厚煤层仓房式开采采空区处理与抗变形建筑技术研究*

郭轲轶

(1.中煤科工生态环境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012;2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

山西晋城无烟煤有限责任公司寺河矿二号井拟在本矿区新征场地内新建单身公寓楼、后勤服务中心等建筑物，占地面积约0.064 km2。项目区位于寺河二号井采煤塌陷区范围内，该区域主要开采了山西组3#煤层，煤层厚度6.0 m，平均采深85 m左右，采煤方法为仓房式开采，开采时间多为上世纪90年代末期。

由于煤层厚度大，开采方法不正规，造成回采率低，残留煤柱较多，地表沉降不充分，形成了地下暗空场。因此，决定对采空区进行注浆处理，对新建建筑物采用抗变形建筑技术，以确保新建建筑物的安全和正常使用。

对采空区进行注浆处理，是在采煤塌陷区上方进行安全建筑的一种有效手段。但对于浅部厚煤层采空区，尤其是采用非正规采煤方法，如何进行采空区地基稳定性评价，如何保证采空区注浆处理的质量，并采用合理的抗变形建筑技术，仍是需要探讨的技术难题。

1 项目区概况

寺河矿二号井新征场地位于山西省晋城市泽州县川底乡，拟建建筑物最大高度11层，约36 m。该区域地势平坦，地面标高为+788 m左右，均为第四系黄土所覆盖。项目区建筑物布置与井下开采示意图如图1所示。

图1 项目区建筑物布置与井下开采示意图

因该区域开采时间已久，且主要为小煤窑开采，缺少详实的采煤资料，具体的采宽留宽数据并不知晓，由已知的技术资料了解到该区域主要开采了山西组3#煤层，煤层厚度为6.0 m，实际的煤层开采厚度为3.0 m。根据钻孔资料，该区域第四纪表土层厚14.8 m，其下主要由中砂岩、泥岩、细砂岩等组成，整个覆岩岩性属于中硬偏硬。

本区处于抗震设防烈度为6度区。项目区域地质构造较简单，未见大的地质构造，地表不会因地质构造产生异常移动和集中变形。

2 采空区地基稳定性评价

由于新建建筑物的荷载向地下有一定影响深度，当这个深度与地下采空区的垮落裂缝带相交叠时，就会破坏垮落裂缝带业已平衡的状态，而使覆岩重新发生较大的移动变形[1-3]。

2.1 覆岩破坏高度计算

根据开采煤层的角度、煤层厚度、煤层的倾角、开采尺寸、开采方法及上覆岩层的岩性等，确定垮落裂缝带的发育高度，同时根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，该项目覆岩岩性为中硬偏硬，选取计算公式如下[4]：

(1)

式中，∑M为煤层的累计采厚，m。

由矿方提供的资料可知，最小采深为81 m，开采3#煤层，有效采厚为3.0 m。经计算，煤层开采后，垮落裂缝带的发育高度为54 m。所以，其垮落断裂带的顶界面距地表的垂直距离为27 m。

2.2 建筑物荷载影响深度计算

根据研究，当建筑物下方有高压缩性土或别的不稳定性因素，如采空区垮落断裂带时，计算附加应力至地基自重应力10%位置处，即可认为附加应力对该深度处的地基不会产生多大影响。该深度即为建筑物荷载影响深度[5]。

拟建项目区建筑物按长100 m、宽24 m进行计算，标准层高按3 m考虑，基底埋深3 m，建筑物的荷载为18 kN/m2(系单层建筑面积荷载大小)，拟建层数考虑为8、9、10、11四种情况。计算结果如表1所示，建设8、9、10、11层楼房的荷载影响深度(H影)分别为32 m、33 m、35 m、36 m。

表1 楼房建筑荷载影响深度计算表

2.3 采空区地基稳定性

对于仓房式开采，回采率低，残留煤柱较多，随着时间的推移，在建筑物荷载影响、采空区充水条件变化、地震影响等条件下，残留的煤柱有可能失去有效支承，导致地表发生滞后下沉或破坏。

