山東某煤礦老采空區(qū)上方大型工程建設(shè)案例

陳紹杰，張立波，江 寧，尹大偉，高志友,2，郭惟嘉，ХОРЕШОК Алексей Алексеевич

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省地礦工程集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250200；3.庫(kù)茲巴斯國(guó)立技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，俄羅斯 克麥羅沃市 650000)

煤炭資源開(kāi)采后在地下形成采空區(qū)，這種不良地質(zhì)體的產(chǎn)生和存在對(duì)地表建(構(gòu))筑物的安全修建和穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。采煤沉陷區(qū)是指煤炭開(kāi)采導(dǎo)致地表沉陷深度大于10 mm的區(qū)域，采煤沉陷區(qū)內(nèi)因地下煤炭開(kāi)采導(dǎo)致減產(chǎn)和絕產(chǎn)的農(nóng)用地以及受影響的建設(shè)用地和未利用地稱為采煤塌陷地。目前，我國(guó)采煤沉陷區(qū)面積已達(dá)20 000 km，分布在23個(gè)省(市區(qū))151個(gè)縣(市區(qū))，部分城市的采煤沉陷面積超過(guò)其區(qū)域總面積的10%，這嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展、社會(huì)和諧穩(wěn)定以及人民生活水平提升。習(xí)近平總書(shū)記在撫順考察時(shí)作出重要指示，開(kāi)展采煤沉陷區(qū)綜合治理，要本著科學(xué)的態(tài)度和精神，搞好評(píng)估論證，做好整合利用這篇大文章。目前，大多數(shù)礦業(yè)城市轉(zhuǎn)型發(fā)展空間受限、建設(shè)用地不足等問(wèn)題日益凸顯，迫切需要開(kāi)展采煤塌陷地建設(shè)利用，保障城市建設(shè)用地供應(yīng)，促進(jìn)城市轉(zhuǎn)型發(fā)展。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)采煤塌陷地治理與利用開(kāi)展了大量的研究工作。胡炳南等通過(guò)采煤沉陷區(qū)調(diào)研和建筑利用需求分析，總結(jié)歸納了沉陷區(qū)建筑利用關(guān)鍵技術(shù)；李樹(shù)志等基于濟(jì)寧市采煤塌陷地?fù)p毀特征，提出了適用于濟(jì)寧市采煤塌陷地的綜合治理模式；徐艷等對(duì)我國(guó)采煤塌陷區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了分類與評(píng)價(jià)；王劍龍等采用景觀格局指數(shù)定量分析了太平國(guó)家濕地公園的景觀格局和空間異質(zhì)變化，探討了生態(tài)修復(fù)景觀格局變化及其研究方法；渠俊峰等從生態(tài)和社會(huì)角度揭示了沛北礦區(qū)水土資源的演替規(guī)律，為該區(qū)域土地生態(tài)治理提供依據(jù)；滕永海等提出了建筑荷載影響深度與采空覆巖垮落裂縫帶高度是否重疊的采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法；郭文兵等研究并實(shí)施了高聳構(gòu)筑物地基精準(zhǔn)注漿加固技術(shù)，有效保護(hù)了采空區(qū)上方廣播電視信號(hào)鐵塔；李東陽(yáng)等通過(guò)超載破壞試驗(yàn)研究了某城市地下小型采空區(qū)的巖層穩(wěn)定性；王正帥研究了老采空區(qū)進(jìn)入衰退期后概率積分參數(shù)的時(shí)變規(guī)律，進(jìn)而評(píng)價(jià)了老采空區(qū)上方建筑地基穩(wěn)定性；江寧研究了建筑荷載作用下長(zhǎng)壁老采空區(qū)失穩(wěn)機(jī)理，提出了注漿加固治理技術(shù)；朱磊等提出了垮落帶矸石漿體充填技術(shù)，研究了不同濃度矸石漿體在采空區(qū)垮落巖塊間空隙內(nèi)的流動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律。

