韓科明，李鳳明，譚勇強，徐乃忠

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采設計分院，北京 100013；3.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013)

煤層采出后，打破了巖層原有的應力平衡狀態(tài)，造成巖層的離層、斷裂、垮落、破碎。隨著時間的推移，其巖層結構又達到新的平衡，但破損巖層的抗壓、抗拉、抗剪強度明顯低于原始強度。若破損巖層距離地表較遠，地表的工程建設不會影響其穩(wěn)定性；但若破損巖體距離地表較近，地表的新增荷載向下傳遞會打破其平衡狀態(tài)，導致地表產(chǎn)生新的移動和變形，影響新建工程的安全[1-2]。本文針對淺部老采空區(qū)地表建設的可行性進行了研究。

1 淺部老采空區(qū)地表建設可行性評價因素分析

在淺部老采空區(qū)地表建設，其荷載影響深度與裂縫帶已形成交叉，荷載直接作用在采空區(qū)破損巖層上，但并不能表示建筑物深部地基是不穩(wěn)定的。老采空區(qū)垮落后經(jīng)歷的時間較長，深部地基的巖、土層均已經(jīng)過了相對劇烈的垮落，新的平衡狀態(tài)已形成，雖然巖塊間仍存有的空隙、裂縫及彎曲帶間有可能存在的離層、土層顆粒間仍不一定完全密實，但這類空隙、裂縫、離層及土顆粒間隙等隨著巖塊碎脹、土體顆粒在自重作用下由高密度區(qū)向低密度區(qū)移動等小范圍的自身調(diào)節(jié)，深部地基的穩(wěn)定性逐漸增加，該過程將十分漫長，并不會在后來修建的建筑物的基礎的持力層、下臥層土體中產(chǎn)生臺階、塌坑等非連續(xù)的變形，對后來修建的建筑物不會產(chǎn)生顯著的影響。新建建筑物荷載對老采空區(qū)覆巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響僅限于“縮短了采空區(qū)已垮落巖塊、上部覆巖破碎巖塊及空隙的進一步壓實所需的時間”，而該部分巖塊及空隙的進一步壓實，對建筑物的影響，也僅是增加了建筑物的附加沉降量，不會對建筑物的結構構成安全性影響。

老采空區(qū)殘留空隙失穩(wěn)引發(fā)的地表非連續(xù)變形是影響地表建筑物結構安全的主要因素[3]。一般情況下，進行深厚比較小的煤層、急傾斜煤層、露頭區(qū)煤層等的開采時，采空區(qū)垮落容易在地表形成塌坑、臺階狀裂縫等。地表的該類非連續(xù)變形如已充分發(fā)生，則對新修建的建筑物產(chǎn)生不利影響的潛在隱患基本消除，可以認為采空區(qū)及所影響區(qū)域地層已處于穩(wěn)定性的逐步增強階段，對地表擬發(fā)生的殘余移動變形充分預估，建筑物采取與之相適應的抗采動影響措施后在地表建設是可行的。若老采空區(qū)尚未完全垮落(包括部分開采形成的老采空區(qū)、長壁開采的邊緣煤柱支撐區(qū)等)，由于淺部老采空區(qū)覆巖內(nèi)不存在彎曲帶巖層的整體性支撐或此類覆巖較薄不足以分散荷載的影響，荷載直接作用在破損巖體或者未完全垮落的空區(qū)上，致使殘留空區(qū)失穩(wěn)破壞，極有可能在地表產(chǎn)生非連續(xù)變形，對新建建筑物具有較大的潛在危害[3]。該種條件需核算荷載作用下的老采空區(qū)殘留煤柱和頂板的穩(wěn)定性，判斷殘留空區(qū)垮落是否在地表產(chǎn)生非連續(xù)變形，并預計地表發(fā)生的殘余移動變形，在滿足經(jīng)濟和技術的條件下才可建設。

