门头沟多层采空区地基稳定性及变形预测研究

曾开华，张国锋，杨晓杰

(1.中国地质工程集团公司，北京 100083；2.中国地质物资供销总公司，北京 100083；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

对于依靠资源发展起来的城市和地区，地下普遍存在大面积的、由浅及深的多层采空区，使得采空区的存在对建筑地基的稳定构成了严重威胁。目前，对于地下采空区进行的地质灾害评估研究，主要在地表变形观测基础上，采用数学方法进行变形预测。而对于长期保持较小变形并且下伏多层采空区的地基稳定及变形预测研究的很少。本文即针对这一问题，在室内物理力学实验的基础上，运用概率积分法对关键持力层失稳而引起的地基变形进行了预测，为该类采空区建筑规划的地质灾害评估研究提供了较好的思路和方法。所取得的地质灾害危险性评估结论，已经运用到北京市门头沟棚户区改造项目的初期地质评估中，为建筑规划提供了科学的理论指导。

1 工程地质条件

1.1 地层岩性

经现场勘察、室内试验及工程物探确定，对建筑地基稳定造成影响的采空区上覆岩层从上到下地层岩性可以划分为三类岩组：松散岩组、碎裂泥岩组、较完整砂岩组。其中，松散岩组主要由素填土及第四系坡洪积物组成，厚度约11.5m，软弱松散破碎，弹模21MPa,泊松比0.28；泥岩组主要为含煤碎屑岩组，岩性为页岩、绿泥岩、碎裂泥岩以及弱化岩层，裂隙节理发育，厚度0.9～38.7m, 弹模0.1～2.3GPa，泊松比0.21～0.30，C值0.14～2.3MPa,Φ值26～30°，分布在各煤层直接顶底板及坚硬岩层和煤层之间，遇水后强度急剧降低；砂岩组是由细砂岩、粉砂岩、中砂岩等岩层组成，平均厚度30m，具有质地坚硬，结构完整，抗压强度高，承载力大等特征，其中广泛分布的粉砂岩弹模19.04GPa，泊松比0.31，C值16.6MPa,Φ值38°。

1.2 地下水分布

地下采空区所属门头沟煤矿是以大气降水为主要补给方式，受构造控制，各含水层裂隙为层间裂隙，地下水有良好的径流条件，属于裂隙涌水矿井，矿井正常涌水量随水平延深而逐渐增大。1995年，-660m水平采煤时涌水量11.8m3/min，1973年达到最大80.6m3/min。目前，煤矿水位逐年上升，在采空区已经形成巨大蓄水库，长期浸泡煤柱，对采空区稳定产生不利影响的同时，又软化了顶底板，减少了冲击矿压发生条件，对采空区地基稳定产生有利的作用。

1.3 矿震及冲击地压

自1976年9月到2000年7月，记录ML1.0以上的冲击地压12万余次，其最高震级达里氏4.2级，成为典型的冲击地压矿井。而冲击矿压及矿震的发生，则会诱发一系列的连锁反应，引起地质构造活化、煤柱失稳、顶板切顶、地下水的扰动等，均会对采空区地基稳定造成影响。采矿活动越频繁，冲击地压发生的次数越多。而2000年采矿活动停止，矿震及冲击地压的次数也大大减小。根据现场调研，停采后发生矿震的次数较少。

1.4 地下采空区分布

规划区总面积为0.587km2，区内地下可采煤层为侏罗系窑坡组，属门头沟煤系，其中可采煤层五层，即一、二、五、七、九槽煤。根据门头沟各煤层采掘平面图及闭矿报告及实际调查情况，研究区内各煤层分布在空间上变化较大，其中，九槽煤层仅局部可采，七槽煤层很薄，仅存在不连续煤线，相应的采空区分布范围很小；一、二、五槽是研究区的主采煤层，面积占据规划区面积的80%左右，分布最为广范。主采煤层倾角为18度,其中一槽煤各采空煤层的采掘活动历史及空间分布见表1。

表1 各层采空区分布统计

其中，一槽煤层采用陷落式采煤法,回采率85%；二槽煤层采用房柱充填法采煤，回采率73%；五槽煤层采用残柱式采煤法，回采率53%。根据各煤层采掘平面分布图，对各煤层采厚在空间上进行了叠加，显示煤柱分布主要集中在规划区中央呈带状分布，采厚超过5m的区域主要集中在规划区边界南侧和北侧，其余大面积部分为采厚3.3～3.7m的分布区，并且煤柱的留设将各采空区分割成几个块状区域，区域分布性明显。

2 采空区地基变形预测分析

本文采用概率积分法，对地基变形做出预计。为了尽可能准确预计研究区内形成的地基变形，计算范围将根据规划区边界向外扩展3倍，将3倍范围内各层采空区分布全部纳入沉陷预计计算的范围之内。首先计算各层下的地表移动情况，然后采用线性叠加的方式计算采空区总的地基变形，计算中还考虑了岩层倾角、重复采动、煤层停采时间等多种因素，并对预计参数进行多次调整。

2.1 概率积分法计算范围及概化

为了准确合理估计采空区对地表沉降的影响，在采用概率积分法计算时，计算范围将根据规划区边界向外扩展3倍，将3倍范围内各层采空区分布全部纳入地基变形预计计算的范围之内。由于门头沟煤矿各开采煤层或同一开采煤层的开采深度、开采厚度、采煤方法、顶板管理方法、采空区的形状和尺寸、采空区的形成时间等，对地基变形预测有影响的地质采矿条件存在较多差异，在满足工程精度要求和提高预测效率的基础上，对门头沟煤矿各煤层的计算采空区范围进行了边界的概化。概化原则如下：第一，按照地质采矿条件进行分类、分层、分区概化，相近的划为一个区段；第二，越靠近规划区的计算采空区概化要越精细；第三，重点研究对地表面产生下沉和变形影响大的采空区，对地表面移动和变形几乎没影响的采空区块略去。

