采空塌陷地质灾害危险性评估方法探讨——以长春市净月区某工程为例

王俊杰，于中宇，赵年德，于景宗

1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130022；2.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,吉林 长春 130022

0 引言

我国地质灾害多发，国家、地区经济建设的发展受到严重制约，尤其在采空区上修建建筑物容易产生沉降变形、房屋开裂，甚至倒塌，直接危胁广大人民群众人身财产安全，因此对于建在采空区上的建筑物(群)如何进行定性和定量的地质灾害危险性评估成为场地适宜性的关键问题。由于采空区开采的随机性,不仅要掌握采空区分布，还要通过工程勘探手段对掌握的资料进行验证，才能保证评价工作的科学合理，同时要对采空区进行有针对性的多种方法的定性、定量计算，根据计算结果对地质灾害危险性进行评估。本文主要以长春市净月某小区为例，探讨采空塌陷区地质灾害危险性评估方法。着重介绍了基于煤矿采空区特点的地质灾害危险性评估的基本思路和方法，为其它煤矿采空区地质灾害危险性评估提供经验，以期对后续工程建设提供参考。

1 工程概况

该建设区在进行前期勘察过程中,于建设场地内发现一煤矿井入口，该矿井入口周围已发生塌陷，经现场调查访问得知该塌陷形成于2010年夏季，是由于煤矿主井井筒塌陷引发的，塌陷坑呈椭圆形，长轴长13 m，近东西方向，短轴8 m，近南北方向，塌陷深度可见深度5～8 m。煤矿开采于1978～1994，开采1个煤层, 采厚0.5～1.4 m，平均采厚1.0 m，煤层倾向290°～300°，倾角平均25°左右，采煤方法为炮采，长臂工作面，全部陷落法管理顶板，采空区残留煤柱较多，煤柱宽度一般为10～70 m不等，多数在10～30 m，断裂两侧及井筒部位均留设煤柱。煤层开采上限+215 m，下限+20 m（经调查访问得知），该矿后期由于深部煤层较薄，煤质较差，于1994年停止开采并闭矿。

2 地质环境条件

2.1 气象水文

建设区属北寒温带大陆性半湿润、半干旱季风气候区。其特点是：四季分明，春季干旱多风，夏季炎热短暂，秋季凉爽多雨，冬季寒冷漫长。多年平均气温5.2℃，最高气温在7月份，极端最高气温39.5℃，最低气温在1月份，极端最低气温-39℃。多年平均降水量567 mm，相对湿度一般3、4月份最低，为42～44%，6、7月份最高，为71～78%。多年平均蒸发量1 234 mm，常年以西、西南风为主，多年平均风速为3.4 m/s，无霜期157天，最大冻结深度1.69 m，区内地表水不发育，仅见有一条季节性冲沟。最低侵蚀基准面高程233 m。

2.2 地形地貌

区内地势总体趋势是东高西低。地势起伏较大，最高点位于本区东南角，海拔标高270 m；最低点位于本区中部，海拔标高230 m，相对高差为40m。拟建工程位于波状台地上，地貌类型按成因类型、成因形态、形态单元划分为两个成因类型、两个成因形态、两个形态单元(表1)。

2.3 地层与岩浆岩

建设区区内出露的地层有中生界侏罗系、白垩系、新生界第四系、燕山期花岗岩

（1）中生界侏罗系上统沙河子组（J3s）

分布于整个评估区。主要岩性下部为黄褐色砾岩；上部为黄褐色砂砾岩、页岩夹煤层。与下伏安民组呈不整合接触。厚度＞250 m。区内地层走向近南北向，倾向275～285°，倾角浅部25°～30°，煤层厚度0.49～1.38 m。

