某采空區(qū)上部建筑場地穩(wěn)定性及適宜性評價(jià)

趙 磊 馬玉歡

(山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊(duì)，山西 長治 046000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源利用愈來愈緊張，城市周邊可利用的土地已逐步利用殆盡，一些地區(qū)的住宅樓不得不選擇建設(shè)在采空區(qū)上部。采空區(qū)的形成多為煤層開采所致，采空區(qū)形成使處于穩(wěn)定的煤層上部巖土體產(chǎn)生破壞、裂縫，從而造成失穩(wěn)。如在采空區(qū)上部建設(shè)，在地面建筑荷載作用下，使原本不穩(wěn)定的破碎巖體變形加劇，進(jìn)一步產(chǎn)生移動和變形，從而對建筑造成破壞。故必須對采空區(qū)場地的穩(wěn)定性進(jìn)行論證。本次采用地面調(diào)查、物探、鉆探以及理論評價(jià)的方式對采空區(qū)進(jìn)行勘察，從而對場地穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而評價(jià)建設(shè)場地適宜性，該研究結(jié)果對相似的工程具有一定的指導(dǎo)作用[2]。

1 工程概況

建筑場地位于晉城市市區(qū)西南部，牛匠村中，占地面積47 529.91 m2，建筑內(nèi)容為5棟29層～33層的高層建筑物以及樓與樓之間成片地下車庫。建筑高度90.6 m～99.9 m，采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)型式為筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深6.0 m～6.5 m。

該場地下部存在原村內(nèi)小窯開采形成的山西組3號、9號煤層采空區(qū)，該采空區(qū)現(xiàn)已經(jīng)過治理。在2015年10月周邊煤礦對太原組的15號煤層進(jìn)行開采，形成15號煤采空區(qū)，現(xiàn)場地上存在地面塌陷、裂縫。采空區(qū)勘察采用地面調(diào)查、物探測試、鉆探等方式進(jìn)行。通過勘察對場地下部的采空區(qū)有了一定的了解，為后續(xù)的穩(wěn)定性評價(jià)提供了一定的依據(jù)。

2 場地地質(zhì)條件

建設(shè)場地地貌為低山丘陵地貌，地面高程為774.8 m～784.5 m，場地西部、北部高，南部、東部低。場地位于背斜南部，地層整體走向SW，傾向SE，傾角約為4°。地層由新到老依次為：①第四系中更新統(tǒng)(Q2)粉質(zhì)粘土，厚度為0 m～11.6 m；②二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)灰色細(xì)砂巖、灰黑色泥巖互層，該層厚度約14.4 m～34.8 m。含3號煤，煤層厚約0.5 m～2.1 m；③石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r互層。該層整體厚度約為63.4 m～80.66 m。該層中含9號、15號煤層，9號煤層厚度0.9 m～2.9 m，15號煤層厚度1.0 m～2.9 m。

3 采空區(qū)勘察成果

3.1 采空區(qū)特征

3.1.1采空區(qū)開采歷史及基本特征

場地?fù)?jù)調(diào)查了解可知，存在由村辦煤礦2005年之前開采3號、9號煤層形成的采空區(qū)，開采方式為人工房柱式開采，巷道寬度約1.5 m～6.0 m，頂板自由垮落。目前該兩層采空區(qū)已經(jīng)過了治理。2015年—2016年場地北部的煤礦對場地下部15104工作面內(nèi)的15號煤層進(jìn)行了開采，采煤方法為綜合機(jī)械化長壁采煤，全部垮落法管理頂板。工作面寬度約120 m，工作面走向82°，傾向351°，傾角3°，工作面回采率約95%。采空區(qū)歷史調(diào)查對場地內(nèi)采空區(qū)分布范圍有了初步了解。

3.1.2擬建場地現(xiàn)場地面調(diào)查情況

現(xiàn)場調(diào)查在場地內(nèi)出現(xiàn)地裂縫，裂縫分布在15104工作面上部地表，裂縫最大延伸長度約30 m～40 m，寬度約10 cm～20 cm，可見深度約1 m～1.5 m。形成時(shí)間約為2015年—2016年，約形成于開采時(shí)間一個月后，目前該裂縫已基本穩(wěn)定，少數(shù)裂縫已閉合。地面調(diào)查對煤層采空后地面的變形破壞情況有了一定的認(rèn)識。

3.1.3地面物探測試成果

為查明采空區(qū)分布情況，采用高密度電法對場地進(jìn)行物探測試，測試結(jié)果表明在場地中部存在15號煤層低阻異常區(qū)，推測異常為15號煤層采空區(qū)和塌陷冒落帶的綜合反映，表明15號煤層頂板的巖石完整性差，對擬建建筑地基不利。物探測試進(jìn)一步了解到采空區(qū)的分布情況。

3.1.4采空區(qū)鉆探成果

通過勘察鉆孔揭露，鉆孔巖芯采取率為60%～75%，在場地中部、南部區(qū)域鉆探到15號煤層，多存在冒落現(xiàn)象，且孔口有吸風(fēng)，推測在該區(qū)域內(nèi)煤層被開采；其余地區(qū)揭露15號煤層多為煤柱，表面該區(qū)域煤層完整，未有被開采。