上述研究為采煤塌陷地治理與利用提供了理論與技術(shù)支撐。我國(guó)現(xiàn)有的采煤塌陷地治理與利用模式主要為土地復(fù)墾或構(gòu)建濕地公園等，小體量建(構(gòu))筑物已成功在塌陷地上修建。筆者以山東某地采煤塌陷地大型工程建設(shè)利用為例，首先對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了精細(xì)勘查，在揭示3層采空區(qū)賦存特征的基礎(chǔ)上，分析了地表殘余變形對(duì)擬建建筑物穩(wěn)定性以及建筑荷載對(duì)采空地層穩(wěn)定性的影響，評(píng)價(jià)了建筑場(chǎng)地穩(wěn)定性；采用“無(wú)壓自流+加壓擴(kuò)散”高效注漿技術(shù)與工藝對(duì)3層采空地層進(jìn)行加固治理；分析了擬建的大跨度、高層建筑受采空區(qū)地表變形影響特征，進(jìn)行了相應(yīng)的抗變形設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了大跨度、高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理中心以及22層綜合樓等大型建筑群在3層采空區(qū)上的安全修建與運(yùn)營(yíng)。

1 工程背景

1.1 擬建建筑物情況

研究區(qū)內(nèi)擬建建筑物與采空區(qū)的相對(duì)位置如圖1所示，建筑物概念性規(guī)劃設(shè)計(jì)如圖2所示。研究區(qū)占地129畝，建筑面積82 000 m，主要包括北部東西向排列的4棟高層建筑物，其層數(shù)分別為22層(69 m)、18層(56 m)、14層(45 m)和18層(56 m)，南部和東部為多棟小型建筑，層數(shù)均小于6層，西部為數(shù)據(jù)處理中心，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土多層多跨框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸65 m×85 m，地下1層、地上4層，該數(shù)據(jù)中心須滿足國(guó)標(biāo)A級(jí)及國(guó)際Uptime institute Tier Standard Ⅲ數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖1 研究區(qū)擬建建筑物情況Fig.1 Situation of proposed buildings in the study area

圖2 建筑物概念性規(guī)劃設(shè)計(jì)Fig.2 Building conceptual planning and design

1.2 煤層及工程地質(zhì)情況

研究區(qū)地層綜合柱狀圖如圖3所示，區(qū)內(nèi)共開(kāi)采3層煤，分別為4，9和10-2煤層。4煤層賦存于山西組中下部，埋深在22～60 m，平均厚度為0.67 m，遭受剝蝕嚴(yán)重，屬于不穩(wěn)定的局部可采煤層，頂板為粉砂巖，底板為黏土巖，煤層開(kāi)采歷史較長(zhǎng)，1972年勘查時(shí)已經(jīng)存在老采空區(qū)，開(kāi)采時(shí)間截止到2003年。9煤層賦存于太原組下部，埋深在102～185 m，平均厚度為0.90 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬較穩(wěn)定煤層，開(kāi)采時(shí)間自2007—2013年。10-2煤層賦存于太原組下部，埋深在137～210 m，平均厚度為1.18 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬較穩(wěn)定煤層，開(kāi)采時(shí)間自2002—2013年。

研究區(qū)內(nèi)巖、土體按工程地質(zhì)特征，大體分為巖體和土體2種類型。巖層主要為石炭、二疊系地層，二者呈不整合接觸；巖性為堅(jiān)硬厚層狀灰?guī)r或堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬砂巖、泥巖夾薄層灰?guī)r，未發(fā)現(xiàn)脹縮性土及其他特殊土，其巖層的工程地質(zhì)條件較好，為較好的天然地基持力層，可作為一般工程建筑的天然地基。該區(qū)位于山前傾斜平原，土層厚度12～35 m，總體上由南向北增厚；土體主要為粉質(zhì)黏土、黏土和粉土，呈松散狀，力學(xué)強(qiáng)度較低，且層位比較復(fù)雜，工程地質(zhì)條件及地基承載力變化較大。

注：數(shù)據(jù)格式圖3 地層綜合柱狀Fig.3 Comprehensive histogram of stratum

2 采空區(qū)精細(xì)勘查

2.1 地球物理綜合勘查

在對(duì)擬建區(qū)域采空區(qū)調(diào)查與測(cè)繪基礎(chǔ)上，采用高密度電法、大地電磁法、瞬變電磁法等多種地球物理勘查方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行勘查，并采用鉆探進(jìn)一步驗(yàn)證、完善勘查結(jié)果，確定采空區(qū)范圍和特征。研究區(qū)測(cè)線與鉆孔布置如圖4所示。

