賈汪城區(qū)多層煤礦采空區(qū)治理探討

陳益民，吳洪樓

徐州中國礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司,徐州 221100)

徐州市賈汪區(qū)現(xiàn)城區(qū)范圍內(nèi)有煤系地層分布，有多層可采煤層，煤炭開采歷史長，從19世紀(jì)80年代就有現(xiàn)代采煤活動，解放后，國有韓橋煤礦、地方煤礦-鹽城礦務(wù)局、淮陰礦務(wù)局以及眾多地方小煤礦進(jìn)行煤炭開采，至2001年年底賈汪城區(qū)范圍內(nèi)的煤礦全部關(guān)閉，到2015年底徐州礦務(wù)集團(tuán)旗山礦也閉坑停止產(chǎn)煤，至此賈汪地區(qū)所有煤礦均關(guān)閉。當(dāng)?shù)孛禾抠Y源經(jīng)過長期開采，遺留了大量的采空區(qū)，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)留下了安全隱患。

2011年11月，賈汪區(qū)被批準(zhǔn)為第三批資源枯竭型城市，這為賈汪區(qū)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展帶來巨大機(jī)遇。目前賈汪區(qū)城市規(guī)模越來越大，入駐的建設(shè)項目越來越多，土地資源緊缺成為制約地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要因素。與此同時，區(qū)內(nèi)多年煤礦開采形成的大面積采空塌陷區(qū)很多處于閑置和撂荒狀態(tài)，未能充分合理地開發(fā)利用。為了更加經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行采空區(qū)治理，本文根據(jù)賈汪地區(qū)的煤層賦存和開采情況，提出了對不同深度的采空區(qū)采取不同的治理措施，不僅可以確保采空區(qū)場地的建筑物的安全使用，而且能夠節(jié)約大量的建設(shè)資金。

1 賈汪城區(qū)地質(zhì)條件簡介[1]

1.1 地層巖性

賈汪城區(qū)地層屬“華北地層魯西分區(qū)徐宿小區(qū)”，但發(fā)育不全，上元古界青白口系土門群是區(qū)內(nèi)分布的最老地層，其上為震旦系城山組-魏集組，古生界寒武系、奧陶系中下統(tǒng)、石炭系中上統(tǒng)和二疊系及新生界第四系中上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。巖漿巖不甚發(fā)育，僅在汴塘和塔山一帶零星分布，有輝綠巖體或巖脈。城區(qū)及其周邊分布的基巖地層主要為奧陶系碳酸鹽巖、石炭系-二疊系含煤系地層，巖性主要為石灰?guī)r、白云巖、砂質(zhì)頁巖、頁巖等。

賈汪城區(qū)及其周邊地區(qū)詳細(xì)地層結(jié)構(gòu)見表1。

表1 區(qū)域地層結(jié)構(gòu)表

1.2 煤層情況

賈汪城區(qū)的地下煤層主要分布于賈汪復(fù)式向斜中，已有一百多年的采煤歷史，區(qū)內(nèi)有國有大型煤礦韓橋礦，地方中小型煤礦鹽城礦務(wù)局的濱海礦、東風(fēng)礦、南莊礦、大李莊礦等，以及眾多的地方小煤礦。

賈汪城區(qū)及外圍含煤地層主要為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、下統(tǒng)山西組及石炭系太原組，共含煤22層。分布的各煤層基本特征如下：

含煤地層主要為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組及石炭系太原組，煤系地層厚度438 m，含煤系數(shù)3.0%，煤層總厚約13.16 m。其中可采煤6層，煤厚度7.70 m，含煤系數(shù)1.76%。煤層產(chǎn)狀：走向NNE，傾向EN，傾角約4°～7°。

區(qū)內(nèi)主采煤層有6層，其特征為：

(1) 下石盒子組1#煤，為本區(qū)主要可采煤層，層位穩(wěn)定，分布普遍，結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度0.5～2.16 m，平均厚度1.50 m，1#煤下距3#煤1.7～16.5 m，平均10.6 m。煤層頂板均為頁巖,煤層底板為砂巖、頁巖互層。

(2) 下石盒子組3#煤，為本區(qū)主要可采煤層，層位穩(wěn)定，分布普遍，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度1.00～3.05 m，平均厚度2.20 m，3#煤下距7#煤平均145 m。煤層頂板均為砂巖、頁巖互層，煤層底板為頁巖。

