鐵礦充填剩余空區(qū)地表建筑建設(shè)適宜性評價方法

郭文硯 陳清通 賈新果 王志杰

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

礦產(chǎn)資源開發(fā)利用造成了大面積土地沉陷，嚴重影響了礦業(yè)城市的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展［1］。隨著城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代化建設(shè)進程加快，土地資源日益緊缺，開發(fā)沉陷區(qū)土地作為建設(shè)場地是實現(xiàn)土地利用的有效途徑［2］。目前對于煤礦沉陷區(qū)建設(shè)場地穩(wěn)定性評價研究較多。張俊英［3］研究了建筑荷載對采空區(qū)地基穩(wěn)定性的影響；孫慶先等［4］研究了沉陷區(qū)天然氣管道、光伏建設(shè)穩(wěn)定性評價方法；賈新果［5］研究了老采空區(qū)殘余沉降預(yù)計模型；杜明澤等［6］研究了閉坑礦井場地地下水污染影響；劉洋等［7］研究了基于AHP-模糊評價的鐵礦采空區(qū)失穩(wěn)預(yù)測模型。鐵礦礦體因地質(zhì)條件和開采方法不同于煤礦，其采空區(qū)穩(wěn)定性分析和地表變形存在一定的差異，不同學(xué)者也進行了相關(guān)研究［8-10］。但對于鐵礦采空區(qū)地表建筑建設(shè)適宜性評價的案例相對較少。

張馬屯鐵礦位于濟南市歷城區(qū)，1977年投產(chǎn)，2017年8月關(guān)閉。由于濟南園區(qū)建設(shè)，部分規(guī)劃用地位于張馬屯鐵礦采空區(qū)上方（以下簡稱為“建設(shè)場地”）。該礦礦房采空區(qū)數(shù)量多、分布范圍廣、埋深差異大，采空區(qū)進行全尾砂膠結(jié)充填后仍存在剩余空區(qū)，使得地面建筑建設(shè)存在安全隱患。本研究通過統(tǒng)計分析、理論分析、經(jīng)驗類比和現(xiàn)場實測，分析剩余空區(qū)頂板穩(wěn)定性，劃分地表不同程度殘余變形區(qū)域，研究建筑物載荷影響深度與覆巖破壞高度的相對關(guān)系，綜合評價地表建筑建設(shè)適宜性，并提出建設(shè)場地建設(shè)安全保障措施，為類似金屬礦山沉陷區(qū)土地建筑復(fù)墾提供借鑒。

1 采礦地質(zhì)條件與采空區(qū)分布

張馬屯鐵礦建設(shè)場地下方為第四系土體，厚度為35～55 m，上部為黏性土結(jié)構(gòu)，下部為黏性土與砂性土互層，土體工程地質(zhì)性質(zhì)良好。礦體頂、底板巖體以閃長巖和蝕變閃長巖為主，部分為大理巖和石灰?guī)r。主要開采Ⅰ號礦體，采用分段礦房采礦法和全尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)，礦體厚度為1.52～70.73 m，階段高12 m，礦房長度一般為50 m，礦房與礦柱寬度為16 m。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，在-200～-360 m水平上共分布有82個礦房采空區(qū)，如圖1所示。由于采空區(qū)充填可能未及時或者受地質(zhì)環(huán)境條件的改變和開采爆破作業(yè)影響，采空區(qū)仍然有剩余空區(qū)與裂隙存在，通過瞬變電磁物探也驗證了存在一定范圍的空區(qū)。本研究統(tǒng)計了礦房采出礦石量、面積、充填量和充填率等參數(shù)（表1），對礦房剩余空區(qū)高度進行了估算，可知采空區(qū)平均剩余空區(qū)高度為4.8 m，大于10 m的礦房有14個，最大為Z3602礦房22.9 m；平均充填率85%，大于85%的有41個，整體充填效果較好。