地球物理綜合勘查結(jié)果如圖5所示，勘查范圍內(nèi)電阻率等值線呈由西向東傾斜的特征，這與該區(qū)域地層傾向基本一致。煤層開(kāi)采后，地層電性發(fā)生變化，導(dǎo)致局部電阻率等值線傾向特征發(fā)生改變，據(jù)此可推斷解釋采空區(qū)分布位置及深度。高密度電法勘查結(jié)果顯示，電阻率等值線層狀形態(tài)明顯，自地表至深部逐漸增大，反映了淺部第四系、深部基巖不同電性特征，在研究區(qū)域中、東部淺部地層出現(xiàn)低阻反映，結(jié)合已有地質(zhì)資料，推斷確定為4煤層采空區(qū)。根據(jù)大地電磁探測(cè)法勘查結(jié)果(圖5(a))，勘查范圍內(nèi)主要分布有4條斷裂結(jié)構(gòu)，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范圍的低阻反映，結(jié)合已有地質(zhì)資料，推斷確定為9煤層采空區(qū)。根據(jù)瞬變電磁法勘查結(jié)果(圖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等范圍出現(xiàn)低阻反映，結(jié)合已有地質(zhì)資料，推斷確定為9煤層采空區(qū)。

圖4 研究區(qū)測(cè)線與鉆孔布置Fig.4 Layout of survey lines and boreholes in the study area

圖5 物探結(jié)果Fig.5 Results of geophysical prospecting

2.2 鉆探勘查

對(duì)研究范圍進(jìn)行鉆探鉆探勘查，鉆孔鉆遇各煤層采空區(qū)時(shí)出現(xiàn)進(jìn)尺快、全漏水、巖心破碎，部分鉆孔有掉鉆現(xiàn)象，個(gè)別鉆孔打出了支護(hù)木棍、布條等采礦遺留物品。鉆探明確了五至一灰及4煤層、9煤層、10-2 煤層或采空區(qū)，對(duì)比鉆孔資料及各標(biāo)志層，確定了研究區(qū)內(nèi)揭露的煤層或采空區(qū)的特征：4煤層采空區(qū)主要位于研究區(qū)中東部；9煤層采空區(qū)分布不連續(xù)，在研究區(qū)西部和東部均有較大范圍分布；10-2煤層采空區(qū)零星分布于研究區(qū)南側(cè)。鉆探結(jié)果基本驗(yàn)證了地球物理勘查結(jié)果。

對(duì)鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)電視觀測(cè)，結(jié)果如圖6所示，發(fā)現(xiàn)孔壁破碎、不完整、有空洞等采空區(qū)特征，4煤層采空區(qū)未發(fā)現(xiàn)積水，東部9煤層采空區(qū)、10-2煤層采空區(qū)積水水位距地表103.60～111.50 m，西部9煤層采空區(qū)水位距地表88.40～95.00 m，水位以下采空區(qū)均已充水。

圖6 鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果Fig.6 Results of drilling TV

通過(guò)地球物理綜合勘探的剖面異常特征解釋和鉆探異常結(jié)果分析，獲得研究范圍內(nèi)采空區(qū)賦存特征及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)內(nèi)采空區(qū)情況

3 塌陷地大型建筑場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 地表殘余變形對(duì)擬建建筑穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)顆粒體介質(zhì)力學(xué)理論，假設(shè)在巖層移動(dòng)變形過(guò)程結(jié)束后所有采動(dòng)空隙均被充分充填并壓實(shí)，形成的地表移動(dòng)盆地應(yīng)是理想的隨機(jī)介質(zhì)模型(概率積分模型)下沉分布形式，如圖7中曲線′()，最大下沉量等于煤層開(kāi)采厚度與極限下沉系數(shù)′的乘積。

圖7 采空區(qū)上方理想下沉和實(shí)際下沉曲線[3]Fig.7 Ideal and actual sinking curves above the goaf[3]

地表極限下沉分布曲線為

(1)

式中，′()為理想的隨機(jī)介質(zhì)模型下沉曲線；為煤層開(kāi)采厚度，m；′為極限下沉系數(shù)；erf為誤差函數(shù)；為主要影響半徑，m；為距采空區(qū)邊界的距離，m。

在采礦過(guò)程中，由于破裂巖體碎脹和采空區(qū)邊界處頂板不充分垮落作用，地表實(shí)際下沉曲線為

(2)

式中，()為實(shí)際的隨機(jī)介質(zhì)模型下沉曲線；為一般下沉系數(shù)，<′<1；為拐點(diǎn)偏移距，m。

因此，采空區(qū)“活化”引起的地表附加下沉()為

()=′()-()=

(3)