3.2 采空區(qū)覆巖破壞類型及分布情況

鉆探揭露地層可知，15號煤層采空區(qū)上部覆巖為全部可垮落巖層，以軟巖～較硬巖為主，覆巖破壞類型為“三帶型”，即垮落帶、斷裂帶和彎曲帶；根據(jù)鉆探揭露，在場地中部、南部區(qū)域15號煤層巖芯破碎，孔口有吸風(fēng)，說明該處煤層頂部覆巖破壞嚴(yán)重，處于垮落帶、斷裂帶。采空區(qū)頂板巖石為厚層的石灰?guī)r，為硬巖。

3.3 地表移動變形范圍及位移量

根據(jù)地面調(diào)查結(jié)果，以現(xiàn)場地面出現(xiàn)的裂縫邊界結(jié)合物探測試圈定異常區(qū)確定地表變形范圍?，F(xiàn)地面存在裂縫，根據(jù)施工鉆孔實(shí)測地面高程和原有場地地面高程比對可知，地面已下降0.4 m～1.1 m，下沉最大部位位于2-1號樓YZ-4以東，2-3號樓YZ-10以西，1-7號樓以南區(qū)域，該區(qū)域地面下沉多為0.9 m～1.1 m。在場地北部區(qū)域裂縫已基本閉合，無加寬跡象，根據(jù)地面高程比對，該地面已下沉0.4 m～0.9 m。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價(jià)

采用開采條件判別法對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析[1]，根據(jù)終采時(shí)間判別法判別場地穩(wěn)定性，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 按終采時(shí)間確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性

場地15號煤采空區(qū)開采時(shí)間為2015年—2016年，其至現(xiàn)仍不足365 d，且在采空區(qū)垮落時(shí)，地表出現(xiàn)了塌陷坑、臺階狀裂縫等非連續(xù)變形，因此判斷勘察場地穩(wěn)定性為不穩(wěn)定。

5 擬建場地工程建設(shè)的適宜性評價(jià)與分區(qū)[1]

5.1 采空區(qū)對工程的影響程度

擬建建筑為高約90.6 m～99.9 m的29層～33層住宅樓，為重要擬建工程，擬建工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級[6]，為對變形要求高的工程，因此采空區(qū)對擬建工程影響程度大。

按照工程類比法判斷：現(xiàn)地面仍有裂縫，裂縫仍處于發(fā)展階段，因此判斷采空區(qū)對擬建工程影響程度大。

按照采空區(qū)特征及活化影響因素判斷：采空區(qū)采深H為90.3 m～104.4 m(50 m≤H≤200 m)，采深采厚比H/M平均約為49.1，但在鉆探工程中發(fā)現(xiàn)孔口有吸風(fēng)現(xiàn)象，且地表裂縫仍存在變形，因此判斷采空區(qū)對擬建工程影響程度大。

綜合判斷擬建場地下部15號煤采空區(qū)對擬建工程影響程度大。

5.2 擬建工程對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度

利用附加應(yīng)力分析法分析[3,4]擬建工程對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度：當(dāng)煤層開采影響深度達(dá)到建筑荷載的影響深度范圍內(nèi)，認(rèn)定為工程建設(shè)對煤層采空區(qū)影響大。

1)垮落帶計(jì)算。

15號煤層頂板為堅(jiān)硬的石灰?guī)r(飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于40 MPa)，煤層開采引發(fā)的垮落帶按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，∑M為煤層累計(jì)采厚。

2)斷裂帶計(jì)算[3]。

15號煤層開采引發(fā)的斷裂帶按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

因此15號煤層開采最大影響高度為Hm+Hli。

擬建建筑附加應(yīng)力影響深度取地基中附加應(yīng)力δz等于自重應(yīng)力0.1倍的深度[5]。由此對各擬建建筑區(qū)域地基附加應(yīng)力影響深度與15號煤層開采引發(fā)的最大高度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，15號煤層開采后，其最大影響高度達(dá)到擬建建筑地基影響深度范圍內(nèi)，因此工程建設(shè)對15號煤層采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度大。

綜合分析評價(jià)，擬建場地下部的15號煤層采空區(qū)垮落不充分，且地面仍存在發(fā)生非連續(xù)性變形的可能，工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度大，需對采空區(qū)進(jìn)行治理，并采用地基處理等綜合設(shè)計(jì)，才能建設(shè)擬建工程。因此擬建采空區(qū)場地工程建設(shè)適宜性差，需對采空區(qū)進(jìn)行治理才能建設(shè)擬建工程。

6 結(jié)語

通過對擬建場地下部的15號煤層采用地面調(diào)查、物探測試、鉆探、理論評價(jià)的方式綜合勘察，確定場地下部存在15號煤層采空區(qū)，且采空區(qū)場地穩(wěn)定性為不穩(wěn)定；采空區(qū)對工程的影響程度大，擬建工程對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度大，擬建采空區(qū)場地工程建設(shè)適宜性差，應(yīng)對本場地下部采空區(qū)進(jìn)行治理，對井下巷道進(jìn)行加固治理，同時(shí)對擬建建筑采取變形縫、靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，增強(qiáng)建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。