小煤窑采空区综合勘察与地基稳定性评价

李 维

(江苏华晟建筑设计有限公司，江苏 徐州 221006)



小煤窑采空区综合勘察与地基稳定性评价

李 维

(江苏华晟建筑设计有限公司，江苏 徐州 221006)

结合徐州市经济技术开发区煤田的地质情况与小煤窑开采情况，采用物探与钻探技术，对小煤窑采空区进行了综合勘察，评价了小煤窑采空区地基稳定性及建筑适宜性，为采空区建筑工程建设提供了依据。

小煤窑，采空区，勘察方法，地基，稳定性

0 引言

在过去的几十年中，小煤窑对地方经济的发展起到较大的推动作用，由于产能较低、安全隐患较大等原因，小煤窑大多已被关停，其多年开采留下了大量的采煤巷道与采空区，给公路、铁路、工业民用建筑的建设埋下了很多隐患。

小煤窑采空范围较小，开挖深度较浅，以巷道采掘为主，向两边开挖支巷道，一般分布无规律或呈网格状。巷道大多不支撑或采用临时支撑，任其自由垮落，缺乏安全保障。在小煤窑采空区上新建建筑物，将改变老采空区上方破裂岩土地基的受力状态，对新建建筑物的安全构成威胁。

由于小煤窑多为无证开采、无开采规划、无采矿资料，局部多次复采，使小煤窑采空区的勘察难度较大，因此需采用多种勘察方法，综合确定采空区范围，综合评价其建筑地基稳定性。

国内众多学者对浅埋小煤窑采空区的勘察、地基稳定性的评价等进行了研究[1-5]，但民用建筑下的小煤窑采空区勘察及地基稳定性评价案例较少。本文结合工程实例，探讨小煤窑浅埋采空区的综合勘察方法及地基稳定性评价方法，为地区类似工程积累经验。

1 煤田地质及小煤窑开采情况

1.1 拟建建筑物概况

拟建工程为一综合办公楼，主楼地上27层(楼高99.9 m，地下室2层)、裙房4层(楼高17.25 m，无地下室)，见图1。场地位于徐州市经济技术开发区上山村小煤窑开采范围内，场地内及周边进行过采煤活动。

1.2 煤田地质情况

建设场地位于大黄山—贾汪复式向斜煤盆地的西南翘起端，场地一带为北东走向的狭长向斜构造。拟建建筑物位于该向斜的轴部偏西。场地下伏基岩为石炭系上统太原组的石灰岩(共13层)及碎屑岩(砂、页岩等)，其中夹煤最多可达14层，一般12层。根据区域地质资料，太原组层厚160 m，可采煤层17煤、20煤、21煤，其中17煤为不稳定性煤，煤层厚度约0.5 m，顶板为砂页岩，底板为页岩；20煤层位稳定，分布普遍，煤层厚度约0.80 m，20煤下距21煤25 m～32 m，煤层顶板为石灰岩，底板为细砂岩；21煤层位稳定，分布普遍，煤厚0.75 m，煤层顶板为石灰岩，底板为泥岩。据调查，场地内小煤窑主采煤层为20煤。

1.3 小煤窑开采情况

上山村小煤窑始建于1995年，1996年关闭，斜井，为私人无证开采，井口在拟建场地东南方约200 m处，巷道走向北西，巷道倾角约20°，采用毛石砌筑，上口宽约1.8 m，下口宽约2.5 m，高约2.0 m。巷道开掘时发现地下水丰富，在巷道尽头修建一处水仓，长约40 m，距地表30 m～40 m之间。在巷道附近打了3口降水井用于矿井地下水疏干。该处采煤区可采煤层厚度较薄，1996年接到关停通知后，呈鸡窝状少量开采，未正式投产即废弃。关停后水仓处(裙房处)曾发生过地面塌陷，塌陷深度约1.0 m，在塌陷处开挖一处鱼塘，鱼塘呈南北向，约60 m×25 m。

2 小煤窑采空区综合勘察

小煤窑采空区的勘察方法包括收集地质资料、采矿调查、工程物探、钻探等。

2.1 物探勘察

为查明拟建场地内采空区分布情况，采用高分辨率的高密度电法中的三极装置电阻率剖面法进行勘探。在场地内布置了4条测线，电极间距高密度序列设置为3.0 m。勘探深度为42 m～50 m，测线总长600 m，详见图1。

物探勘察成果表明，测区深部岩层连续性较好，浅部石灰岩连续性较差且分布不均匀。未发现大面积的采空区空洞，仅发现一处相对低阻区，推测为巷道的反应；浅部岩土层变化较明显，深部岩层变化较缓，发现数处地质异常区域，推测为岩层局部变化所致。

2.2 钻探勘察

通过钻探取芯和钻探过程描述，能直观地观察岩土体性状，同时可以采取岩土试样进行室内试验，综合反映岩土层结构、岩土体特征、水文地质条件等。

本次勘察在场地内共施工了35个钻孔，钻孔的位置详见图1。通过钻探查明场地下岩土层结构、岩土体特性；采空区埋深、采空塌陷现状等；探明采空区影响范围内岩体完整程度、岩体密实度、岩体裂隙发育程度等多种特征。各孔钻探情况详见表1。

表1 钻探成果表

钻探结果证实了收集及调查了解的场地范围内20煤的分布与开采情况，小煤窑仅在巷道附近局部开采20煤，开采不规范，水仓区发生过塌陷，采空区具体边界、位置依靠钻孔是难以精确查明的，只能通过资料收集、钻探、物探等手段综合分析推测其规模。

根据现场调查、工程测量、物探、钻探综合分析认为水仓区位于场地西侧鱼塘范围内。巷道、水仓区实测及推测大致位置见图1。裙房(4层办公楼)下存在水仓塌陷区和东西走向的采煤支巷道，主楼下20煤未开采。