采空區(qū)“活化”引起的地表附加水平變形()和傾斜變形()分別為

(4)

式中，為水平移動(dòng)系數(shù)。

概率積分法計(jì)算地表移動(dòng)與變形值所需的5個(gè)基本參數(shù)分別為下沉系數(shù)、主要影響角正切tan、水平移動(dòng)系數(shù)、開(kāi)采影響傳播角和拐點(diǎn)偏移距，研究區(qū)域殘余變形計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表2，其中，為煤層開(kāi)采深度。

表2 殘余變形參數(shù)

根據(jù)式(3)和(4)，獲得研究區(qū)地表因采空區(qū)“活化”引起的附加下沉為260 mm，附加水平變形(東西)為1.0 mm/m，附加水平變形(南北)為-1.1 mm/m，附加傾斜變形(東西)為1.8 mm/m，附加傾斜變形(南北)為1.8 mm/m，其中，附加下沉值超過(guò)了《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》允許的多層及高層建筑物在施工和使用期間地基變形要求，若不對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，將威脅新建建筑物的安全修建與使用。

3.2 建筑荷載對(duì)采空地層穩(wěn)定性影響分析

地下煤層采出后，當(dāng)?shù)乇戆肽陜?nèi)累計(jì)下沉量小于30 mm時(shí)，可認(rèn)為地表移動(dòng)期基本結(jié)束。在此采空區(qū)地表不進(jìn)行大規(guī)模工程建設(shè)時(shí)，地表會(huì)長(zhǎng)期保持這種穩(wěn)定狀態(tài)。若在此采空區(qū)地表新建建(構(gòu))筑物，當(dāng)建筑荷載影響深度與采空區(qū)覆巖垮落裂縫帶高度發(fā)生重疊時(shí)，采空地層將發(fā)生活化失穩(wěn)，導(dǎo)致地表再次發(fā)生較大不均勻沉降。

裂隙帶發(fā)育高度主要與煤層厚度、傾角、開(kāi)采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等有關(guān)，參照《建筑物、水體、鐵路及井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，選取如下公式計(jì)算：

(5)

式中，為裂隙帶發(fā)育高度，m；∑為地基中自上而下各層土或巖石的厚度，m。

地基中自重應(yīng)力用下式計(jì)算：

=++…+

(6)

式中，，，…，為地基中自上而下各層土或巖石的容重，kN/m；，，…，為地基中自上而下各層土或巖石的厚度，m。

基底附加應(yīng)力按下式計(jì)算：

=

(7)

式中,為豎向附加應(yīng)力系數(shù)；作用于基礎(chǔ)底面平均附加壓力，kN/m。

=-

(8)

式中，為建筑物基礎(chǔ)底面處豎向均布荷載，kN/m；為基礎(chǔ)底面標(biāo)高以上天然土層的容重，kN/m；為基礎(chǔ)埋深，m。

圖8 建筑荷載附加應(yīng)力影響深度與采空區(qū)關(guān)系Fig.8 Relationship between the depth of the additional stress of building load and the mined-out area

研究區(qū)內(nèi)第四系表土層厚度約為10 m，容重為20 kN/m；表土層以下巖層計(jì)算容重取25 kN/m，地下水位以下巖層取浮容重為15 kN/m，根據(jù)式(5)，(7)計(jì)算得出，研究區(qū)9煤層采空區(qū)裂縫帶高度最大為26 m，建筑荷載影響深度最大為66 m，2者之和為92 m，而該區(qū)域范圍內(nèi)9煤層采空區(qū)與上覆4煤層采空區(qū)最小間距85 m(西部)，最大間距130 m(東部)，如圖8所示，其中，為建筑物荷載；為地下巖層的自重應(yīng)力。因此，研究區(qū)域范圍內(nèi)部分建筑物地基穩(wěn)定性差，若不對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，將威脅新建建筑物的安全修建與使用。

4 采空地層高效注漿加固治理技術(shù)與工藝

4.1 注漿加固治理范圍

為有效治理研究區(qū)內(nèi)采空地層，根據(jù)建筑物尺寸、保護(hù)等級(jí)及與采空區(qū)位置關(guān)系，進(jìn)行注漿范圍計(jì)算。區(qū)域內(nèi)煤層較為平緩，平均傾角10°，第四系松散層移動(dòng)角取45°，基巖移動(dòng)角取70°，采用垂直剖面法，計(jì)算采空地層注漿加固治理范圍：