（2）中生界白垩系下统泉头组（K1q）

分布于评估区的西北部。主要岩性下部为棕红色砾岩；上部为紫红色泥质粉砂岩。厚度＞470 m。

（3）新生界第四系全新统（Q4al-dl）

全新统残坡积层分布于整个评估区，覆盖于沙河子组砂砾岩之上，岩性为亚粘土和粗砂，厚度20～30 m。

（4）燕山期花岗岩

分布于区内东南部，岩性为花岗岩、花岗闪长岩。

2.4 岩土工程地质特征

根据地层岩性及工程力学特征，将区内岩土体划分为块状结构坚硬岩组、层状结构较坚硬岩组、层状结构软质岩组和松散土体。

（1）块状结构坚硬岩组

分布在本区东部。由燕山期花岗岩等组成，岩石呈块状构造，饱和单轴抗压强度＞60 MPa。

（2）层状结构较坚硬岩组

分布在本区中部。由侏罗系上统沙河组及白垩系下统泉头组的砂岩，砾岩、砂砾岩等组成。岩石呈层状构造，饱和单轴抗压强度为30～60 MPa。

（3）层状结构软质岩组

分布在本区西北部。由侏罗系上统沙河组页岩夹煤层、白垩系下统泉头组的泥质粉砂岩等组成。岩石呈层状结构，饱和单轴抗压强度为5～30MPa。

（4）松散土体组

分布于整个评估区。由第四系全新统残坡积层组成，岩性为亚粘土、粗砂。

表1 地貌类型分区表Table1 Geomorphologic type zoning table

① 亚粘土

灰黄色、黑色，稍湿、可塑、地基承载力特征值为 80～200 kPa。

② 粗砂

灰黄色，主要为粗砂，局部砾砂，密实状态，局部中密状态。地基承载力特征值为300 kPa。

2.5 水文地质条件

根据地下水赋存条件及水力特征，将区内地下水划分为三个类型：松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、基岩裂隙水。分述如下：

（1）松散岩类孔隙水

分布于区内中部。含水层由第四系全新统粗砂组成，颗粒较粗、透水性好，地下水补给条件好，富水性好，水量中等。降深5 m时，单井涌水量20～80 m3/d，水位埋深0.2～1.6 m，水化学类型为重碳酸钙镁型，矿化度小于0.5 g/l。

（2）碎屑岩类孔隙裂隙水

全区大面积分布。地下水赋存于侏罗系沙河子组及白垩系泉头组的砂岩、砾岩、粉砂砾岩，水位埋深一般为15～20 m。富水性差、水量贫乏，按降深20 m计算，单井涌水量＜100 m3/d，局部地段大于100 m3/d。水化学类型为重碳酸钙型或重碳酸钙钠型，矿化度小于0.5 g/l。

（3）风化带网状裂隙水

分布在本区东部。地下水赋存于燕山期的花岗岩风化裂隙之中，富水性差，水量极贫乏，单泉流量＜0.1l/s。

3 地质灾害危险性现状评估

依据评估区地质灾害的规模、发育程度、危害程度，遵照国土资发[2004]69号文、附件《地质灾害危险性评估技术要求(试行)》和中国地质环境监测院《县（市）地质灾害调查区划基本要求实施细则》进行评估。该建设区地面塌陷是由于煤矿主井井筒塌陷引发的，该塌陷形成于2010年夏季，主要威胁对象为附近的行人和牲畜，规模较小，危害程度小，危险性小。

4 地质灾害危险性预测评估

该建设项目地质灾害危险性预测评估包括以下两方面：一是工程建设可能引发或加剧地质灾害危险性的预测；二是工程建设可能遭受地质灾害危险性的预测。

4.1 工程建设可能引发或加剧地质灾害危险性的预测

根据建设区内地形地貌、地质、水文地质条件及拟建工程结构特征，对工程建设可能引发地质灾害危险性进行预测。

建设区东部为煤矿采空区，采空结束时间已达18～33年，煤层顶板岩性为页岩、砂岩、砂砾岩，岩石风化程度为中等-微风化，平均采厚为1 m，最大采厚为1.4 m，煤层采深为35～230 m，采深采厚比为35～230 m。建设区北部地块拟建多层住宅（3～5层），南部地块拟建小高层（10～13层），考虑到建设区内新建多层与高层住宅可能引发采空区失稳，对场地稳定性分析如下：

（1）地表集中移动延续时间分析

按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定，地表集中移动延续总时间（即集中移动期）包括地表移动初始期、活跃期和衰退期三个阶段。当地表下沉达到10 mm时，即认为是地表移动期的开始；地表下沉速度大于50 mm/月（煤层倾角小于45°）或大于30 mm/月（煤层倾角大于等于45°）的时期为地表移动活跃期；连续六个月地表下沉值累计不超过30 mm时，可认为地表集中移动期结束，从地表移动活跃期结束到地表集中移动期结束的阶段称为地表移动衰退期。

