擬建建筑物下方多煤層采空區(qū)治理分析

鮑永生

（晉能控股集團(tuán)有限公司，山西 大同 037000）

在采空區(qū)上方擬建建筑物時(shí)，由于建筑物自身的載荷作用在老舊采空區(qū)上，可能打破地層下方采空區(qū)的平衡狀態(tài)，造成采空區(qū)覆巖失穩(wěn)，巖層斷裂、垮落和坍塌，進(jìn)而對(duì)地表建筑物穩(wěn)定性造成影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者展開(kāi)了多方研究，劉書(shū)杰[1]利用理論分析和數(shù)值模擬對(duì)建筑物穩(wěn)固性做出評(píng)估；楊喆等[2]分析了逐煤層開(kāi)采后形成的多煤層采空區(qū)對(duì)上部建筑物穩(wěn)定性的影響；張仰光等[3]認(rèn)為為了保證采空區(qū)上方的建筑物的穩(wěn)定性，需采取一定抗變形措施；尹麗軍等[4]介紹了注漿法在老采空區(qū)場(chǎng)地修建建筑物的應(yīng)用。對(duì)于擬建建筑物下方存在的多煤層采空區(qū)的分析治理問(wèn)題，還需進(jìn)一步探索。為此以馬脊梁煤礦新建副立井工業(yè)廣場(chǎng)下方多煤層采空區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析并提出治理方案，預(yù)防建筑物出現(xiàn)下沉變形等破壞，保障副立井工業(yè)廣場(chǎng)的安全建設(shè)。

1 工業(yè)廣場(chǎng)下采空區(qū)及上覆巖層穩(wěn)定性分析

馬脊梁煤礦是晉能控股煤業(yè)集團(tuán)開(kāi)采侏羅系煤層15 個(gè)大型礦井之一。井田內(nèi)含煤14 層，僅3 層為不可采煤層。除去已采空和其他煤窯開(kāi)采的煤層，井田內(nèi)可采煤層由上到下依次為7#、8#、9#、10#、11-1#、11-2#、12#、14-2#、14-3#煤層，總平均厚度為13.26 m。主要可采煤層有7#、11-2#、14-2#、14-3#煤層。

1.1 采空區(qū)賦存情況及煤柱穩(wěn)定性

馬脊梁煤礦副立井工業(yè)廣場(chǎng)下方煤層開(kāi)采狀況：①2#煤層：大部分治理區(qū)域下為四老溝煤礦1985—1986 年采掘，屬于淺層采空區(qū)，場(chǎng)地已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定階段；②11#煤層：在辦公樓、35 kV 變電所及水處理間治理區(qū)域下為四老溝礦1999 年采掘，屬于中深層采空區(qū)；③14-2#煤層：在廣場(chǎng)西南部下面為四老溝礦2007 年采掘，屬于深層采空區(qū)；④14-3#煤層：辦公樓、35 kV 變電所、水處理間及黃泥灌漿站治理區(qū)域下為四老溝礦2002—2010 年采掘，屬于深層采空區(qū)。

根據(jù)Wilson 理論，采空區(qū)垂直應(yīng)力與距煤壁的距離成正比[5]。當(dāng)該距離達(dá)到0.3H 時(shí)（H 為開(kāi)采深度），采空區(qū)垂直應(yīng)力恢復(fù)到原始荷載ρgH，兩側(cè)垮落巖石膨脹情況下的煤柱示意圖如圖1。

圖1 兩側(cè)垮落巖石膨脹情況下的煤柱示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal pillar under expansion of falling rock on both sides

式中：b 為采寬，m。

若計(jì)算出的K 值大于1，認(rèn)為廣場(chǎng)區(qū)域內(nèi)遺留煤柱是穩(wěn)定的；K 值小于1，則遺留煤柱是不穩(wěn)定的，其承載能力不足以支撐上覆巖層的重力。