=+2+′

(9)

式中，為采空地層水平處理范圍，m；為建(構(gòu))筑物輪廓寬度，m；為維護(hù)帶寬度，m；′為采空區(qū)覆巖移動(dòng)影響寬度，m。

對(duì)于研究區(qū)內(nèi)采空區(qū)重疊部分，2者范圍取并集，上下采空區(qū)共用同一注漿孔，在下層采空地層治理結(jié)束后進(jìn)行上層采空地層治理；兼顧地表建筑物的重要等級(jí)及修建順序，確定采空地層注漿治理范圍，如圖9所示。采空地層治理深度至采空區(qū)底板以下2 m，治理范圍包括采空地層中的殘余空區(qū)和裂縫，注漿深度及層位如圖10所示。

圖9 治理范圍和鉆孔布置Fig.9 Governance scope and drilling layout

圖10 注漿深度及層位Fig.10 Grouting depth and position

4.2 注漿加固治理工藝

研究區(qū)內(nèi)分布有4，9，10-2煤層采空區(qū)，且采空區(qū)存在重疊區(qū)域，其中：10-2煤層采空區(qū)呈零星分布，與9煤層采空區(qū)相距較近甚至部分重合，因此將10-2煤層采空區(qū)與上部9煤層采空區(qū)作為一個(gè)注漿層位；4，9煤層采空區(qū)相距較遠(yuǎn)，將2者作為不同的注漿層位，全區(qū)共分成上述2個(gè)注漿層位。對(duì)于多個(gè)注漿層位，采用“一次成孔、上行注漿”方法；對(duì)于單個(gè)注漿層位，采用“一次成孔、一次注漿”方法。

..工藝流程

(1)布置鉆孔。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，漿液有效擴(kuò)散半徑為10～20 m，以此設(shè)計(jì)鉆孔間距。在地面東西走向注漿鉆孔布設(shè)間距為25 m，在南北走向注漿鉆孔布設(shè)間距為20 m，呈矩形布置；帷幕孔間距均為15 m。為進(jìn)一步保證建筑物的安全，在數(shù)據(jù)處理中心區(qū)域采空地層進(jìn)行加密注漿治理，研究區(qū)內(nèi)注漿鉆孔布置如圖9所示。

(2)選擇注漿材料。由于粉煤灰壓縮系數(shù)小且就地取材經(jīng)濟(jì)便宜，因此選擇粉煤灰作為注漿液的主要材料，但其黏結(jié)性不好，活性較差，所以漿液中還需加一定比例的水泥，從而提高充填體強(qiáng)度和防止震動(dòng)液化。針對(duì)較大空洞，采用石屑(粒徑0.5～10 mm)作為骨料混入漿液進(jìn)行填充。

(3)拌制漿液。將水泥、粉煤灰和水按照一定比例加入一級(jí)攪拌罐進(jìn)行混合攪拌，所得混合漿液流入二級(jí)攪拌罐進(jìn)行二次攪拌，經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾大塊雜質(zhì)后，制得滿足要求的水泥粉煤灰漿，注漿攪拌站設(shè)備配置如圖11所示。

(4)注漿施工。根據(jù)采空區(qū)層位不同，研究區(qū)域采空地層加固治理工藝分一次注漿工藝和上行式注漿工藝，2種工藝流程如圖12所示。

圖11 注漿攪拌站示意Fig.11 Schematic diagram of grouting mixing station

圖12 注漿工藝流程Fig.12 Grouting process

一次注漿和上行式注漿工藝相同之處在于均為一次成孔，且需經(jīng)過(guò)無(wú)壓自流和加壓擴(kuò)散2個(gè)階段；不同之處在于上行式注漿需自下而上逐段重復(fù)一次注漿工藝流程以完成采空地層注漿。無(wú)壓自流工序的主要步驟為：注漿管與漿液面控制裝置的探頭下放至預(yù)定位置，按漿液由稀到濃的順序，利用大流量無(wú)壓泵將其注入采空地層，并根據(jù)所注采空地層情況按一定比例向漿液中添加骨料，當(dāng)漿液面達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，漿液面控制裝置工作，控制電路導(dǎo)通，自動(dòng)切斷混凝土輸送泵電源，無(wú)壓自流工序完成，轉(zhuǎn)入加壓擴(kuò)散工序。加壓擴(kuò)散工序的主要步驟為：止?jié){塞預(yù)先下放至所需治理采空地層上部完整基巖段，使其注水膨脹后填塞注漿管與井壁間的空隙，阻止?jié){液沿井壁上行，再利用高壓泵將漿液注入采空地層，直至達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)后，停止注漿；整套系統(tǒng)的注漿能力為45 m/h。