根據(jù)采空區(qū)分布，可以將采空區(qū)分為小片采空區(qū)（1～4個礦房）、連片采空區(qū)（5～7個礦房）和上下兩層采空區(qū)3種類型。小片采空區(qū)跨度最大為64 m，剩余最大空區(qū)高度13.2 m（Z2801～Z2803和Z2807）；連片采空區(qū)最大跨度為103 m，剩余空區(qū)最大高度22.9 m（Z3361～Z3363和Z3601～Z3603）；兩層采空區(qū)間隔最小為8 m（Z3242與Z2761）、最大跨度56 m，下層剩余空區(qū)最大高度19.6 m。連片采空區(qū)和兩層采空區(qū)的穩(wěn)定性相對較差。

2 采空區(qū)地表建筑建設(shè)適宜性評價

2.1 剩余空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

鐵礦采空區(qū)頂板巖體強度相對較高，有一定的穩(wěn)定性，可通過頂板安全厚度計算方法，根據(jù)采空區(qū)形態(tài)、頂板力學(xué)參數(shù)計算頂板穩(wěn)定所需的安全厚度，進而分析空區(qū)穩(wěn)定性［11-12］。

2.1.1 厚跨比法

厚跨比法常用于穩(wěn)定圍巖，根據(jù)近似的水平投影跨度和頂部最薄處厚度，以厚跨比大于0.5作為安全厚度評價依據(jù)。則頂板最小安全厚度可按式（1）計算，

式中，H0為采空區(qū)頂板最小安全厚度，m；L為采空區(qū)跨度，m；K為安全系數(shù)，取3。連片采空區(qū)最大跨度取103 m，計算可得最小安全厚度為154.5 m。

2.1.2 普氏拱理論計算法

該理論認為采空區(qū)頂板將形成拋物線形的拱帶，空區(qū)上部巖體質(zhì)量由拱承擔(dān)。采用壓力拱和2倍安全系數(shù)來計算頂板安全厚度，公式為

式中，φ為巖石內(nèi)摩擦角，（°）；H為剩余空區(qū)最大高度，m；f為普氏系數(shù)，取f=R/ 10；R為巖石的單軸抗壓強度，MPa。采空區(qū)最大跨度取103 m，空區(qū)最大剩余高度取22.9 m，內(nèi)摩擦角取40°，單軸抗壓強度取閃長巖和大理巖濕式條件下的較小值78.5 MPa，計算可得頂板最小安全厚度為15.8 m。

2.1.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計算法

假定采空區(qū)頂板巖體是一個兩端固定的平板梁結(jié)構(gòu)，按梁板受彎，以巖層的抗拉強度作為控制指標，安全厚度可按式（3）計算，

式中，b為頂板單位計算寬度，取1 m；γ為上覆巖體容重，kN/m3；σt為上覆巖體抗拉強度，MPa；P為建筑載荷附加應(yīng)力，kPa，取值為0。巖體抗拉強度可基于Hoek-Brown準則和GSI指標的力學(xué)參數(shù)折算方法來估算［13］，公式為：

式中，σci為巖塊的單軸抗壓強度，MPa；mb、mi、s為巖體的Hoek-Brown常數(shù)。

頂板巖體以閃長巖為主，根據(jù)巖體質(zhì)量和經(jīng)驗常數(shù)，GSI取65，mi取30，mb取 8.595，s取0.097，單軸抗壓強度取78.5 MPa，可得巖體抗拉強度為886 kPa。采空區(qū)跨度取103 m，巖體容重取27 kN/m3，計算可得頂板最小安全厚度為161.6 m。

2.1.4 空場比法

假定空區(qū)頂板為一塊嵌固梁板，受均衡連續(xù)載荷作用，當采空區(qū)長度與跨度之比大于2時，頂板最小安全厚度可進行如下計算：

式中，P1為爆破載荷，kPa，取0。

代入式（3）中相應(yīng)參數(shù)，計算可得頂板最小安全厚度為82.3 m。

綜合以上4種計算方法，連片采空區(qū)剩余空區(qū)頂板安全厚度計算的較大值為161.6 m，而頂板閃長巖厚度大于190 m，因此剩余空區(qū)頂板相對穩(wěn)定，不會發(fā)生整體塌陷。對于兩層采空區(qū)，采空區(qū)跨度為16～56 m，采空區(qū)之間頂板厚度為8～24 m，分析可知兩采空區(qū)之間的頂板穩(wěn)定性較差，可能發(fā)生垮落，但由于存在兩層采空區(qū)的范圍較小，垮落巖體碎脹可充填部分剩余空間。按上述理論方法分析可知，上層采空區(qū)剩余空區(qū)頂板相對穩(wěn)定，也不會發(fā)生整體塌陷。

