煤礦采空區(qū)建設工程地質災害危險性評估分析

成海芳 張富有

（1.河南乾寧勘測技術有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南省地質局礦產資源勘查中心，河南 鄭州 450006）

0 引言

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，災害種類多，分布地域廣，發(fā)生頻率高，造成損失重大。而在自然災害類型中，地質災害又是一種危害性大、破壞性強的自然災害。地質災害防治工作是生態(tài)文明建設和自然災害防治的重要內容，是防災減災體系建設的重要組成部分，事關人民生命財產安全和社會和諧穩(wěn)定。我國非常重視地質災害防治工作，先后頒布了《地質災害防治管理辦法》《地質災害防治條例》等地質災害防治方面的規(guī)章制度，并制定了《地質災害危險性評估技術要求（試行）》《地質災害危險性評估規(guī)范》等技術標準規(guī)范。根據《地質災害防治條例》，在地質災害易發(fā)區(qū)進行各類工程建設，需要開展建設項目場地地質災害危險性評估，涵蓋地質災害類型為崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷、采空塌陷、地裂縫、地面沉降、不穩(wěn)定斜坡等。本研究以濟源市某礦區(qū)光伏發(fā)電項目建設場地為評估區(qū)，對區(qū)內的地質環(huán)境背景和地質災害特征進行了分析，對地質災害危險性評估和場地建設適宜性進行了評價，并提出了地質災害防治措施建議。

1 地質環(huán)境條件

1.1 地層巖性

根據區(qū)域地質資料，除北側有基巖出露外，評估區(qū)范圍內全為第四系地層覆蓋，評估區(qū)地層層序自下而上分別為寒武系（∈）、奧陶系（O）、石炭系（C）、二疊系（P）和第四系（Q）。

1.2 地質構造

評估區(qū)位于中朝準地臺山西臺隆鐵山河拱褶斷束，主要褶皺為椿樹莊向斜、石河背斜、康村向斜3 個次級褶皺構造。評估區(qū)位于椿樹莊向斜南東翼，石河背斜西翼。區(qū)域主要斷層為近東西向的盤古寺—新鄉(xiāng)斷裂，傾向南，地表傾角60～70°，為一鏟形正斷層，斷裂沿山前地帶斷續(xù)出霉，所見破碎帶寬度20～70 m，兩盤基巖落差大于70 km。盤古寺—新鄉(xiāng)斷裂距評估區(qū)較遠。擬建工程建設場地距盤古寺—新鄉(xiāng)斷裂西段較近，盤古寺—新鄉(xiāng)斷裂西段為非全新活動斷裂。本區(qū)地震動峰值加速度0.10 g，地震基本烈度Ⅶ度。

1.3 工程地質條件

根據勘查鉆孔資料，擬建場地5.0 m 深度范圍內地層均為第四系，根據其成因、時代、巖性和物理力學性質的不同，將地基土劃分為兩全個工程地質層。第1 層為碎石土，棕黃色～褐黃色，稍密，含大量次棱角、次圓狀碎石，碎石含量40%～50%，粒徑2～30 cm，分選差，基質為含砂粉質黏土。場區(qū)普遍分布，厚度0.90～1.30 m，平均1.14 m；層底標高128.97～146.11 m，平均137.67 m；層底埋深0.90～1.30 m，平均1.14 m。第2 層為碎石土，灰白色～紅褐色，中密，含大量碎石及漂石，大者粒徑30～50 cm，并有不同程度風化。本層從1.14 ～5.00 m 以下，鉆孔未揭穿該層。該層土承載力較低，結構疏松。因該建設場地已發(fā)生采空塌陷，土體已經過下沉變動，故評估區(qū)土體工程地質性質不良。

1.4 水文地質條件

評估區(qū)淺層地下水類型為松散巖類孔隙水，砂礫石層及底部的礫巖為主要含水層，含水層累計厚5～15 m，孔隙發(fā)育，富水性強，單位涌水量最高可達1.51 L/s·m，在工程地質勘查深度范圍內，未見地下水。淺層地下水以大氣降水入滲及側向徑流補給為主，其次為引沁濟漭渠水的漏水下滲補給。地下水的排泄主要是徑流排泄、蒸發(fā)排泄、越流排泄和人工開采。下部基巖裂隙水為承壓水，水位埋深較大，水量較小，含水巖層組為二疊系上統(tǒng)石英砂巖、細粉砂巖夾紫紅色頁巖，巖石裂隙不發(fā)育，含水微弱，鉆孔單位涌水量0.005 6～0.014 0 L/s·m，滲透系數0.023 99 m/d，水化學類型為HCO3—Ca·Mg型水，礦化度0.3～0.4 g/L，水質良好?；鶐r裂隙含水層以側向徑流及松散巖類孔隙水越流補給，以煤礦疏干排水、徑流排泄為主。場地內水位埋深較大，松散巖類孔隙水和基巖裂隙水對工程建設的影響均不大，評估區(qū)水文地質條件良好。