2.2 概率积分法预测模型及参数确定

地表沉降盆地下沉的概率积分预测模型，是以正态分布函数为影响函数用积分式表示岩层下沉盆地的方法，该方法可适用于任意形状工作面(采区)、地表沉降盆地内任意点的移动和变形预计。地表沉降盆地下沉的概率积分预测模型所需的几个预测参数为：下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动系数b、拐点偏移距s和最大下沉角θ等。

计算参数。首先根据地表监测数据的反演以及根据岩性的不同形成的经验估计值来综合确定其预计参数的初始值，然后对下沉系数进行修正。由于采空区为多层，在开采时存在时间上的先后顺序，所以停采时间效应对地表下沉的移动和变形影响必须进行考虑。下沉系数的选取，主要通过地表移动与各煤层停采时间、拟合处下沉系数与煤层停采时间的关系式实现。

另外，根据各煤层概化后的计算采空区内真实面积与没有采出的面积关系，将预测参数分为全采预测参数和部分开采预测参数两类，分别选取。最终参数则根据不同采出率，选用不同预计参数，并结合下沉系数和煤层停采时间的关系综合确定。

2.3 重复采动预测方法及参数选取

由于多层采空区，在煤层开采时会出现自下而上重复采动影响，所以其预计方法也与初次采动时不同。

重复采动对预计参数影响。重复采动使岩层的破坏加剧或活化，从而引起岩层的移动和变形值均增大，同时还将使移动盆地的范围增大。岩层所有的移动和变形值均与下沉系数q成正比，因此，可以通过增大q来计算重复采动时的岩层移动和变形。在煤层沿走向和倾斜方向均达到充分采动时，下沉系数可按以下公式计算：

其他依次类推。其中m1、m2、m3分别为第一、二、三次开采的煤层厚度；w01、w01+2、w01+2+3分别为第一、二、三层煤开采后岩层的累计最大下沉值。根据我国相关的实测资料，在重复采动时，下沉系数较初次采动增大10%～20%，但不大于1.1，边界角减小5～10°，移动角减小10～15°，tgβ增大0.3～0.8。若为厚煤层分层开采，则第一次重复采动的下沉系数增大20%，第二次重复采动的下沉系数增大10%，以后的重复采动，下沉系数不再增大。在重复采动时，地基移动和变形预测可以用叠加方法进行，其步骤如下：①按上面所述的方法，预测第一层煤开采时的地表移动和变形值；②按上面所述的相同的方法和公式，用相应的重复采动时的预测参数预测各次重复采动引起的地表移动和变形值；③将相同点沿相同方向的初次开采和重复开采预测所得的同名移动或变形值相加(求代数和)，即得各次开采引起该点沿该方向的移动或变形值9.9mm/m，最大水平拉伸变形值为3.1mm/m，最大水平压缩变形值为-6.0mm/m；东西方向的最大倾斜值为7.1mm/m，最大水平拉伸变形值为3.6mm/m，最大水平压缩变形值为-3.2mm/m。

2.4 建筑地基变形预计结果(表3)

表3 最终沉降盆地最大移动变形预计结果

2.5 规划区内建筑地基变形分区

根据对地基变形预计的沉降等值线图及三维立体可视图像，可以将建筑地基变形分为三个区域。

①均匀沉降区。处于沉陷盆地以外部分，属于均匀整体性沉降，对建筑物危害较小。占总规划区的61.7%，地表最大下沉值小于1000mm，南北方向的最大倾斜小于1mm/m，东西方向最大倾斜为-1mm/m，南北方向的水平变形为0.5mm/m，东西方向的水平变形为0.5mm/m。

②缓倾斜沉降区。处于沉陷盆地盆沿边缘区域，属于不均匀沉降，对建筑物危害较大。占总规划区的26.7%，地表最大下沉值小于1400mm且大于1000mm，南北方向的最大倾斜1～4mm/m，东西方向最大倾斜为-4～-1mm/m，南北向的水平变形为0.5～1mm/m，东西向的水平变形为-2～0.5mm/m。

③急倾斜沉降区。处于沉陷盆地盆沿区域，属于不均匀沉降剧烈区，对建筑物危害很大。占总规划区的11.6%，地表最大下沉值大于1400mm，南北方向的最大倾斜为4mm/m，东西方向最大倾斜为-4mm/m，南北方向的水平变形为1mm/m，东西方向的水平变形为-2mm/m。

3 结论

对于采空区上的建筑适宜性评价，是目前城区规划建设中一个急需解决但研究较少的难题。本文针对北京市门头沟棚户区改造工程中所遇到的多层采空区研究，取得以下几点有益的结论：

(1)采空区地基稳定性良好，主要原因是上覆坚硬持力层发挥了支撑作用。

(2)运用基于随机介质理论的概率积分法对地基变形特征进行了预测，得出了地下岩层失稳引起的地表变形规律；通过对沉陷范围内位移、倾斜、曲率等地基变形特点的分析，对地基变形区进行了划分。

(3)针对各区变形特征，给出了建筑地基稳定性评价和建议。

(4)本文研究思路，可为类似采空区地质灾害评估提供有益的经验和模式。

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