3 小煤窑采空区地基稳定性分析及评价

3.1 煤层开采对地基稳定性的影响评价

小煤窑开采范围内的20煤于1996年建井初期有少量开采，未正式投产小煤窑即关停。根据钻探揭露的煤层埋深及厚度判定，水仓采空区采深32.5 m～34.6 m，采厚约1.0 m～1.5 m，采深厚比约23，小于30；巷道采深35.6 m，采厚约1.4 m，采深厚比约25，小于30。

根据采空区地表移动变形规律的分析认为，水仓采空区地表移动变形已经初始稳定，但水仓区曾垮落塌陷，会对地基的稳定性产生不利影响；未垮落的巷道在外在因素(如建筑物荷载、地震、地下水等)作用下，将对地基的稳定性产生不利影响。

水仓区采深按33.0 m计，第四系厚度按8 m计，依据徐州地区煤田岩层移动角参数：第四系边界移动角φ取40°，基岩边界移动角β取70°，根据地表移动影响范围经验公式r=h/tanφ+H/tanβ,计算采空区地表影响范围最大半径为18.6 m，大于水仓塌陷区距离主楼最近距离14 m，水仓塌陷对主楼存在影响，但只影响到浅部第四系土层(见图2)，主楼基础埋深约9.0 m，因此采空区对主楼影响较小。

3.2 地表变形对地基稳定性的影响评价

场地地层倾角较缓，水仓区开采引起的地表移动和变形总体上符合地表移动的一般规律。终采时间15年以上，整体塌陷形成了塌陷坑，其地表移动变形的活跃期已经结束，未来的地表沉降变形将以残余变形为主。

根据徐州矿区地表移动规律监测和研究成果分析，水仓区地表移动规律基本符合概率积分模型[6]。根据概率积分原理计算水仓区发生的沉降量及预测的沉降变形见表2。

表2 水仓区发生的沉降量及预测的沉降变形

通过对预测的沉降量与已发生的沉降量的分析，可以认为主沉降已结束，残余变形量较小。

3.3 建筑地基稳定性综合评价

现状条件下，根据场地下煤层开采情况，将场地分为两个区域，即水仓塌陷区和巷道区，分别评述其建筑地基稳定性。

1)水仓塌陷区：小煤窑于1996年关停，水仓区曾发生地面塌陷，后在该处开挖鱼塘，经钻探验证，该处区域可认为地表变形已相对稳定，地表变形对建筑物的影响可以采取地基处理措施减轻或者消除。

2)巷道区：该区域巷道宽约2.5 m，巷道附近蜂窝状少量开采20煤，巷道保持完好，未发生垮落塌陷。该区域地基稳定性评价方法为《岩土工程手册》[7]中所用方法。计算公式如下：

建筑物基底单位压力P0按60 kPa(4层)进行计算，H0=15.4 m，1.5H0=23.1 m。

通过物探、钻探勘察验证，4层裙房下巷道顶板埋深35.6 m，巷道埋深大于1.5倍的临界深度，对地基稳定性影响较小；但在外在因素(如地下水)作用下存在“活化”的可能。

4 结语

1)建设场地位于小煤窑采空区及其影响范围内，场地下的20煤仅在巷道附近局部开采，开采范围不大，水仓区发生过垮落塌陷。2)4层裙房部分位于水仓塌陷区、部分位于巷道区、部分煤层未开采，仍然存在出现非连续性变形的危险，地基稳定性较差，在采取地基处理措施后作为建设用地是基本适宜的。建议裙房采取地基处理措施(注浆充填)或采用桩基穿越采空区，同时结构设计时采取抗变形措施。3)主楼(高层办公楼)下虽然未发现煤层开采，但依然会受到邻近采空塌陷区的影响，地基相对稳定，作为建设用地是基本适宜的，可适当加强建筑基础和上部结构的刚度。4)采用收集地质资料、采矿调查、工程物探、钻探等多种方法进行小煤窑采空区勘察，可大大提高地基稳定性及建设适宜性评价的可靠性。5)建设单位采纳了勘察评价研究成果，对巷道及水仓塌陷区进行了注浆充填处理。目前，采空区地基稳定性良好。

[1] 唐咸远,罗得把,李迎春.高速公路下伏浅层小煤窑采空区综合勘察技术[J].公路工程，2013(2):16-19,26.

[2] 张 胜,蒋家龙,韩许恒.高速公路小煤窑采空区路基综合勘察与评价[J].灾害学，2006(4):67-70.

[3] 邓国成,刘绍伟.综合勘探技术在高速公路过采空区的应用[J].陕西煤炭，2009(5):97-99.

[4] 藤永海,张俊英.老采空区地基稳定性评价[J].煤炭学报,1997,22(5):504-508.

[5] 钱自卫,吴慧蕾,姜振泉.老采空区高层建筑物地基稳定性综合评价[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2011,26(1):58-62.

[6] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[7] 《岩土工程手册》编写委员会.岩土工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.

Investigation geotechnical investigation and evaluationof foundation stability about buildings to be built above small mine goaf

Li Wei

(Jiangsu Huasheng Architectural Design Co., Ltd, Xuzhou 221006, China)

Combining with the geological circumstances and exploitation of some small coal mines in Xuzhou Economic and Technical Development Zone, the paper adopts the physical and drilling survey techniques, undertakes the comprehensive survey of the small mine goaf, and evaluates the foundation stability and building adaptability of the goaf, so as to provide some reference for the architectural engineering construction in goafs.

small coal mine, goaf, survey method, foundation, stability

1009-6825(2017)08-0056-03

2017-01-09

李 维(1984- )，男，硕士，高级工程师

TU195

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