因此，對于淺部老空區(qū)地表建設可行性主要評價有3個方面：老采空區(qū)是否已垮落壓實；若未完全垮落，其煤柱和頂板穩(wěn)定性如何，若失穩(wěn)，地表是否會產(chǎn)生非連續(xù)變形；若不產(chǎn)生非連續(xù)變形，地表殘余移動變形是多少，建筑適宜性如何？

2 淺部老采空區(qū)地表建設可行性評價

2.1 荷載作用下的淺部老采空區(qū)失穩(wěn)條件分析

淺部煤層開采(特別是短壁和部分開采)，殘留了大量的未完全垮落的空區(qū)[4]，現(xiàn)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，當?shù)乇碛凶銐虼蟮暮奢d影響時將打破原來的平衡，其失穩(wěn)形式主要為殘留煤柱失穩(wěn)破壞和殘留空洞覆巖失穩(wěn)整體垮塌。

2.1.1 殘留煤柱穩(wěn)定性分析

殘留煤柱的穩(wěn)定性取決于所承受的荷載和自身的強度。

煤柱上的荷載，是由煤柱上方巖層重量以及其相鄰空區(qū)上覆懸露巖層轉移到煤柱上的部分巖層重量疊加地面新增荷載而構成，如圖1所示。

圖1 煤柱荷載計算示意

若煤柱兩側均為空區(qū)，當H>L·cotδ/2時，煤柱上單位面積的荷載即平均應力為：

(1)

式中,k為荷載系數(shù)，由于上覆巖層結構一般具有一定的自承載能力，覆巖傳遞下來的自重應力只是巖層自重應力的一部分，當煤柱兩側均為空區(qū)時，一般取巖層荷載傳遞系數(shù)為k=1/3；W為煤柱寬度，m；L為空區(qū)寬度，m；h為采空區(qū)巖層垮落高度，m；H為開采深度，m；l為建筑物長度，m；q為建筑物均布荷載，kN/m2；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3。

準確預測煤柱強度是十分困難的。長期以來，針對煤柱強度的主要影響因素，通過現(xiàn)場試驗和經(jīng)驗總結提出了許多計算煤柱強度的經(jīng)驗公式[5]，對于淺部老采空區(qū)煤柱的強度，應根據(jù)具體條件選用。常用的有線性公式和指數(shù)公式：

(2)

(3)

式中,σp為煤柱強度，kPa；σm為現(xiàn)場立方體煤柱的臨界強度，kPa；hC為煤柱高度，m；A，B，a，b為無量綱量，且有A+B=1。

根據(jù)煤柱承受的荷載和自身的強度即可計算老采空區(qū)殘留煤柱的穩(wěn)定系數(shù)為：

(4)

當F煤柱<1時，采空區(qū)殘留煤柱在建筑荷載的影響下會失穩(wěn)；當11.5時，建筑荷載不會影響煤柱的原有穩(wěn)定性。

2.1.2 頂板穩(wěn)定性分析

淺部開采形成的老采空區(qū)，其覆巖受采動影響大部分呈層狀碎裂或者散體結構[6]。假設殘留煤柱有足夠的支撐能力，采空區(qū)上覆巖柱主要受巖柱與周圍巖體之間的摩擦力和黏聚力保持平衡。巖體結構模型如圖2所示。

圖2 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析力學模型

按平面問題考慮，取另一方向為單位長度，則在荷載作用下頂板巖層保持平衡的極限條件為：

Q=G+S-T-R=0

(5)

式中，Q為采空區(qū)上方巖柱所受的垂向力；G為采空區(qū)上方巖柱的自重；S為采空區(qū)上方巖柱所受的建筑物影響的附加荷載；T為采空區(qū)上方巖柱側壁所受的摩擦力和黏聚力；R為采空區(qū)支撐力(煤柱支撐力及破碎巖體的支撐力)，一般不考慮，當煤柱完整時取煤柱強度的30%。

根據(jù)模型條件，上式中各參數(shù)的計算方法為：

(6)