(3) 山西組7#煤，為本區(qū)主采煤層，在本區(qū)內(nèi)由南向北漸變薄，至尖滅。煤層厚度1.51～2.26 m，平均厚度1.70 m，7#煤下距17#煤平均133 m。煤層頂板均為砂巖，煤層底板為砂頁巖。

(4) 太原組17#煤層(屯頭系)：為本區(qū)主采煤層，煤層厚度0.28～1.16 m，平均厚度0.85 m，為較穩(wěn)定型煤層。煤層頂板均為頁巖，煤層底板為砂頁巖。17#煤下距20#煤12.5～22.50 m。

(5) 太原組20#煤層(屯頭系)：為本區(qū)主采煤層，屬較穩(wěn)定性煤層，煤層厚度0.08～1.00 m，平均厚度0.80 m。煤層頂板為石灰?guī)r，煤層底板為砂巖。20#煤下距21#煤25～32.0 m。

(6) 太原組21#煤層(屯頭系)：為本區(qū)主采煤層，煤層厚度0.05～0.98 m，平均厚度0.65 m，為較穩(wěn)定型煤層。煤層頂板均為灰?guī)r，煤層底板為砂頁巖。

徐州礦務(wù)集團(tuán)韓橋煤礦已于20世紀(jì)60年代前期結(jié)束1#煤、3#煤、7#煤開采(7#煤為局部開采)，2001年年底結(jié)束17#煤、20#煤及21#煤的開采。20世紀(jì)70年代以后，地方小煤礦在賈汪城區(qū)及附近下開采1#煤、3#煤、7#煤、17#煤、20#煤、21#煤。2001年底賈汪城區(qū)的采煤活動全部結(jié)束。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

徐州賈汪區(qū)主要存在3種構(gòu)造類型：北東向構(gòu)造、北西向構(gòu)造和東西向構(gòu)造。北東向構(gòu)造主要構(gòu)造形跡有江莊復(fù)背斜和賈汪復(fù)向斜；北西向構(gòu)造主要構(gòu)造形跡為汴塘斷裂；東西向構(gòu)造主要構(gòu)造形跡為泉河斷裂。

賈汪復(fù)向斜沿大吳-賈汪一線呈北東20°～50°方向展布,區(qū)內(nèi)長約21 km，寬5～15 km，為寬緩向斜構(gòu)造，北東端昂起成山。核部由石炭系、二疊系組成，兩翼為奧陶系和寒武系。該向斜為賈汪區(qū)乃至徐州市最重要的含煤盆地。

賈汪城區(qū)處于賈汪復(fù)向斜的核部，地層總體上向西、西北傾斜，地層產(chǎn)狀較平緩，傾角4°～10°，有較大的3條斷層F47、F20、F21穿過(圖1)。

圖1 地質(zhì)剖面圖

在賈汪城區(qū)南側(cè)及外圍還發(fā)育一些次級斷裂，依據(jù)煤田地質(zhì)勘查資料，上述斷裂均為非活動性斷裂。

1.4 人類活動對地質(zhì)環(huán)境的影響

人類活動對地質(zhì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為煤礦的開采和地下水的疏排、開采。

煤礦的開采：各煤層的開采情況：1#煤、3#煤，由于埋藏較淺，煤層為較穩(wěn)定型，清朝至國民黨統(tǒng)治時期至20世紀(jì)50年代都曾有開采的歷史，解放以后，一些地方和個體小窯也都曾陸續(xù)開采過，此二層煤在本區(qū)正式組建之前(1964年)已基本開采殆盡，韓橋礦已于20世紀(jì)60年代前期結(jié)束1#煤、3#煤、7#煤開采(7#煤為局部開采)。后來，一些地方小煤礦在此進(jìn)行過回采。

7#煤在本評估區(qū)內(nèi)為不穩(wěn)定型煤層，厚度變化較大，淺部煤層煤質(zhì)差，局部缺失，為局部可采煤層，大部分未采。

17#煤和20#煤及21#煤為后期的主采煤層，在2001年年底本區(qū)的煤礦全部關(guān)停。頂板的管理方式一般為17#煤為綜采、炮采全陷，20#煤、21#煤為炮采全陷。