煤矿的地下煤层最大深度为350 m，据采煤规程，可按下式预计煤矿开采后地表移动时间T∶

T=2.5H0

T-- 地表移动延续时间

H0—工作面采深

煤层开采深度为35～350 m，地下采空区形成的最晚时间为1994年。依据上式所列地表移动延续时间规律，地表集中移动延续时间约1～2年，地表集中移动期结束距

今已有18～34年时间。因此，从地表集中移动延续时间角度分析，煤矿区域的地表集中移动期已结束，处于相对稳定状态。

（2）地表残余变形分析

地表残余变形是指地表集中移动期结束之后，地表所产生的变形。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》有关规定，地表移动期结束，仅指连续六个月内地表下沉的累计值不超过30 mm，并不意味着地表移动过程的完全结束。实践表明，地表移动期结束后，在相当长的时期内仍有一定的地表残余变形存在。

关于地表残余移动期间的地表移动与变形计算问题，国内外研究尚不深入。根据我国中硬覆岩长壁全陷法采煤残余下沉的部分观测资料，经综合分析后得出地表残余移动期的极限连续残余下沉量计算公式如下：

其中：Wc——地表残余下沉值，mm

M——煤层采出厚度，mm

q——地表下沉系数

α ——煤层倾角，度

T ——集中移动期地表移动延续总时间，年

t ——残余移动期的时间变量，年

最大下沉值： W= qMcosα

倾斜值： I= WC/r

曲率值 ： K= ± 1.52WC/r2

水平变形值 ： ε= ± 1.52bI0

针对地块受地下采煤沉陷影响的具体条件，利用上式及表2计算得出目前和未来5年该地块采煤沉陷区域内地表可能产生的连续残余下沉值见表3。根据砖石结构建筑物的破坏等级表4，对区内建筑物破坏等级进行预测结果见表5。

由表4结果可知，地块区域剩余的残余下沉值为48～193 mm，地表最大倾斜值3.09 mm/m，最大曲率值为0.29×10-3/m，最大水平变形值为0.94 mm/m，预测地表残余变形分别对地面建筑物产生Ⅰ级-Ⅱ级破坏性影响。

（3）地表突发性塌陷可能性分析

地表产生突发性塌陷，一般分以下三种情况：一是煤层深厚比较小时，采空区顶板覆岩破坏高度达到地表，导致地表塌陷；二是急倾斜煤层开采时，浅部煤层露头处的抽冒导致地表塌陷；三是废弃井筒、溜煤眼、井下硐室等未进行有效处理，受长期地下水和其它动力作用影响，产生突发性地表塌陷。

煤矿属于缓倾斜煤层开采，顶板覆岩岩性为中硬型，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定，长壁全陷法开采条件下采空区顶板覆岩的垮落带高度Hm和裂缝带高度Hli可按下式计算：

式中：∑M—累计采厚，m。

计算结果见表4-5，根据钻孔资料可知区内采空区大多塌落，充水，上部岩层裂缝发育，岩芯较为破碎。垮落带高度一般为5～10 m，裂缝带20～30 m。

计算结果表明，建设区地下采煤形成的采空区可能发生塌陷的界限采深为63米，即采空区采深在63米以内的区域地表塌陷的可能性大，根据前述公式计算，最大塌陷深度可达0.76 m，危险性大。地块覆岩垮落带和裂缝带高度见表6。

（4） 地面建筑物附加载荷对地基稳定性影响分析

煤层开采后，上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带，岩石被断裂成块状，岩块之间存在较大的裂隙。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂隙，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本呈整体下沉，破坏轻微。因此，垮落带、断裂带的岩层虽然经过多年的压实，仍然不可避免地存在一定的裂隙和离层，其抗压、抗拉、抗剪强度明显低于原始岩体的强度。如果建筑物荷载传递到这两带，势必加大建筑物的不均匀沉降，甚至造成建筑物破坏。

表2 地表沉降及移动计算参数值Table 2 Ground subsidence and movement parameters

表3 地块采煤沉陷范围内地表极限连续残余下沉预测值Table 3 The prediction value of ground residual continuous subsidence in the collapsed area

