖1所示。離層注漿是連續(xù)不斷地通過地面鉆孔用高壓注漿泵向離層空隙帶注入粉煤灰等充填材料構(gòu)成的漿體，來支撐上覆巖層的沉陷運(yùn)動(dòng)，減緩地表下沉的一項(xiàng)減沉技術(shù)。

使用離層注漿法能夠控制地表沉降，其特點(diǎn)在于：（1）注漿的充填作用。其充填位置位于裂縫帶與彎曲帶之間的離層區(qū)，若時(shí)機(jī)合適，充填料可以很好地充填離層區(qū)域，阻止覆巖運(yùn)移的繼續(xù)傳遞。（2）注漿的支撐作用。充填料具有一定的強(qiáng)度，在充填離層帶區(qū)域后形成一個(gè)強(qiáng)度略低于巖石的覆巖帶，壓縮性差，對(duì)上覆巖層也能起到很好的支撐作用，達(dá)到減沉目的。（3）注漿的膠結(jié)作用。由粉煤灰構(gòu)成的充填料可以很好地膠結(jié)分離的巖層，使得破碎巖體的強(qiáng)度得到整體的強(qiáng)化，提高巖層的抗變形能力，從而減緩地表沉陷。與充填法開采相比較，離層注漿減沉技術(shù)對(duì)生產(chǎn)干擾較小。然而存在單層位注漿時(shí)離層短期閉合的問題，學(xué)者[11]針對(duì)此問題，開展了多層間離層的連續(xù)注漿技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了多離層帶連續(xù)注漿。充填法開采的地表下沉控制效果優(yōu)于離層注漿減沉技術(shù)，部分礦區(qū)工作面試驗(yàn)離層注漿技術(shù)后，地表下沉系數(shù)控制在0.15～0.32[9]。

離層注漿減沉技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須滿足一定的適宜的地質(zhì)條件和開采條件：相鄰巖層的巖性差異性大的、上巖層的撓曲度要小于下巖層等[12-13]。并且，注漿參數(shù)、注漿時(shí)間等對(duì)于離層注漿減沉技術(shù)也有重要影響。endprint

3 結(jié)束語

采空區(qū)上的復(fù)墾土地成為建筑用地的重中之重，在對(duì)采空區(qū)上覆巖層進(jìn)行治理，使得采空區(qū)上土地可稱為再次利用的工、農(nóng)業(yè)用地及建（構(gòu)）筑物用地。利用采空區(qū)上土地新建構(gòu)筑物時(shí)，一定要注意采空區(qū)的上覆巖層情況及其上的時(shí)空狀態(tài)，密切關(guān)注注漿等修復(fù)手段產(chǎn)生的作用及影響，采用有效手段對(duì)建（構(gòu)）筑物進(jìn)行強(qiáng)化加固。

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