以副立井廣場(chǎng)下2#煤層為例進(jìn)行計(jì)算，由2#煤層開(kāi)采情況可知，該煤層所留設(shè)煤柱寬度a 為11～17 m，工作面采寬b 為80～86 m，計(jì)算出K=0.55＜1，可知區(qū)域內(nèi)2#煤層遺留的煤柱是不穩(wěn)定的。同理，由副立井廣場(chǎng)下11#、14-2#、14-3#煤層情況，計(jì)算出K 值分別為0.65、0.61、0.62，均小于1，故擬建工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)遺留煤柱不穩(wěn)定，不足以支撐上覆巖層重力。

從開(kāi)采時(shí)間上分析，除部分14-3#煤層外，大部分的開(kāi)采時(shí)間都超過(guò)了36 個(gè)月，參照大同地區(qū)采空區(qū)沉陷變形規(guī)律，一般認(rèn)為由于采掘活動(dòng)引起的地面變形已經(jīng)基本結(jié)束。

1.2 建筑物載荷影響深度

引起建筑物地基發(fā)生形變，使建筑物發(fā)生沉降的主要原因是新建建筑物在地基上增加的附加應(yīng)力。煤礦工業(yè)廣場(chǎng)上部分建筑物的荷載一般都很大，如煤倉(cāng)、主廠房等，這些建筑物在地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力擾動(dòng)深度可達(dá)數(shù)十米，可能觸及采空區(qū)范圍，對(duì)采空區(qū)上方巖層產(chǎn)生影響，造成采空區(qū)四周圍巖體失穩(wěn)而產(chǎn)生新的移動(dòng)變形。當(dāng)移動(dòng)變形量達(dá)到一定程度時(shí)，足以影響地表建筑物的穩(wěn)定，嚴(yán)重威脅地表建筑物的安全。

建筑物的類型、基礎(chǔ)型式、荷載不同,其作用于地基上附加應(yīng)力的分布形式、地基沉降量和地基擾動(dòng)深度也不同[6-8]。一般當(dāng)?shù)鼗懈郊討?yīng)力等于相應(yīng)位置處自重應(yīng)力的10%時(shí)，則該深度處建筑物荷載產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)[9]。出于安全考慮，取附加應(yīng)力值小于5%自重應(yīng)力值的相應(yīng)深度處，作為本次地表擬建工業(yè)廣場(chǎng)的影響深度。

地下任意深度z 處的自重應(yīng)力應(yīng)為：

式中：σZ為地基中深度為z 到集中力P 作用點(diǎn)的距離為R 處的豎向應(yīng)力，kPa；p 為P 點(diǎn)的豎直集中力，kPa；z 為基礎(chǔ)下深度，m；R 為基礎(chǔ)下深度到作用點(diǎn)P 的距離，m。

工程實(shí)踐中，任何建筑物的荷載傳遞給地基時(shí)，需要通過(guò)一定尺寸的基礎(chǔ)，很少存在集中力作用在地基上的情況，常見(jiàn)形式有矩形基礎(chǔ)和圓形基礎(chǔ)。

1）矩形基礎(chǔ)均布荷載作用下σZ為：

選取均布荷載較大的副立井井架為例進(jìn)行計(jì)算，得出副立井井架的最大影響深度為53 m。其他場(chǎng)地設(shè)施計(jì)算方法同理，最終確定出：副立井提升機(jī)房的最大影響深度為38 m；副立井配電室的最大影響深度為33 m；辦公樓的最大影響深度為28 m，回風(fēng)井配電室的最大影響深度為23 m，綜采設(shè)備庫(kù)的最大影響深度為33 m。

綜上，副立井工業(yè)廣場(chǎng)擬建建筑物對(duì)地基的最小影響深度為23 m，最大影響深度為55 m。

1.3 采空區(qū)上覆巖層破環(huán)高度及穩(wěn)定性

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》和經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算煤層開(kāi)采后頂板巖層垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞У母叨萚10]。以采用走向長(zhǎng)壁式全陷綜合采煤方法為例，中硬巖層垮落帶高度Hm，中硬巖層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨菻li分別為：