2.2 建設(shè)場地地表殘余移動變形計算

概率積分法具有參數(shù)容易確定、實用性強等優(yōu)點，是地表移動變形計算最常用的方法之一。一般認為，地表殘余移動變形與移動期內(nèi)移動變形規(guī)律一致［5］，因此，張馬屯鐵礦剩余空區(qū)地表殘余移動變形可以類比概率積分法計算。根據(jù)礦房尺寸、剩余空洞高度、埋深等條件，沉陷預(yù)計按照最危險情況下所有礦房空洞被垮塌壓實考慮，結(jié)合覆巖巖性、開采時間與房柱式開采方法原理，單個礦房采空區(qū)殘余下沉系數(shù)取0.2，連片采空區(qū)適當增大下沉系數(shù)。根據(jù)移動變形軟件（CESSDG系統(tǒng)）計算結(jié)果，地表殘余下沉為0～213 mm，傾斜量為3.4～+2.5 mm/m，水平變形為-3.5～+3.6 mm/m。參考“三下采煤”規(guī)范［14］中磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級劃分標準，將地表下沉小于10 mm的區(qū)域劃分為無影響區(qū)（A區(qū)），將水平變形不大于2.0 mm/m或傾斜變形不大于3 mm/m的區(qū)域劃分為輕微變形區(qū)（B區(qū)），將水平變形大于2.0 mm/m且傾斜變形大于3 mm/m的區(qū)域劃分為Ⅱ級輕度損壞變形區(qū)（C區(qū)），則A區(qū)面積占建設(shè)場地8.6%，B區(qū)占75.8%，C區(qū)占15.6%，變形分區(qū)見圖2。因此，建設(shè)場地內(nèi)大部分區(qū)域地表建筑屬于I級輕微損壞變形，少部分區(qū)域受到Ⅱ級輕度損壞變形。

2.3 覆巖破壞高度與建筑載荷影響深度的關(guān)系

礦體開采后，頂板一定范圍內(nèi)巖層發(fā)生垮落、斷裂破壞，巖體強度降低，存在裂縫和離層，如果建筑荷載附加應(yīng)力影響到該破壞區(qū)域，將造成巖體進一步變形和沉降，可能導(dǎo)致建筑物地基破壞。礦房開采相比于煤層長壁開采的范圍小，頂板巖體強度好，其覆巖破壞范圍通常小于長壁開采，但考慮部分剩余空區(qū)高度較大，因此鐵礦開采覆巖破壞高度計算可類比“三下采煤”規(guī)范［14］中厚煤層分層開采堅硬頂板條件下的“兩帶”高度經(jīng)驗公式，

式中，Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度，m；∑M為累計采厚，m。

選取連片采空區(qū)進行計算，平均剩余空洞高度取9.5 m，代入上式中計算并取較大值為102.5 m。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）［15］，存在采空區(qū)時，以地基中建筑載荷附加應(yīng)力等于相應(yīng)位置處地基土層自重應(yīng)力10%時的深度作為載荷影響深度。取擬建建筑物載荷為120、240、360 kPa，單棟建筑平面尺寸為60 m×20 m，第四系土層厚度取40 m，容重取20 kN/m3，基巖層容重取25 kN/m3，基礎(chǔ)埋深為5 m，可計算出不同建筑載荷的影響深度為29、39、44 m（圖3）。

要保證建設(shè)場地穩(wěn)定性，應(yīng)使建筑載荷附加應(yīng)力不對采空區(qū)破壞巖體產(chǎn)生影響，則采空區(qū)的臨界開采深度（H臨）應(yīng)滿足：

式中，hz為載荷影響深度，取44 m；a為保護層厚度，取10 m，則臨界開采深度應(yīng)大于156.5 m。

建設(shè)場地地表標高+35 m、開采標高-200～-360 m、礦房高度小于60 m，則實際采深大于臨界開采深度，因此地表新增360 kPa建筑荷載對采空區(qū)穩(wěn)定性無影響。