2 地質災害危險性評估

2.1 現狀評估

評估區(qū)地質災害主要是采空塌陷。評估區(qū)南部和中部位于煤礦采空塌陷區(qū)，北部位于煤礦采空塌陷區(qū)外。野外調查發(fā)現評估區(qū)中部有一處采空塌陷，呈微凹陷的鍋底形狀，東西長約100 m，南北寬約125 m，塌陷的底部比原始地面低約3 m。塌陷區(qū)北部邊界東西向展布一條長50 m、寬0.1～0.3 m的地裂縫。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，地表移動延續(xù)時間T用公式進行估算，如式（1）。

式中：H為工作面平均采深，m。

該礦區(qū)工作面平均采深398 m，煤層開采引起的地表移動時間約2.4 a，該采區(qū)已停采8 a，采空塌陷已基本穩(wěn)定。現狀條件下，評估區(qū)南部和中部采空塌陷較發(fā)育，使得大量村民房屋開裂，大片耕地荒蕪，造成一定的經濟損失；評估區(qū)北部地質災害不發(fā)育。

2.2 預測評估

2.2.1 工程建設引發(fā)或加劇地質災害的可能性預測評估。根據煤炭科學研究總院唐山研究院騰永海等提出的附加應力分析法，建筑物荷載影響深度H影和垮落斷裂帶高度H裂密切相關，二者的重疊程度決定了新加建筑荷載擾動對垮落斷裂帶的影響，進而影響到采空區(qū)地基的穩(wěn)定性，據此可確定建筑物的適宜層數。建筑物荷載影響深度和垮落斷裂帶高度之間存在3 種情況：當建筑物荷載影響深度與垮落斷裂帶頂界面之間有一定的距離，表示最小采深大于垮落斷裂帶高度與建筑荷載影響深度之和，垮落斷裂帶穩(wěn)定，垮落斷裂帶不再因新加建筑荷載擾動而重新移動；當二者正好接觸時，建筑物荷載處于臨界狀態(tài)；當建筑物荷載影響深度位于垮落斷裂帶內時，建筑物會因采空區(qū)垮落而受到影響。

①垮落斷裂帶發(fā)育高度的計算?？迓鋽嗔褞Оl(fā)育高度與開采煤層的厚度有關，計算公式如式（2）。

式中：∑M為開采煤層累計采厚，m。

本煤礦開采煤層為二1煤，最大累計采厚為8.61 m，為安全起見按9 m 計算，則有H裂=

即垮落斷裂帶的發(fā)育高度位于二1煤層之上55.6 m。該區(qū)域二1煤最小采深為220 m，所以垮落斷裂帶的頂界面距地表的垂直距離尚有164.4 m。

②建筑物荷載影響深度計算。擬建項目區(qū)標準樓層高按3 m，基底埋深按3 m，單層建筑面積荷載按18 kN/m2，綜合樓層數按3 層，電控樓層數按2層考慮。地面下深度Z處地基附加應力等于或接近地基自重應力10%時，地面下深度Z為建筑荷載影響深度。地基附加應力從基礎底面算起，地基自重應力從地面算起，兩者相差基礎埋深3.0 m。2層綜合樓和電控樓的荷載影響深度計算如表1所示。

表1 擬建建筑荷載影響深度計算一覽表

③采空區(qū)地基穩(wěn)定性。根據前面計算，煤層最小采深220 m，垮落斷裂帶發(fā)育高度55.6 m，綜合樓、電控樓的建筑荷載影響深度10 m，據此推斷礦區(qū)擬建綜合樓、電控樓的建筑荷載不會使采空區(qū)再次發(fā)生較大不均勻沉降。

④擬建工程建設加劇地面塌陷的可能性。評估區(qū)擬建工程建設加劇地面塌陷的可能性小。光伏陣列采用固定傾角方式安裝，陣列單元基礎形式采用雙柱聯(lián)合混凝土預制基礎，基礎開挖深度0.25 m，以碎石土層為持力層，基礎開挖施工過程中引發(fā)基坑邊坡崩塌的可能性小。該光伏電站升壓站為集裝箱式逆變器房基礎，箱變基礎為筏板基礎，基礎開挖深度0.25 m，以碎石土層為持力層，綜合樓、電控樓基礎開挖深度3.0 m，覆蓋層厚度小于5.0 m，基礎開挖施工過程中引發(fā)基坑邊坡崩塌的可能性小。