由于煤礦開采，在地表形成了采空塌陷，由于城區(qū)建設(shè)，地面已基本整平，地表現(xiàn)狀條件下無明顯塌陷痕跡。

人工疏干排水影響：賈汪城區(qū)煤炭開采至今已有上百年的歷史，隨著礦井開采水平的不斷延深，礦井疏干水及井下防塵用水的開發(fā)利用，地面生活、工業(yè)用水等，使各含水層的水位下降。地下水的水動力環(huán)境受到人工開采和疏放水影響，已經(jīng)破壞了自然的地下水動態(tài)和均衡。從而也對評估區(qū)的地下水動態(tài)環(huán)境有一定的影響。2008年賈汪城區(qū)南部的徐州礦務(wù)集團(tuán)原韓橋煤礦韓橋井關(guān)閉，停止排水，地下水位很快上升，根據(jù)調(diào)查，煤礦廢棄井筒中的地下水位埋深約為15～20 m。截止到2015年，賈汪地區(qū)的煤礦已全部關(guān)閉，并停止礦井排水，地下水水位恢復(fù)其自然狀態(tài)。在雨季時，部分地區(qū)的地下水位已與地面基本持平，例如2013年賈汪海峽湖尚城項目地塊，該地塊的南側(cè)比北側(cè)約低1.0 m左右，7月份，在場地南側(cè)鉆孔施工結(jié)束時，鉆孔里往外流水，表明地下水水位已略高于地面。

2 煤層采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估

2.1 工程建設(shè)誘發(fā)加劇地質(zhì)災(zāi)害的可能性

賈汪城區(qū)擬建工程多為住宅小區(qū)或一般工業(yè)廠房，大部分建筑物為5～6層的住宅樓或商住樓，建筑物荷載引起的地基土壓縮影響深度有限，也有少量的高層建筑(已建、在建的高層建筑最高層數(shù)為33層)，因此對本區(qū)擬建建筑，需要考慮建筑物荷載對采空區(qū)的影響[2-3]。

當(dāng)建筑物建在影響范圍以內(nèi)時，可按下式驗算地基的穩(wěn)定性，設(shè)建筑物基底單位壓力為p0，當(dāng)采空頂板的埋藏深度增大到一定的深度時，使頂板巖層恰好保持自然平衡(即作用在采空段頂板上的壓力Q=0)，此時的附加應(yīng)力的影響深度H稱為臨界深度H0，則[4]：

式中，H0為臨界深度(m)；B為巷道寬度或采空寬度(m)，此處分別按4～8 m計算；γ為地層平均重度，取24.45 kN/m3；φ為摩擦角,取平均值30°。

以上參數(shù)的取值為經(jīng)驗取值，是參考徐州地區(qū)煤礦采空區(qū)以往的驗算資料與巖石試驗結(jié)果。以上參數(shù)有一定的可信度，但也存在著一定的局限性，有待在下一步的工作中進(jìn)行驗證和落實(shí)。

當(dāng)H1.5H0時，地基穩(wěn)定。

(1)B按8 m計算時

當(dāng)建筑物為6層時，計算得H0=38.51 m，1.5H0=57.8 m(注：p0取值按6層建筑估算)。

當(dāng)建筑物為25層時，計算得H0=56.6 m，1.5H0=84.9 m (注：p0取值按25層建筑估算)。

(2)B按4 m計算時

當(dāng)建筑物為6層時，計算得H0=24.89 m，1.5H0=37.34 m(注：p0取值按6層建筑估算)。

當(dāng)建筑物為25層時，計算得H0=33.5 m，1.5H0=50.25 m(注：p0取值按25層建筑估算)。

賈汪城區(qū)范圍內(nèi)，1#煤、3#煤采空區(qū)深度在15～100 m左右，17#煤、20#煤、21#煤采空區(qū)深度在200～350 m左右；東部F3斷層以東的17#煤、20#煤、21#煤采空區(qū)深度在12～100 m左右。城區(qū)范圍內(nèi)1#煤、3#煤采空區(qū)、F3斷層以東的17#煤、20#煤、21#煤采空區(qū)的埋深與巷道最淺深度均在地面建筑物地基附加應(yīng)力影響深度范圍內(nèi)，建筑物荷載可能會引起地下老采空區(qū)的“活化”，因此擬建建筑有引起采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性[5]。