式中，z為采空區(qū)深度，m；φ為巖體的內(nèi)摩擦角，(°)；C為黏聚力， kN/m2；P為老采空區(qū)上方巖柱上的側向主動壓力，kN。

老采空區(qū)側向主動壓力的計算可根據(jù)經(jīng)典土力學理論[7]進行，利用土力學公式得出的側向主動壓力計算結果是偏于保守的，對于工程應用是偏于安全的。假定未垮落采空區(qū)上方巖柱為彈性巖體，則有：

(7)

根據(jù)胡克定律：

(8)

當εx=εy=0，有：

(9)

在平面問題條件下，有：

(10)

則，采空區(qū)上方巖柱的側壁上所受的摩擦力和黏聚力為：

(11)

式中，μ為泊松比；E為彈性模量，kPa；σx，σy和σz為水平應力和鉛直應力，kPa；εx，εy和εz為水平應變和鉛直應變。

由此，可計算采空區(qū)頂板的穩(wěn)定系數(shù)：

(12)

當F頂板<1時，采空區(qū)頂板在建筑荷載的影響下會失穩(wěn)；當11.5時，建筑荷載不會影響頂板的原有穩(wěn)定性。

2.2 地表非連續(xù)變形分析

長壁開采形成的老采空區(qū)邊界、部分開采形成的老采空區(qū)，由于煤柱或者巖體結構的支撐，殘留空洞的上覆巖層還保持一定的結構完整性，這類巖層受地面荷載作用失穩(wěn)垮落破壞是逐層向上發(fā)展的[8]。對于淺部老采空區(qū)，頂板巖層可視為簡支梁，按對稱梁考慮，則，最大剪力發(fā)生在梁的兩端，最大值為：

τmax=3ql/4h

(13)

最大彎矩和最大拉應力發(fā)生在梁的中央，最大彎矩為：

Mmax=ql2/8

(14)

最大拉應力為：

σmax=3ql2/4h2

(15)

式中，τmax，Mmax，σmax分別為最大剪應力、彎矩、拉應力；q為巖梁承受的包括地面荷載在內(nèi)的覆巖均布荷載；l，h分別為巖梁的長度和厚度。

當最大拉應力或者最大剪應力達到或大于該巖層抗拉或抗壓強度極限時，巖層將斷裂垮落，逐層向上發(fā)展。

殘留空洞上覆巖層垮落后體積碎脹，當垮落向上發(fā)展到一定高度，空洞被碎脹巖石充填，可以認為空洞已被支撐而不再向上擴展了。設采空區(qū)空間體積為V0，垮落體體積為V，兩者的關系為：

V·k=V0+V

可得：

V0=(k-1)V

(16)

式中，k為上覆巖體的碎脹系數(shù)，在常規(guī)地層條件下殘余碎脹系數(shù)一般為1.05～1.15[9-12]。

假定空洞范圍面積為S，空洞高度為M，垮落的覆巖高度為h，則有：

V0=S·M

(17)

V=S·h

(18)

將式(17)和式(18)代入式(16)，那么，空洞范圍被充滿并壓實所需的上覆巖層厚度為：

(19)

據(jù)此，當空洞上覆巖層的厚度h覆巖>h充滿時，即使空洞覆巖失穩(wěn)垮落，在地表也不會產(chǎn)生非連續(xù)變形；當空洞上覆巖層的厚度h覆巖

2.3 地表殘余移動變形預計

2.3.1 預計模型及計算方法

連續(xù)6個月下沉不超過30mm之后的地表移動變形，稱為殘余移動變形，它包括[13]：地表殘余移動變形逐漸趨于零的過程中所產(chǎn)生的變形；受外力、地下水等影響，老采空區(qū)及覆巖活化在地表產(chǎn)生的新的移動變形。

目前國內(nèi)對老采空區(qū)殘余預測大多采用概率積分法，預測模型[14]如下：

(20)