(5)結(jié)束注漿。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為終量終壓，注漿壓力可以有效推動(dòng)漿液在采空地層擴(kuò)散，但漿液擴(kuò)散有一定范圍，過(guò)大的注漿壓力會(huì)造成巖層劈裂和抬動(dòng)，甚至導(dǎo)致地面隆起。由于采空地層結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，漿液在采空地層擴(kuò)散特征不恒定，表現(xiàn)為所監(jiān)測(cè)的漿液壓力值存在突變，因此不能以單純某一時(shí)刻達(dá)到設(shè)計(jì)終孔壓力值作為結(jié)束注漿標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)在達(dá)到終孔壓力，且注漿量小于一定值、持壓一定時(shí)間后，方可結(jié)束注漿，以此確保漿液充分填充所擴(kuò)散范圍內(nèi)的殘余空區(qū)和裂縫并盡量濾除多余的水分。

參考《煤礦采空區(qū)建(構(gòu))筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》，對(duì)4煤層采空地層進(jìn)行注漿時(shí)，當(dāng)帷幕孔孔口壓力達(dá)到1 MPa且泵量小于70 L/min時(shí)，持壓30 min；當(dāng)注漿孔孔口壓力達(dá)到1.5 MPa且泵量小于30 L/min時(shí)，持壓30 min；對(duì)9，10-2煤層采空地層進(jìn)行注漿時(shí)，當(dāng)帷幕孔孔口壓力達(dá)到2.5 MPa且泵量小于30 L/min時(shí)，持壓30 min；當(dāng)注漿孔孔口壓力達(dá)到3.0 MPa且泵量小于30 L/min時(shí)，持壓30 min；以此作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

..注漿加固治理效果檢測(cè)

由于采空地層治理工程的隱蔽性和復(fù)雜性，在注漿工程結(jié)束后很難直觀判斷注漿加固治理效果。為檢驗(yàn)注漿加固治理效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證注漿設(shè)計(jì)的合理性，需進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

注漿結(jié)束3個(gè)月后，開(kāi)展采空地層注漿加固治理效果檢驗(yàn)。在注漿區(qū)進(jìn)行鉆探，檢查孔布置在兩注漿孔連線中點(diǎn)處，檢測(cè)手段包括：在鉆探過(guò)程中記錄鉆孔沖洗液漏失量；統(tǒng)計(jì)注漿段巖心中結(jié)石形狀、展布特點(diǎn)、厚度、膠結(jié)狀況以及裂隙充填情況；進(jìn)行注漿段巖心單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)試其單軸壓縮強(qiáng)度等參數(shù)；對(duì)檢測(cè)孔進(jìn)行二次注漿，通過(guò)分析注漿量來(lái)間接判斷地下空區(qū)充填率。

對(duì)高層建筑和數(shù)據(jù)處理中心周圍鉆取的結(jié)石體如圖13所示，結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度均在9 MPa以上，說(shuō)明破碎巖石膠結(jié)效果良好，具有一定強(qiáng)度；鉆孔沖洗液顯示無(wú)漏失或少量漏失，表明采空地層注漿加固效果較好，不存在較大的空洞和裂縫。二次注漿檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，各鉆孔二次壓漿量均小于周邊鉆孔注漿量平均值的10%，說(shuō)明所注漿液已有效充填了采空地層空隙，殘留未注滿空隙較少。

圖13 鉆孔取心檢測(cè)結(jié)果Fig.13 Drilling and coring test results

表3 檢測(cè)孔二次壓漿量

5 采煤塌陷地大型工程建設(shè)利用

5.1 擬建建筑物特點(diǎn)及變形要求

擬建的4棟高層建筑高度均在45 m以上，最高為69 m，均屬于Ⅰ級(jí)保護(hù)建筑物。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中多層和高層建(構(gòu))筑物的地基傾斜變形允許值(表4)為2.5(22，18層)和3 mm/m(14層)。擬建數(shù)據(jù)處理中心的電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂，該建筑的基礎(chǔ)設(shè)施按容錯(cuò)系統(tǒng)配置，即在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間，基礎(chǔ)設(shè)施在一次意外事故后或單系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)或檢修時(shí)仍能保證電子信息系統(tǒng)正常運(yùn)行。另外，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》，變形縫不宜穿過(guò)主機(jī)房。擬建的2類大型建筑具有嚴(yán)格的變形要求和特殊功能需求，建筑物地基的細(xì)微變形都可能對(duì)建筑物安全穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