2.4 地面沉降監(jiān)測分析

張馬屯鐵礦地表布設(shè)有沉降監(jiān)測點，在建設(shè)場地內(nèi)部和附近的部分監(jiān)測點位置見圖1，監(jiān)測時間從2015年2月到2019年10月，測點累計沉降曲線見圖4。可以看出，J5測點最大累計沉降為11 mm，主要由于靠近連片采空區(qū)，沉降較大。該礦2017年8月31日停產(chǎn)，從2018年5月之后，測點沉降趨于穩(wěn)定。地表整體沉降較小，采空區(qū)穩(wěn)定性較好。

結(jié)合地表沉降監(jiān)測和移動變形預(yù)計結(jié)果，該區(qū)域地表最大傾斜值為3.4 mm/m?？紤]建筑自身荷載作用，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）［15］規(guī)定，當多層和高層建筑高度小于24 m時，建筑整體傾斜允許值為4 mm/m，建筑高度為24～60 m時，傾斜允許值為3 mm/m。因此，根據(jù)預(yù)測的地表最大傾斜值，建議該區(qū)域建筑高度限制在36 m以下，不適宜建設(shè)超高層建筑。

2.5 地表建筑建設(shè)適宜性評價

綜上分析，采空區(qū)剩余空區(qū)頂板穩(wěn)定，不會發(fā)生大面積塌陷；建設(shè)場地地表75.8%區(qū)域建筑受到I級輕微損壞變形，15.6%區(qū)域受到Ⅱ級輕度損壞變形，危險程度較低；地表新增360 kPa建筑荷載對采空區(qū)穩(wěn)定性無影響；通過地面沉降長期監(jiān)測，地表整體沉降較小，采空區(qū)穩(wěn)定性較好。因此，建設(shè)場地進行一般工程建設(shè)（建筑高度36 m以下）的適宜性較好。

3 建設(shè)場地安全保障措施

（1）奧陶紀石灰?guī)r裂隙含水層為礦井主要充水因素，礦區(qū)采取注漿大帷幕對該含水層進行封堵，有效降低了礦井涌水量。但長期滲透使帷幕注漿結(jié)石體受到侵蝕，帷幕失效可能導(dǎo)致礦井涌水量增加，涌水侵蝕會降低礦柱及頂板巖體強度，加速采空區(qū)垮塌，影響采空區(qū)穩(wěn)定性。因此，建設(shè)過程中需進一步排查不良封閉鉆孔，加強對帷幕內(nèi)外水文觀測孔水位及井下涌水量在線監(jiān)測。

（2）建設(shè)場地不適宜建設(shè)（超）高層建筑，建議該區(qū)域建筑高度不超過36 m，并增加基礎(chǔ)抗變形能力，建議在連片采空區(qū)和剩余空區(qū)高度較大的礦房及短礦柱上方地面增加地表及建筑物沉降觀測點，定期進行觀測。

（3）對于下方繼續(xù)使用的巷道，應(yīng)加強頂板監(jiān)測及巷道維修保護，若巷道不再繼續(xù)使用，建議對廢棄巷道進行充填支護，避免巷道變形影響采空區(qū)穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）綜合比較厚跨比、普氏拱理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論和空場比4種頂板安全厚度計算結(jié)果和剩余空區(qū)頂板實際厚度，認為張馬屯鐵礦剩余空區(qū)頂板厚度滿足安全要求，不會發(fā)生整體塌陷。

（2）通過剩余空區(qū)殘余變形預(yù)計，建設(shè)場地地表75.8%區(qū)域內(nèi)建筑受到I級輕微損壞變形，15.6%區(qū)域內(nèi)建筑受到Ⅱ級輕度損壞變形，危險程度較低?，F(xiàn)場觀測地表5 a累計最大沉降11 mm，剩余空區(qū)穩(wěn)定性較好。

（3）通過載荷影響深度分析，建設(shè)場地地表新增360 kPa建筑荷載對剩余空區(qū)穩(wěn)定性無影響，場地進行工程建設(shè)（建筑高度36 m以下）的適宜性較好。