而賈汪城區(qū)范圍內(nèi)大部分17#煤、20#煤、21#煤采空區(qū)深度在200～350 m左右，在地面建筑物地基附加應(yīng)力影響深度范圍以外，建筑物荷載難以引起地下老采空區(qū)的“活化”，擬建建筑引起采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性很小。

2.2 工程建設(shè)遭受地質(zhì)災(zāi)害的危險性

采空地面塌陷危險性預(yù)測:

在賈汪城區(qū)范圍內(nèi)，2001年底采煤活動已全部結(jié)束，至今停采時間已超過20 a，采空塌陷已逐步趨于穩(wěn)定?？梢哉J(rèn)為，該城區(qū)內(nèi)采空區(qū)的沉陷已基本穩(wěn)定，但部分地段的采深采厚比(主要是1#煤、3#煤)小于30，其上進(jìn)行建筑具有一定的危險性，同時，考慮到賈汪城區(qū)含煤層數(shù)多，開采情況復(fù)雜，煤層采空區(qū)尚有一定的殘余沉降，在采煤過程中遺留了礦井的井筒、巷道等未進(jìn)行處理，故賈汪城區(qū)采空區(qū)塌陷對工程建設(shè)的危險性中等[6]。

3 采空區(qū)的治理方法

3.1 采空區(qū)場地遺留井筒的處理

煤礦閉坑后，遺留的井筒如不進(jìn)行處理，會發(fā)生坍塌、地面掉小井等嚴(yán)重的破壞事故，對擬建建筑的地基產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響。

賈汪地區(qū)煤礦井筒多分為3種：(1)立井、(2)斜井、(3)立井+暗斜井(下山)。

處理方法：(1)立井一般采用先回填建筑垃圾，再灌注水泥-粉煤灰漿液，井口采用混凝土封蓋。(2)斜井采用灌注水泥-粉煤灰漿液，井口采用混凝土封蓋。(3)立井+暗斜井(下山)，一般先對暗斜井段灌注水泥-粉煤灰漿液，再對立井回填建筑垃圾、灌注水泥-粉煤灰漿液，井口采用混凝土封蓋。

工程實(shí)例：

(1) 賈汪區(qū)民康園住宅小區(qū)[7]，在2009年進(jìn)行場地下采空區(qū)處理時，對場地內(nèi)遺留的一個煤礦立井進(jìn)行了處理，采用先回填建筑垃圾，再灌注水泥-粉煤灰漿液，井口采用混凝土封蓋，確保了周圍新建建筑物的安全。

(2) 賈汪區(qū)泉城新區(qū)棚戶區(qū)改造保障性安居工程[8]地塊一、地塊二場地中遺留有兩個斜井，在2014年年底至2015年年初對該兩個斜井進(jìn)行了灌注水泥-粉煤灰漿液，進(jìn)行全充填法注漿處理。

3.2 擬建建筑物地基附加應(yīng)力影響深度范圍內(nèi)采空區(qū)處理

對采空區(qū)進(jìn)行灌砂或充填注漿處理，一方面可消除采空區(qū)內(nèi)巖體產(chǎn)生二次變形的空間，同時阻止、減緩地下水在采空區(qū)內(nèi)流動，避免地下水進(jìn)一步對采空區(qū)軟化和侵蝕作用的發(fā)生。另一方面，對采空區(qū)及上覆巖體殘余空洞的填充也可避免地震過程中的二次壓密；而且治理方法施工相對簡單，安全性高，施工工藝成熟，施工易于管理，材料來源分布廣泛、價格適中，治理后的地基可滿足建筑物設(shè)計要求。

(1) 灌砂法

灌砂法是在地面鉆孔至采空區(qū)，用砂石泵通過鉆孔將砂灌入采空區(qū)，或?qū)⑸半S水泥-粉煤灰漿液注入采空區(qū)。

工程實(shí)例：

賈汪區(qū)××局辦公樓，層高12層，場地下由淺至深分布有1#煤、3#煤、17#煤、20#煤、21#煤等5層煤層采空區(qū)。針對不同深度采空區(qū)對建筑物穩(wěn)定性的影響程度不同，對1#煤、3#煤采空區(qū)進(jìn)行灌砂充填處理(當(dāng)時韓橋煤礦夏橋井正常生產(chǎn)，該場地下1#煤、3#煤采空區(qū)處于無水狀態(tài))、對深部的17#煤、20#煤、21#煤采空區(qū)按照不利地段采取結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行抗變形加固處理的綜合處理措施。該樓于1998年建成投入使用，至今仍正常使用，未出現(xiàn)與地基有關(guān)的安全事故。