表4 砖石结构建筑物的破坏等级Table 4 Destruction level of masonry structures

表5 区内建筑物破坏等级预测表Table 5 Destruction level prediction in the district

表6 地块覆岩垮落带和裂缝带高度Table 6 The height of overlying rock caving zone and fracture zone

地面建筑物附加载荷对采煤沉陷区地基的稳定性是否产生影响，主要考虑附加载荷的影响深度与采空区覆岩裂缝带顶部之间是否有一定的安全距离。因此，要保证裂缝带岩体不受建筑物附加载荷的影响，保持地基的稳定性，建设场地要求的开采深度应满足如下条件：

H≥Hli+Hj+ Hb

式中：H—建设场地要求开采深度，m；

Hli—采空区覆岩垮落带和裂缝带高度，m；

Hj—建筑物载荷最大影响深度，m；

Hb—建筑物载荷最大影响深度与采空区覆岩裂缝带顶部之间的安全保护层厚度，m。

建筑物载荷影响深度取决于建筑物附加载荷大小和地基承载力，可根据建筑物附加载荷与地基自重应力间的相互关系确定。根据《建筑地基基础设计规范》，当土层中有高压缩性土或其他的不稳定因素（如老采空区破裂岩体的存在）时，建筑物载荷影响深度的计算标准应按建筑物载荷附加应力等于相应建筑物位置处地基的自重应力的10%考虑。

为便于工程实践应用，对于矩形基础建筑物，深度为Z处的建筑物载荷附加应力σz和地基中的自重应力σc可按下式计算。

式中：n=L/b，m=z/b。

P—建筑物自重均布应力，Kpa；

L—矩形基础的长度，m；

b—矩形基础的宽度，m。

式中：n—Z深度内地基土层数；

γi—第i层地基土容重，KN/m3；

hi—第i层地基土厚度，m。

以长度不超过100m、宽度不超过16m的楼房为例，单层建筑物的平均面积载荷约17kPa，且建筑物载荷均匀分布在整个建筑面积内，计算得出十三层以内建筑物附加载荷最大影响深度见表7。

由表7可以看出，1至13层建筑物的载荷最大影响深度分别为8 m、14 m、16 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m、30 m、32 m、34 m、36 m。为保证采煤沉陷区内建筑物的安全可靠，安全保护层厚度可取建筑物载荷最大影响深度的2倍。因此，上式可变换为：

H≥Hli+3Hj

根据前述建筑物载荷最大影响深度和英俊镇煤矿采空区域内地下采空区顶板覆岩裂缝带高度的计算结果，从拟建建筑物载荷是否影响地层稳定性角度考虑，分析得出1～13层建筑要求最小采深见表8。

4.2 工程建设可能遭受地质灾害危险性的预测

据前述地面塌陷地质灾害危险性现状评估及工程建设可能引发和加剧地面塌陷地质灾害危险性的预测结果，对工程建设可能遭受地面塌陷地质灾害的危险性进行预测：

该建设项目用地范围与地面塌陷最近距离为11 m，遭受地面塌陷的威胁可能性小，危险性小。工程建设可能遭受其引发的地面塌陷地质灾害的威胁，经综合分析，将评估区地质灾害危险性综合评估等级确定为大、中等和小三个级别，详见表9。

5 地质灾害危险性综合评价

5.1 地质灾害危险性综合评价原则与量化指标的确定

根据“区内相似，区际相异”的原则，采用定性、半定量的分析方法，对评价区内地质灾害危险性等级进行分区，再依据地质灾害危险性预测评价结果，充分考虑评价区地质环境条件的差异和潜在的地质灾害隐患点的分布、危险程度，判别确定区段危险性的量化指标为地面塌陷危险性大的界线深度为63 m，移动角66°（采深采厚比为70～75）；危险性中等的界线深度230 m，移动角66°（采深采厚比约为256）。

表7 建筑物附加载荷最大影响深度计算表Table 7 Maximum depth prediction affected by building additional load