式中：Hm為中硬巖層垮落帶高度，m；Hli為中硬巖層導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?，m；∑M 為煤層開(kāi)采厚度（取區(qū)域內(nèi)煤層厚度最大值），m。

大同地區(qū)侏羅系煤層的頂板大多為砂巖或者礫巖，屬于中硬巖層，2#、11#、14-2#、14-3#煤層均采用綜合采煤方法，各煤層采空區(qū)垮落帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞в?jì)算見(jiàn)表1。

表1 各煤層采空區(qū)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算Table 1 Calculation of caving zone and water-conducting fracture zone in goaf of each coal seam

將表1 數(shù)據(jù)與采空區(qū)埋深進(jìn)行對(duì)比，確定需要治理或重點(diǎn)治理的采空區(qū)：①2#煤層采空區(qū)垮落帶高度、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?、安全距離與上部荷載影響深度（取工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)回風(fēng)井配電室荷載影響深度）之和91.38 m 大于煤層頂板89.97 m，故應(yīng)該對(duì)整個(gè)工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)存在2#煤層采空區(qū)的區(qū)域進(jìn)行充填治理；②11#、14-2#、14-3#煤層埋藏較深，屬于中深、深層采空區(qū)，其采空區(qū)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗h(yuǎn)低于建筑物荷載影響深度，暫時(shí)不列入本次充填范圍；③井筒穿越的采空區(qū)不受上述分析和結(jié)論影響，應(yīng)以井筒為中心一定半徑范圍內(nèi)的、穿越的各個(gè)煤層的采空區(qū)都要充填治理。

1.4 井筒穿越的采空區(qū)范圍

為確保工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)井筒的安全施工以及日后井筒的正常使用，需對(duì)井筒穿過(guò)的采空區(qū)一定范圍內(nèi)進(jìn)行充填，使其能夠支持井筒的安全施工及正常使用。擬建工業(yè)場(chǎng)地下的煤層屬于近水平煤層，煤層傾角小，為2°～3°，因此，對(duì)于井筒穿過(guò)采空區(qū)的治理范圍的確定可以暫不考慮充填體滑移的影響。

根據(jù)以往工程實(shí)踐和本井田采空區(qū)狀況，對(duì)井筒中心40 m 半徑范圍內(nèi)穿越的采空區(qū)域進(jìn)行壓力充填。

1.5 副立井工業(yè)廣場(chǎng)受開(kāi)采影響地表移動(dòng)變形

煤層開(kāi)采后，采空區(qū)頂板巖層的垮落、斷裂和彎曲下沉?xí)饾u波及至地表，引起地表的移動(dòng)變形[11]。由于目前沒(méi)有工業(yè)場(chǎng)地的地表移動(dòng)實(shí)測(cè)資料，亦無(wú)法對(duì)上述地表移動(dòng)特征值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)此引入剩余變形系數(shù)△V，即地表達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，采空區(qū)剩余空洞體積占地表未移動(dòng)變形之前采空區(qū)的體積的比例，△V 的取值需要考慮采空區(qū)埋深、煤層開(kāi)采方法、沉陷時(shí)間等因素。根據(jù)工業(yè)場(chǎng)地的采空區(qū)物探工作報(bào)告和以往工程設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，由于2#煤層沉陷時(shí)間較長(zhǎng)，△V 綜合取0.40；11#、14-2#、14-3#煤層沉陷時(shí)間較短，△V 綜合取0.45。

2 治理范圍的確定計(jì)算及分區(qū)

2.1 治理范圍的確定及分區(qū)

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)的Ⅰ級(jí)保護(hù)建筑物有：35 kV 變電所、回風(fēng)井通風(fēng)機(jī)房及配電室、副立井井口房、副立井提升機(jī)房及配電室；場(chǎng)區(qū)內(nèi)其余建筑物定為Ⅱ級(jí)。因此，Ⅰ級(jí)保護(hù)等級(jí)建筑物圍護(hù)帶寬度取20 m，Ⅱ級(jí)保護(hù)建筑物圍護(hù)帶寬度取15 m。根據(jù)相關(guān)煤礦井筒建設(shè)穿越采空區(qū)的治理實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)2 個(gè)井筒保護(hù)治理范圍取以井筒為中心、半徑40 m 的區(qū)域。

