某采空区上部建筑场地稳定性及适宜性评价

赵 磊 马玉欢

(山西省地质勘查局二一二地质队，山西 长治 046000)

0 引言

随着经济建设的快速发展，土地资源利用愈来愈紧张，城市周边可利用的土地已逐步利用殆尽，一些地区的住宅楼不得不选择建设在采空区上部。采空区的形成多为煤层开采所致，采空区形成使处于稳定的煤层上部岩土体产生破坏、裂缝，从而造成失稳。如在采空区上部建设，在地面建筑荷载作用下，使原本不稳定的破碎岩体变形加剧，进一步产生移动和变形，从而对建筑造成破坏。故必须对采空区场地的稳定性进行论证。本次采用地面调查、物探、钻探以及理论评价的方式对采空区进行勘察，从而对场地稳定性进行评价，进而评价建设场地适宜性，该研究结果对相似的工程具有一定的指导作用[2]。

1 工程概况

建筑场地位于晋城市市区西南部，牛匠村中，占地面积47 529.91 m2，建筑内容为5栋29层～33层的高层建筑物以及楼与楼之间成片地下车库。建筑高度90.6 m～99.9 m，采用框架结构，基础型式为筏形基础，基础埋深6.0 m～6.5 m。

该场地下部存在原村内小窑开采形成的山西组3号、9号煤层采空区，该采空区现已经过治理。在2015年10月周边煤矿对太原组的15号煤层进行开采，形成15号煤采空区，现场地上存在地面塌陷、裂缝。采空区勘察采用地面调查、物探测试、钻探等方式进行。通过勘察对场地下部的采空区有了一定的了解，为后续的稳定性评价提供了一定的依据。

2 场地地质条件

建设场地地貌为低山丘陵地貌，地面高程为774.8 m～784.5 m，场地西部、北部高，南部、东部低。场地位于背斜南部，地层整体走向SW，倾向SE，倾角约为4°。地层由新到老依次为：①第四系中更新统(Q2)粉质粘土，厚度为0 m～11.6 m；②二叠系下统山西组(P1s)灰色细砂岩、灰黑色泥岩互层，该层厚度约14.4 m～34.8 m。含3号煤，煤层厚约0.5 m～2.1 m；③石炭系上统太原组(C3t)砂岩、泥岩、砂质泥岩、石灰岩互层。该层整体厚度约为63.4 m～80.66 m。该层中含9号、15号煤层，9号煤层厚度0.9 m～2.9 m，15号煤层厚度1.0 m～2.9 m。

3 采空区勘察成果

3.1 采空区特征

3.1.1采空区开采历史及基本特征

场地据调查了解可知，存在由村办煤矿2005年之前开采3号、9号煤层形成的采空区，开采方式为人工房柱式开采，巷道宽度约1.5 m～6.0 m，顶板自由垮落。目前该两层采空区已经过了治理。2015年—2016年场地北部的煤矿对场地下部15104工作面内的15号煤层进行了开采，采煤方法为综合机械化长壁采煤，全部垮落法管理顶板。工作面宽度约120 m，工作面走向82°，倾向351°，倾角3°，工作面回采率约95%。采空区历史调查对场地内采空区分布范围有了初步了解。

3.1.2拟建场地现场地面调查情况

现场调查在场地内出现地裂缝，裂缝分布在15104工作面上部地表，裂缝最大延伸长度约30 m～40 m，宽度约10 cm～20 cm，可见深度约1 m～1.5 m。形成时间约为2015年—2016年，约形成于开采时间一个月后，目前该裂缝已基本稳定，少数裂缝已闭合。地面调查对煤层采空后地面的变形破坏情况有了一定的认识。

3.1.3地面物探测试成果

为查明采空区分布情况，采用高密度电法对场地进行物探测试，测试结果表明在场地中部存在15号煤层低阻异常区，推测异常为15号煤层采空区和塌陷冒落带的综合反映，表明15号煤层顶板的岩石完整性差，对拟建建筑地基不利。物探测试进一步了解到采空区的分布情况。

3.1.4采空区钻探成果

通过勘察钻孔揭露，钻孔岩芯采取率为60%～75%，在场地中部、南部区域钻探到15号煤层，多存在冒落现象，且孔口有吸风，推测在该区域内煤层被开采；其余地区揭露15号煤层多为煤柱，表面该区域煤层完整，未有被开采。