2.2.2 工程建設可能遭受地質災害的危險性預測。煤礦尚未閉坑，該光伏電站工程建設中和建成后有遭受采空塌陷危害的可能性，升壓站、綜合樓、電控樓布置在煤礦煤柱邊界以外，遭受采空塌陷的危險性?。幻旱V煤柱邊界以內光伏陣列遭受采空塌陷的危險性中等，煤礦煤柱邊界以外光伏陣列遭受采空塌陷的危險性小。光伏陣列單元、升壓站、綜合樓、電控樓基礎開挖施工過程中引發(fā)基坑邊坡崩塌的可能性小。因此，光伏陣列單元、升壓站、綜合樓、電控樓基礎開挖施工過程中遭受基坑邊坡崩塌的危險性小。

3 地質災害危險性綜合分區(qū)評估

3.1 地質災害危險性綜合評估原則與量化指標的確定

依據“區(qū)內相似，區(qū)際相異”的原則，考慮評估區(qū)的地質環(huán)境條件、地質災害隱患點特征及危害程度，綜合評估地質災害危險性，采用定性、半定量分析法，進行地質災害危險性等級分區(qū)（段）［2］。

3.2 地質災害危險性分區(qū)評估

根據野外現場調查和對收集的資料整理分析，判斷評估區(qū)地質災害類型為采空塌陷。在此現狀條件下，評估區(qū)南部采空塌陷較發(fā)育，使大量村民房屋開裂，大片耕地荒蕪，造成一定的經濟損失，評估區(qū)北部地質災害不發(fā)育。

預測評估認為，擬建工程建設加劇地面塌陷的可能性小；升壓站、綜合樓、電控樓布置在煤礦煤柱邊界以外，遭受采空塌陷的危險性??；煤礦煤柱邊界以內光伏陣列遭受采空塌陷的危險性中等，煤礦煤柱邊界以外光伏陣列遭受采空塌陷的危險性??；光伏陣列單元、升壓站、綜合樓、電控樓基礎開挖引發(fā)基坑邊坡崩塌的可能性小，遭受基坑邊坡崩塌的危險性小。綜合分區(qū)評估認為，評估區(qū)煤礦煤柱邊界以內為地質災害危險性中等區(qū)，煤柱邊界以外為地質災害危險性小區(qū)。

3.3 建設場地適宜性評價

評估區(qū)煤礦煤柱邊界內為地質災害危險性中等區(qū)，該區(qū)域建設場地基本適宜光伏工程建設，但需要采取有效的地質災害防治措施；煤礦煤柱邊界外為地質災害危險性小區(qū)，該區(qū)域建設場地適宜光伏工程建設。

4 地質災害防治措施

為防止地質災害的發(fā)生，工程設計時，應將升壓站、綜合樓、電控樓布置于煤礦煤柱邊界外的地質災害危險性小區(qū)。同時采取預防地表沉陷變形的柔性和剛性技術措施，最大程度減少擬建工程受老采空區(qū)殘余沉陷變形的影響和破壞[3]。避開雨季施工，選擇合理的放坡參數，做好基坑支護，避免基坑邊坡發(fā)生崩塌。擬建區(qū)域下方及附近二1煤層還有未開采區(qū)域，并且該區(qū)域煤層開采時殘留了較多的煤柱，為了保證建設場地地基的穩(wěn)定性，防止不均勻沉降危及場地內建筑物的安全，應與有關礦山企業(yè)簽訂禁采協(xié)議，嚴禁在擬建區(qū)正下方及其周圍影響區(qū)域進行煤層的開采或復采。

5 結論與建議

①評估區(qū)南部采空塌陷較發(fā)育，北部地質災害不發(fā)育。

②擬建工程建設加劇地面塌陷的可能性?。簧龎赫?、綜合樓、電控樓布置在煤礦煤柱邊界以內，遭受采空塌陷的危險性大，建議布置在煤礦煤柱邊界以外；煤礦煤柱邊界以內光伏陣列遭受采空塌陷的危險性中等，建議布置在煤礦煤柱邊界以外；光伏陣列單元、升壓站、綜合樓、電控樓基礎開挖過程中引發(fā)基坑邊坡崩塌的可能性小，遭受基坑邊坡崩塌的危險性小。

③評估區(qū)煤柱邊界內地質災害危險性中等區(qū)基本適宜該工程建設，對工程建設可能引發(fā)和遭受的地質災害應采取避讓、抗變形結構技術、禁采、基坑邊坡崩塌防治等有效措施；煤礦煤柱邊界以外為地質災害危險性小區(qū)，建設場地適宜該工程建設。