擬建工業(yè)廣場(chǎng)采空區(qū)治理范圍，采用移動(dòng)角法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中：β′為下山方向頂板巖層移動(dòng)角，（°）；γ′為上山方向頂板巖層移動(dòng)角，（°）；γ 為上山方向的巖層移動(dòng)角，（°）；β 為下山方向的巖層移動(dòng)角，（°）；δ為走向方向的巖層移動(dòng)角，（°）；θ 為圍護(hù)帶邊界與煤層傾向線之間所夾的銳角，（°）。

垂線法設(shè)計(jì)建設(shè)群保護(hù)煤柱如圖2。

圖2 垂線法設(shè)計(jì)建設(shè)群保護(hù)煤柱Fig.2 Vertical line method used to design and construct group protective coal pillars

式中：q 為上山方向煤柱長(zhǎng)度，m；l 為下山方向煤柱長(zhǎng)度，m；h 為松散層厚度，m；H 為煤層到地表的垂深，m；α 為煤層傾角，（°）。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，該廣場(chǎng)上建筑物治理范圍邊界在圍護(hù)帶的基礎(chǔ)上，垂線長(zhǎng)度q 和l 再各取15 m 作為治理范圍的邊界。井筒治理范圍仍然取以井筒為中心、半徑為40 m 的區(qū)域。

根據(jù)廣場(chǎng)上的建筑物的位置、類別，以及考慮到下一步治理需分部、分期進(jìn)行，治理范圍的計(jì)算劃分為3 類，采空區(qū)治理范圍分類及2#煤層采空區(qū)空洞體積計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 采空區(qū)治理范圍分類及2#煤層采空區(qū)空洞體積計(jì)算Table 2 Classification of goaf treatment range and calculation table of No.2 coal seam goaf cavity volume

2.2 治理范圍內(nèi)采空區(qū)剩余空洞體積

根據(jù)治理范圍分區(qū)以及對(duì)應(yīng)2#、3#、7#、11#、14-2#、14-3#各煤層開(kāi)采情況，采空區(qū)總剩余空洞體積V 分各個(gè)煤層采空區(qū)進(jìn)行計(jì)算。2#煤層的剩余空洞體積直接利用四老溝礦煤層的采掘平面圖推算得出。

式中：V 為采空區(qū)剩余空洞體積，m3；S 為采空區(qū)治理面積，m2；H 為開(kāi)采厚度，m，暫取煤層厚度；K為煤層回采率，井筒治理區(qū)域下的11#、14-2#、14-3#煤層無(wú)明確開(kāi)采情況，多為煤礦巷道，回采率暫取0.40；△V 為剩余變形系數(shù)，2#煤采空區(qū)的△V 取0.40，11#、14-2#、14-3#煤采空區(qū)△V 取0.45。

以2#煤層為例，其余煤層因?yàn)槁裆钶^大，除井筒治理區(qū)外，無(wú)需對(duì)場(chǎng)地內(nèi)其他治理區(qū)建筑進(jìn)行空洞體積計(jì)算，計(jì)算得出其余煤層副立井治理區(qū)剩余空洞體積分別為11#煤層2 895.55 m3、14-2#煤層1 809.72 m3、14-3#煤層1 628.75 m3；回風(fēng)立井治理區(qū)剩余空洞體積分別為11#煤層2 805.07m3、14-2#煤層1 809.72 m3、14-3#煤層1 628.75 m3。

根據(jù)計(jì)算，治理范圍內(nèi)井筒治理區(qū)及一、二類治理區(qū)的空洞體積統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：井筒治理區(qū)內(nèi)（副立井治理區(qū)、回風(fēng)立井治理區(qū)）剩余空洞體積為21 947.89 m3；一類治理區(qū)內(nèi)（35 kV 變電所、副立井井架、副立井井口房等）剩余空洞體積為26 840.75 m3；二類治理區(qū)內(nèi)（調(diào)節(jié)沉淀池、日用消防水池、中央水池等）剩余空洞體積為48 729.63 m3。綜上，治理區(qū)范圍內(nèi)剩余空洞體積合計(jì)97 518.27 m3。