3.2 采空区覆岩破坏类型及分布情况

钻探揭露地层可知，15号煤层采空区上部覆岩为全部可垮落岩层，以软岩～较硬岩为主，覆岩破坏类型为“三带型”，即垮落带、断裂带和弯曲带；根据钻探揭露，在场地中部、南部区域15号煤层岩芯破碎，孔口有吸风，说明该处煤层顶部覆岩破坏严重，处于垮落带、断裂带。采空区顶板岩石为厚层的石灰岩，为硬岩。

3.3 地表移动变形范围及位移量

根据地面调查结果，以现场地面出现的裂缝边界结合物探测试圈定异常区确定地表变形范围。现地面存在裂缝，根据施工钻孔实测地面高程和原有场地地面高程比对可知，地面已下降0.4 m～1.1 m，下沉最大部位位于2-1号楼YZ-4以东，2-3号楼YZ-10以西，1-7号楼以南区域，该区域地面下沉多为0.9 m～1.1 m。在场地北部区域裂缝已基本闭合，无加宽迹象，根据地面高程比对，该地面已下沉0.4 m～0.9 m。

4 采空区稳定性分析与评价

采用开采条件判别法对采空区稳定性进行分析[1]，根据终采时间判别法判别场地稳定性，评价标准见表1。

表1 按终采时间确定采空区场地稳定性

场地15号煤采空区开采时间为2015年—2016年，其至现仍不足365 d，且在采空区垮落时，地表出现了塌陷坑、台阶状裂缝等非连续变形，因此判断勘察场地稳定性为不稳定。

5 拟建场地工程建设的适宜性评价与分区[1]

5.1 采空区对工程的影响程度

拟建建筑为高约90.6 m～99.9 m的29层～33层住宅楼，为重要拟建工程，拟建工程地基基础设计等级为甲级[6]，为对变形要求高的工程，因此采空区对拟建工程影响程度大。

按照工程类比法判断：现地面仍有裂缝，裂缝仍处于发展阶段，因此判断采空区对拟建工程影响程度大。

按照采空区特征及活化影响因素判断：采空区采深H为90.3 m～104.4 m(50 m≤H≤200 m)，采深采厚比H/M平均约为49.1，但在钻探工程中发现孔口有吸风现象，且地表裂缝仍存在变形，因此判断采空区对拟建工程影响程度大。

综合判断拟建场地下部15号煤采空区对拟建工程影响程度大。

5.2 拟建工程对采空区稳定性影响程度

利用附加应力分析法分析[3,4]拟建工程对采空区稳定性的影响程度：当煤层开采影响深度达到建筑荷载的影响深度范围内，认定为工程建设对煤层采空区影响大。

1)垮落带计算。

15号煤层顶板为坚硬的石灰岩(饱和单轴抗压强度大于40 MPa)，煤层开采引发的垮落带按以下公式进行计算：

其中，∑M为煤层累计采厚。

2)断裂带计算[3]。

15号煤层开采引发的断裂带按以下公式进行计算：

因此15号煤层开采最大影响高度为Hm+Hli。

拟建建筑附加应力影响深度取地基中附加应力δz等于自重应力0.1倍的深度[5]。由此对各拟建建筑区域地基附加应力影响深度与15号煤层开采引发的最大高度进行计算，计算结果见表2。

由表2可知，15号煤层开采后，其最大影响高度达到拟建建筑地基影响深度范围内，因此工程建设对15号煤层采空区稳定性影响程度大。

综合分析评价，拟建场地下部的15号煤层采空区垮落不充分，且地面仍存在发生非连续性变形的可能，工程建设对采空区稳定性影响程度大，需对采空区进行治理，并采用地基处理等综合设计，才能建设拟建工程。因此拟建采空区场地工程建设适宜性差，需对采空区进行治理才能建设拟建工程。

6 结语

通过对拟建场地下部的15号煤层采用地面调查、物探测试、钻探、理论评价的方式综合勘察，确定场地下部存在15号煤层采空区，且采空区场地稳定性为不稳定；采空区对工程的影响程度大，拟建工程对采空区稳定性影响程度大，拟建采空区场地工程建设适宜性差，应对本场地下部采空区进行治理，对井下巷道进行加固治理，同时对拟建建筑采取变形缝、静定结构设计等结构设计措施，增强建筑物的结构稳定性。