(2) 充填注漿法

注漿技術(shù)是一項實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的工程技術(shù)，其具體做法是在地面鉆孔至老采空區(qū)，采用液壓、氣壓或電化學(xué)方法，將采空區(qū)所有空洞和覆巖裂隙用由水泥、粉煤灰、砂子等混合而成的漿液全部充填和加固，使整個采空區(qū)恢復(fù)為接近原始巖體狀態(tài)，徹底消除采動破碎巖體的移動變形空間。

工程實(shí)例：徐州工業(yè)園家具展銷中心[9]

本工程總用地面積38 972.62 m2(3.9 hm2)，擬建建筑為3F家具展銷中心、18F電子商務(wù)，設(shè)一層地下車庫，總建筑面積62 252.85 m2，樓層高，跨度大，場地內(nèi)無可液化土層及軟弱土層分布，但分布有多層煤礦采空區(qū)。

經(jīng)過分析研究，根據(jù)不同深度采空區(qū)對建筑物穩(wěn)定性的影響程度不同而采取了不同的處理措施，對1#煤、3#煤采空區(qū)進(jìn)行注漿充填處理、對深部的17#煤、20#煤、21#煤采空區(qū)按照不利地段采取結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行抗變形加固處理的綜合處理措施。并按以上設(shè)想進(jìn)行了1#煤、3#煤采空區(qū)注漿治理設(shè)計與治理施工。

該建筑于2018年建成投入使用后，進(jìn)行了長期變形監(jiān)測。監(jiān)測表明，該高層建筑從開始施工至竣工驗收沉降量最大的為29.87 mm，遠(yuǎn)小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中高層建筑基礎(chǔ)沉降量小于200 mm的要求；樓房傾斜率最大傾斜率為0.527 ‰，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第5.3.4條中建筑整體傾斜小于2.5‰的要求，該建筑物累計沉降量、傾斜率均滿足規(guī)范要求。

3.3 深部采空區(qū)處理

賈汪城區(qū)范圍內(nèi)大部分17#煤、20#煤、21#煤采空區(qū)深度在200～350 m左右，在地面建筑物地基附加應(yīng)力影響深度范圍以外，建筑物荷載難以引起地下老采空區(qū)的“活化”，因此擬建建筑引起采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性很小。

徐州礦務(wù)集團(tuán)韓橋礦夏橋井在開采17#煤、20#煤、21#煤時，由于地面有工業(yè)廣場、家屬區(qū)、街道、工廠等分布，為保證地面建筑的安全，采用了條帶開采法進(jìn)行采煤。條帶開采是一種部分開采方法，它是將要開采的煤層區(qū)域劃分為比較正規(guī)的條帶形狀，采一條、留一條，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的重量，而地表只產(chǎn)生較小的移動或變形。

因此在賈汪城區(qū)煤礦采空區(qū)治理中，對深部采空區(qū)一般不直接進(jìn)行處理，而是按照不利地段采取結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行抗變形加固處理的綜合處理措施，即可保證建筑的安全使用。

4 結(jié)論

(1) 通過對賈汪城區(qū)地質(zhì)條件和煤礦采空區(qū)資料調(diào)查，分析了不同深度的采空區(qū)對地面建筑物的影響程度，提出可根據(jù)不同深度采空區(qū)對地面建筑的影響程度，采取不同的處理措施。

(2) 針對賈汪城區(qū)存在多層煤礦采空區(qū)的情況，通過不同建筑物對采空區(qū)治理情況的分析，證實(shí)了對“淺部煤礦采空區(qū)進(jìn)行注漿、注砂充填處理、對深部煤礦采空區(qū)按照不利地段采取結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行抗變形加固處理的綜合處理措施”是可行的，既能確保擬建建筑的安全，又能降低處理費(fèi)用，取得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。