3 治理方案

3.1 總體方案

治理方案總體設(shè)計(jì)為：在井筒鑿井之前和35 kV 變電所土建施工結(jié)束后采用地面注漿充填，對(duì)井筒穿越的及35 kV 變電所下伏采空區(qū)逐層進(jìn)行綜合治理，確保井筒及35 kV 變電所的安全施工和使用。

通過(guò)對(duì)多煤層采空區(qū)進(jìn)行注漿，使各煤層采空區(qū)空間或采空區(qū)的垮落帶以及上方巖層的斷裂帶被漿液填充后，形成漿液結(jié)石體，增加其對(duì)上方巖層的支撐力，降低該區(qū)域的滲透性，保證地面及地面擬建建筑物的安全修建和使用。

3.2 注漿工程量計(jì)算

由于本工業(yè)廣場(chǎng)下方存在小煤窯開(kāi)采情況，因此各煤層采空區(qū)注漿量按照前文設(shè)計(jì)經(jīng)行預(yù)測(cè)估算。

根據(jù)采空區(qū)治理范圍分區(qū)及井下煤層分布，注漿量Q 參照采空區(qū)剩余空洞體積，分治理區(qū)域分煤層計(jì)算。

式中：Q 為采空區(qū)注漿量，m3；A 為漿液損耗系數(shù)，取1.05；η 為注漿充填率（根據(jù)采空區(qū)治理范圍分區(qū)及建物保護(hù)級(jí)別取值，一類治理區(qū)綜合取值0.8，二類治理區(qū)綜合取值0.7，井筒治理區(qū)綜合取值0.9）；c 為漿液結(jié)石率，取0.85。

以2#煤層為例進(jìn)行計(jì)算，其余煤層因?yàn)槁裆钶^大，除井筒治理區(qū)外，無(wú)需對(duì)場(chǎng)地內(nèi)其他治理區(qū)建筑進(jìn)行注漿量的計(jì)算，計(jì)算得出其余煤層副立井治理區(qū)注漿量分別為：11#煤層3 219 m3、14-2#煤層2 012 m3、14-3#煤層1 811 m3；回風(fēng)立井注漿量分別為：11#煤層3 119 m3、14-2#煤層2012 m3、14-3#煤層1 811 m3。

根據(jù)計(jì)算，對(duì)治理范圍內(nèi)井筒治理區(qū)及一、二類治理區(qū)的注漿量統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：井筒治理區(qū)（副立井治理區(qū)、回風(fēng)立井治理區(qū)）注漿量為24 401 m3；一類治理區(qū)（35 kV 變電所、副立井井架、副立井井口房等）注漿量為26 525 m3；二類治理區(qū)（調(diào)節(jié)沉淀池、日用消防水池、中央水池等）注漿量為42 137 m3。綜上，治理區(qū)范圍內(nèi)注漿量合計(jì)為93 063 m3。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）對(duì)馬脊梁礦副立井工業(yè)廣場(chǎng)下采空區(qū)分布情況進(jìn)行了概括，分析得出采空區(qū)中煤柱及采空區(qū)垮落矸石的承載能力不足以支撐上覆巖層重力。

2）計(jì)算得出2#煤層采空區(qū)的垮落帶高度、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?、安全距離與上部載荷影響深度之和為91.38 m，大于煤層頂板89.97 m，確定2#煤層采空區(qū)為重點(diǎn)治理區(qū)域。

3）根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在建筑物治理范圍邊界維護(hù)帶的基礎(chǔ)上，依據(jù)垂線法計(jì)算出的上山方向和下山方向煤柱長(zhǎng)度再各取15 m 作為治理范圍邊界，并根據(jù)建筑物類別等因素，計(jì)算出各類建筑物的治理范圍及空洞體積。