表8 1～13层建筑要求最小采深Table 8 The minimum depth of the 1-13 layers buildings

表9 建设用地危险性分级表Table 9 Dangerous class of construction land

5.2 地质灾害危险性综合评价

根据上述评估原则与确定量化指标的依据，将各区段地质灾害危险性进行叠加分析，其公式如下：

G=G现UmaxG预

式中：G —综合评价地质灾害危险性等级

G现—现状评价地质灾害危险性等级

G预—预测评价地质灾害危险性等级

依据地质灾害危险性预测评价结果，充分考虑评价区的地质环境条件及工程特征，按照地质灾害危险性分级标准，对建设区地质灾害危险性进行综合评价。

经综合分析，将建设区地质灾害危险性综合评估等级确定为三个级别，即地质灾害危险性大、中等和小。

其中地质灾害危险性大区位于建设区东部，面积53 925 m2，占总面积5.3%。危险性中等区位于建设区中部，面积132 900 m2，占总面积13.1%。其它为危险性小区，面积828 600 m2，占总面积81.6%。

5.3 建设用地适宜性评价

该建设项目建设用地适宜性评估，是根据地质灾害危险性综合评价结果，将评价区内地质灾害危险性小、中等和大的区段土地适宜性分别划为适宜、基本适宜和适宜性差，其中土地适宜工程建设的用地面积为118 308 m2，占用地面积61.42%，土地基本适宜工程建设的用地面积为57 750m2，占用地面积29.98%，适宜性差面积为16550m2，占用地面积8.60%。 建设用地适宜性分级见表10。

5.4 结论及建议

5.4.1 结论

（1）综合评价结果：建设区地质灾害危险性综合评价等级确定为三个级别，即：采空区开采深度35 ～63 m，移动角66°（采深采厚比约为70～75）的区域确定为地质灾害危险性大区，面积53 925 m2，占评估区总面积的5.3%；采空区开采深度63～230 m，移动角66°（采深采厚比约为256）的区域确定为地质灾害危险性中等区，面积132 900 m2，占评估区总面积的13.1%。评估区其它区域确定为危险性小区，面积828 600 m2，占评估区总面积的81.6%。

（2）拟建项目建设用地适宜性评价结果确定为三个级别，即：工程建设遭受地质灾害的可能性小，引发、加剧地质灾害的可能性小，危险性小，易于处理的区域确定为适宜区，适宜区面积为118 308 m2，占用地面积的61.42%；工程建设遭受地质灾害危害的可能性中等，引发、加剧地质灾害的可能性中等，危险性中等，但可采取措施予以处理的区域确定为基本适宜区，基本适宜区面积为57 750 m2，占用地面积29.98%；工程建设遭受地质灾害的可能性大，引发、加剧地质灾害的可能性大，危险性大，防治难度大的区域确定为适宜性差区，适宜性差区面积为16 550 m2，占用地面积8.60%。

表10 建设用地适宜性分级表Table10 Suitability class of construction land.

5.4.2 建议

为保证该建设项目建设的顺利进行和未来安全，减轻工程建设对环境的不良影响，防止各类地质灾害的发生，依据地质灾害危险性综合评价结果、环境地质。

为保证建设项目建设的顺利进行和未来安全，减轻工程建设对环境的不良影响，防止各类地质灾害的发生，依据地质灾害危险性综合评估结果、环境地质条件及工程特征，提出以下防治措施建议：

（1）工程建设开挖基坑时，应在基坑四周采取支护措施，防止土体崩塌（坍塌）造成危险。

（2）适宜性差地段建议避让。

（3）土地基本适宜地段可按表7中各楼层数要求的最小采深以及表4-6根据附加荷载对建筑物产生的最大影响深度与地块采空区顶板埋深情况，采取相应的楼层数和荷载或进行地基加固处理（采空区及其影响范围内灌浆加固或其它加固处理措施）。

（4）基本适宜区段的建筑物地基基础宜采用抗残余变形较强的片筏基础和箱形基础，上部结构宜采用剪力墙结构。

（5）适宜地段按残余变形大小计算配置钢筋砼圈梁和砼柱、在墙体内设置构造拉结钢筋等措施，增强建筑物抗不均匀沉降能力。

[1]地质灾害危险性评估技术要求(试行)[S].国土资发,2004,69.

[2]县(市)地质灾害调查区划基本要求实施细则[S].北京∶中国地质环境监测院, 2015.

[3]工程地质手册(第四版)[M].北京∶中国建筑工业出版社,2007.

[4]GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].2011.

[5]建筑物水体铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京∶国家煤炭工业局, 2000.