W0=qmcosα

式中，W0為充分采動時，地表移動變形最大值；m為開采厚度，m；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角，(°)；r為主要影響半徑，r=H/tanβ；tanβ為主要影響范圍角正切；H為開采深度，m；x為以左側拐點為原點，指向工作面方向的x坐標；l為計算工作面長度，m。

應用概率積分法計算淺部老采空區(qū)地表殘余移動變形時一般分為兩類，一類是采空區(qū)已垮落，通常采用取合適的計算參數(shù)(根據(jù)覆巖巖性、巖體的碎脹系數(shù)、移動期階段的實測參數(shù)及老采空區(qū)開采結束時間等來確定)的方法計算，即殘余變形系數(shù)法；另一類是采空區(qū)未完全垮落，計算參數(shù)取常規(guī)條件下的參數(shù)，計算厚度和范圍根據(jù)勘察結果選取，即等效厚度法[15]。

2.3.2 地表殘余移動變形分區(qū)

對同類建(構)筑物，地表變形特征值越大，則受到的影響也越大[16]。地表變形由小到大的量變，會導致擬建建筑物建造成本的逐漸增加，不同變形特征值對應的抗采動影響建筑物的適宜性也不盡相同，從而影響到地表建設的可行性。

地表移動與變形程度可根據(jù)地表水平變形值、地表傾斜值、地表曲率值劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個級別[14]：

若3項指標同時滿足水平變形∣ε∣≤2.0 mm/m，傾斜∣i∣≤3.0 mm/m，曲率∣k∣≤0.2×10-3/m，則為Ⅰ級地表變形區(qū)，適宜性好。

若3項指標中，至少有一項指標滿足：水平變形2.0<∣ε∣≤4.0 mm/m，或傾斜3.0<∣i∣≤6.0 mm/m，或曲率0.2×10-3<∣k∣≤0.4×10-3/m，則為Ⅱ級地表變形區(qū)，適宜性較好。

若3項指標中至少有一項滿足：水平變形4.0<∣ε∣≤6.0 mm/m，或傾斜6.0<∣i∣≤10.0 mm/m，或曲率0.4×10-3<∣k∣≤0.6×10-3/m，則為Ⅲ級地表變形區(qū)，適宜性差。

若3項指標中，至少有一項滿足：水平變形6.0 mm/m <∣ε∣，或傾斜10.0 mm/m <∣i∣，或曲率0.6×10-3/m <∣k∣，則為Ⅳ級地表變形區(qū)，在該區(qū)修建建筑物成本較高，不適宜修建。

3 淺部老采空區(qū)地表建設可行性評價分區(qū)及評價準則

根據(jù)荷載影響下的老采區(qū)殘留空間及煤柱穩(wěn)定性、地表非連續(xù)變形和地表殘余變形分區(qū)，結合沉陷區(qū)利用采取的措施，將淺部老采空區(qū)地表建設劃分為以下3類區(qū)域：

Ⅰ 注漿治理后方可作建設場地的區(qū)域。主要是指在荷載影響下地表可能產(chǎn)生塌坑、臺階、大裂縫等非連續(xù)變形的區(qū)域。評價指標：(1)老采空區(qū)未完全垮落，且h覆巖

Ⅱ 采取抗采動影響措施后可作建設場地的區(qū)域。主要是指淺部老采空區(qū)地表不會產(chǎn)生非連續(xù)變形但殘余變形相對較大的區(qū)域。評價指標：(1)老采空區(qū)未完全垮落，但h覆巖>h充滿且F煤柱>1.5且F頂板>1.5；Ⅱ或Ⅲ級地表殘余變形區(qū)。(2)老采空區(qū)已垮落；Ⅱ或Ⅲ級地表殘余變形區(qū)。這些區(qū)域可作為建設場地，但建筑物需采取與地表相適應的抗采動影響措施。

Ⅲ 推薦作建設場地的區(qū)域。評價指標：(1)老采空區(qū)已垮落；(2)Ⅰ級地表殘余變形區(qū)。以上指標需同時滿足，優(yōu)先推薦作為建設場地，但考慮到淺部老采空區(qū)的復雜性，仍需抗Ⅰ級殘余變形。