表4 建筑物的地基變形允許值[17]

5.2 擬建建(構(gòu))筑物受采空區(qū)地表變形影響特征及其抗變形設(shè)計(jì)

不同類型建(構(gòu))筑物受采空區(qū)地表移動(dòng)變形影響特征不同，分析擬建2類大型建筑物受采空區(qū)地表變形影響特征，如圖14所示，綜合考量多種抗變形方法和措施，進(jìn)行相應(yīng)的建筑物抗變形設(shè)計(jì)，如圖15所示。

圖14 擬建建(構(gòu))筑物受采空區(qū)地表變形影響特征Fig.14 Characteristics of the proposed building(structure) affected by the surface deformation of the mined-out area

圖15 擬建建(構(gòu))筑物相關(guān)抗變形技術(shù)[3]Fig.15 Anti-deformation technology related to the proposed building(structure)[3]

地表傾斜變形使高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，導(dǎo)致填充墻和主體結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫或損壞，影響正常使用，甚至破壞。基于上述特點(diǎn)，高層建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，變化宜均勻、連續(xù)，不應(yīng)突變；豎向宜規(guī)則、均勻，避免有過(guò)大的外挑和內(nèi)收，側(cè)向剛度宜下大上小，均勻變化，不宜采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)；豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上、下連續(xù)貫通。設(shè)置砂墊層或砂石墊層以減少地基反力的不均勻性，并有效吸收地表水平變形、曲率變形和部分傾斜變形的影響。

大跨度建筑物對(duì)地表變形較為敏感，特別是所處位置的地表出現(xiàn)拉伸時(shí)，建筑物內(nèi)部較大的拉應(yīng)力極易造成建筑物結(jié)構(gòu)破壞。基于上述特點(diǎn)，大跨度建筑物形式應(yīng)力求簡(jiǎn)單，平面形狀以矩形為主，盡量避免立面高低起伏和平面凹凸曲折，盡量使質(zhì)量、剛度均勻分布?？稍O(shè)置變形縫、砂墊層和滑動(dòng)層以吸收地表水平變形、曲率和部分傾斜的影響，設(shè)置基礎(chǔ)連系梁以增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性，加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度以提高建筑物的抗變形能力。

結(jié)合高層建筑附加應(yīng)力大且分布密集的特點(diǎn)，主體建筑基礎(chǔ)采用“樁+筏板”形式，使附加應(yīng)力均勻傳至地基；并將高層建筑下的部分注漿鉆孔作為小樁基，增強(qiáng)地基承載能力。由于數(shù)據(jù)處理中心變形要求嚴(yán)格且變形縫不宜穿過(guò)主機(jī)房，因此通過(guò)設(shè)置基礎(chǔ)連系梁和增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的措施來(lái)增強(qiáng)其抗變形能力。

5.3 建筑運(yùn)營(yíng)效果

采煤塌陷地上方建(構(gòu))筑物修建過(guò)程中，須進(jìn)行地面變形觀測(cè)，以保證建(構(gòu))筑物的安全建設(shè)，并對(duì)采煤塌陷地的治理效果跟蹤檢驗(yàn)。

..建筑場(chǎng)地地面下沉監(jiān)測(cè)

基于數(shù)據(jù)處理中心特殊功能需求以及大跨度的形態(tài)特點(diǎn)，在采空地層注漿過(guò)程及建筑修建過(guò)程中對(duì)該區(qū)域地面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理中心西側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)(自北向南依次為GC5，GC6和GC7)的地面標(biāo)高變化如圖16所示，其中正值表示地面抬升，負(fù)值表示地面下降。

在注漿工程中，地面逐漸上升，注漿完成后地面又下降；隨著數(shù)據(jù)處理中心建筑物的建設(shè)，地面發(fā)生下沉，至建筑物地面3層建設(shè)完成(距采空地層注漿加固治理結(jié)束300 d)時(shí)，地面最大下沉5 mm，標(biāo)高變化趨于平緩，平均沉陷速度為0.01 mm/d，符合《建筑變形測(cè)量規(guī)范》相關(guān)要求，認(rèn)為地面變形已進(jìn)入穩(wěn)定階段。