不同采煤方法的淺部老采空區(qū)地表建設可行性判定指標和標準如表1所示。地質(zhì)構造(如斷層)的影響本文未涉及，應專門分析后判斷其可行性。

表1 淺部老采空區(qū)地表建設可行性評價指標及準則

4 工程實例

遼寧省北票市某住宅小區(qū)擬建場地位于冠山煤礦開采形成的老采空區(qū)上方，擬建場地區(qū)域曾開采3，4，5A，5B，5C，8，9，10煤，各層采厚1.0～2.5m，傾角36°～44°，采深52～439m，開采時間為1990年前，采煤方法為單一長壁采煤法。為查明采空區(qū)垮落、覆巖破損壓密情況，在區(qū)域內(nèi)施工11個鉆探孔。結果顯示，2個鉆孔有掉鉆現(xiàn)象(最大掉鉆高度1.5m)，其他鉆孔無掉鉆現(xiàn)象，但漏水嚴重，裂隙較為發(fā)育。根據(jù)表1中長壁開采的評價指標和準則，對建筑荷載影響下的老采空區(qū)殘留空洞頂板穩(wěn)定性、地表非連續(xù)變形發(fā)生的可能性進行了計算分析；采用殘余變形系數(shù)法和等效厚度法分別對老采空區(qū)已垮落的區(qū)和未完全垮落區(qū)進行了地表殘余移動變形的計算；最終劃分了4個建設區(qū)域，分別為：I～Ⅲ級抗變形建設區(qū)和注漿治理建設區(qū)。住宅小區(qū)開發(fā)單位根據(jù)評價成果采取了相應的治理措施，新建了數(shù)十棟樓房(最高17層)，總建筑面積291945.80m2，于2013年底竣工，至今樓房完好，未出現(xiàn)任何采動損壞現(xiàn)象。工程實例表明，淺部老采空區(qū)的地表建設，在對荷載影響下老采空區(qū)的穩(wěn)定性和地表殘余移動變形的充分分析和預估下，采取相應的治理措施，可以保證使用安全。

5 結 論

(1)淺部老采空區(qū)地表建設的可行性主要分析3個方面：老采空區(qū)及其覆巖是否已垮落壓實；若未完全垮落，其煤柱和空區(qū)穩(wěn)定性如何，若失穩(wěn)，地表是否會產(chǎn)生非連續(xù)變形；若不產(chǎn)生非連續(xù)變形，地表殘余移動變形是多少，建筑適宜性如何？

(2)淺部老采空區(qū)在地表荷載的影響下的失穩(wěn)形式主要為殘留煤柱失穩(wěn)破壞、殘留空洞覆巖整體失穩(wěn)垮塌和覆巖逐層失穩(wěn)垮落破壞。本文推導了荷載影響的殘留煤柱失穩(wěn)和殘留空洞覆巖整體失穩(wěn)的判別公式；研究了殘留空洞上覆巖層逐層破斷向上發(fā)展的條件，推導了地表發(fā)生非連續(xù)變形的判別公式；指出淺部老采空區(qū)地表殘余移動變形可采用殘余變形系數(shù)法或等效厚度法進行計算。最終，根據(jù)不同采煤方法結合采取的措施給出了淺部老采空區(qū)地表建設可行性判定指標和標準。

(3)為緩解土地匱乏現(xiàn)狀，開發(fā)利用淺部老采空區(qū)地表進行工程建設勢在必行。淺部開采多為舊時老窯和小煤礦開采，限于技術條件，遺留了大量的不規(guī)則煤柱和空洞，其結構和力學環(huán)境異常復雜。因此，對于淺部老采空區(qū)的地表建設，應引起相關部門的足夠重視。工程實例表明，對于淺部老采空區(qū)的地表建設，在對荷載影響下老采空區(qū)的穩(wěn)定性和地表殘余移動變形的充分分析和預估的條件下，采取相應的治理措施，可以保證使用安全。