圖16 注漿及建筑物修建過(guò)程地面標(biāo)高變化Fig.16 Ground elevation changes during grouting and building construction

..建筑物運(yùn)營(yíng)情況

研究區(qū)實(shí)現(xiàn)了大跨度、高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理中心，22層綜合樓等大型建筑群在3層采空區(qū)上的安全修建，如圖17所示，已吸引數(shù)十家企業(yè)、高校創(chuàng)新中心入駐，目前運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定。采煤塌陷地建設(shè)利用改變了塌陷地荒蕪的狀態(tài)，提升了塌陷地土地利用價(jià)值，使塌陷地成為生態(tài)宜居之地，滿足了礦業(yè)城市轉(zhuǎn)型發(fā)展建設(shè)用地需求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

圖17 研究區(qū)內(nèi)建筑物建設(shè)及使用情況Fig.17 Construction and use of buildings in the study area

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié) 論

(1)通過(guò)調(diào)查與測(cè)繪、地球物理綜合勘探和鉆探相結(jié)合的方法，進(jìn)行了老采空區(qū)精細(xì)勘查，獲得了研究區(qū)內(nèi)4煤層、9煤層和10-2煤層采空區(qū)分布位置、重疊關(guān)系、采出率、含水性等參數(shù)，揭示了老采空區(qū)賦存特征。

(2)從地表殘余變形對(duì)建筑物穩(wěn)定性影響和建筑荷載對(duì)采空地層穩(wěn)定性影響2個(gè)方面分析、評(píng)價(jià)了研究區(qū)大型建筑場(chǎng)地穩(wěn)定性。結(jié)果表明：采空區(qū)活化導(dǎo)致的地表殘余變形超過(guò)擬建建筑物地基變形允許值，同時(shí)擬建建筑荷載影響深度與研究區(qū)采空覆巖垮落裂隙帶高度存在重合區(qū)域，采空地層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要加固治理。

(3)采用了“無(wú)壓自流+加壓擴(kuò)散”高效注漿技術(shù)與工藝進(jìn)行了采空地層加固治理，注漿能力為45 m/h；通過(guò)鉆孔沖洗液漏失、結(jié)石體單軸壓縮試驗(yàn)、二次壓漿等手段進(jìn)行了加固治理效果評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：采空地層內(nèi)空洞及裂隙已基本被漿液填充，形成的結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度均大于9 MPa。

(4)分析了擬建的2類大型建筑受采空區(qū)地表變形影響特征，并進(jìn)行相應(yīng)的抗變形設(shè)計(jì)。高層建筑主體建筑基礎(chǔ)采用“樁+筏板”形式，并將高層建筑下的部分注漿鉆孔作為小樁基，增強(qiáng)地基承載能力。通過(guò)設(shè)置基礎(chǔ)連系梁和增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的措施來(lái)提高大跨度數(shù)據(jù)處理中心的抗變形能力。

(5)實(shí)現(xiàn)了大跨度(長(zhǎng)×寬=65 m×85 m)、高標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)標(biāo)A級(jí)及Uptime Institute Tier Standard Ⅲ國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))數(shù)據(jù)處理中心和22層(高度69 m)綜合樓等大型建筑群在3層采空區(qū)上的安全修建與運(yùn)營(yíng)。

6.2 展 望

(1)采煤塌陷地的治理將是一項(xiàng)礦業(yè)城市發(fā)展建設(shè)的常態(tài)工作，塌陷地建設(shè)利用應(yīng)將采空區(qū)治理與地面建設(shè)利用的優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化2者的匹配關(guān)系，做到采空區(qū)精確治理。

(2)目前采煤塌陷地的勘查技術(shù)主要為地球物理勘查與鉆孔勘探，兩者工程量均較大，同時(shí)物探結(jié)果還需鉆探結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，這導(dǎo)致勘查效率低、成本高，因此迫切需要研發(fā)針對(duì)地下老采空區(qū)的高效精準(zhǔn)勘查技術(shù)。

(3)本文采用注漿方式進(jìn)行采空地層加固治理，效果較為理想，但就注漿材料、注漿工藝方面，如漿液的配比最優(yōu)值、注漿壓力最優(yōu)值、不同濃度和成分漿液擴(kuò)散范圍等仍有可優(yōu)化提升空間。