当最小采深(H临)大于垮落断裂带高度(H裂)与建筑荷载影响深度(H影)两者之和时，采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动[2]，即：

H临>H裂+H影

(2)

计算可知，H裂=54 m，拟建8、9、10、11层楼房的荷载影响深度(H影)分别为32 m、33 m、35 m、36 m，两者之和分别为86 m、87 m、89 m、90 m，拟建区域内煤层最小采深为81 m，即拟建8～11层建筑物的建筑荷载很有可能对采空区产生活化影响，导致地表产生比较大的不均匀沉降。

为此，为保证新建建筑物的安全，必须对采空区进行注浆加固处理，并对建筑物采取抗变形技术措施。

3 采空区注浆处理

3.1 采空区注浆加固处理

3.1.1 注浆处理设计

为了确保新建建筑物的安全，建筑场地外51 m范围内均要求对采空区进行注浆处理。注浆范围的确定：围护带取10 m，松散层移动角取45°，基岩移动角取70°，开采深度平均取85 m，按留设保护煤柱的方法进行划定。

注浆钻孔间距取12～15 m，浆液主要由粉煤灰、水泥及少量细骨料组成，注浆施工时需先注帷幕，确保浆液不会流失到需要处理的场地以外的区域，同时，在需要时加入一定量的速凝剂。注浆施工时，要求对浆液留样，检测注浆结石体强度，一般要求其两个月后的单向抗压强度不得低于0.5 MPa[6-8]。

此外，在注浆过程中，必要时需要加压注浆，目的是为了提高充填率，一般加压的孔口压力为1.5 MPa以上。

3.1.2 注浆工艺

注浆钻孔开孔Φ146 mm，钻进到基岩完整段下Φ127孔口管，用水泥砂浆固管，然后用Φ108打到3#煤底板位置。采用Φ50 mm注浆管，其下部为20 m长花管出浆。

注浆材料选用水：水泥：粉煤灰的重量比为1：0.7：0.4～1.0，水固比1：0.9～1.5。细骨料选用小碴，直径不大于10 mm。

帷幕孔施工要求隔孔灌注，静注为主，同时加入一定量的速凝剂，注浆时观察孔口压力，当压力满足0.5 MPa时，选择注入水灰重量比为1：2的水泥浆，要求加压注浆，需将孔口压力控制在1.5 MPa，稳定泵量小于30 L/min，持续30 min以上方可完成。

整个工程共施工注浆钻孔181个，注浆量120 177 m3，投入石屑1 949 m3。

3.2 采空区注浆效果检测

检测工作主要采用钻探方法，其检测孔的布置主要考虑建筑物的位置和采空区注浆孔的位置及注浆量。整个场地共布设检测孔6个，采取试样42件。

检测孔钻孔用Φ127 mm钻头开孔，Φ91 mm钻头钻进，钻至煤层底板下0.5 m处终孔。施钻中要求清水钻进，全部取芯，并详细记录循环液的漏失情况、上下钻水位和卡钻、掉钻等异常现象。每孔完成后，先用清水洗孔再做注水试验，观测时间不少于30 min，计算单压漏失量等。对保留的岩石样，要进行室内无侧限抗压强度测试[7-9]。

检测结果表明，6个检测孔中有4个钻孔揭露了注浆体，有4个钻孔出现注水不满现象，注浆体单轴抗压强度为2.86～5.72 MPa，注浆效果比较明显，基本达到了治理的目的，但新建建筑物必须采取抗变形技术措施。

4 地表残余沉陷变形计算

新征场地虽然采取了采空区注浆处理，但由于煤层厚度大，采煤方法为仓房式开采，且注浆液本身有一定的结实率，因此，对采空区不可能完全注满，地表仍将会有一定的残余沉陷变形发生。所以，在采空区地表新建建(构)筑物时，必须要考虑注浆施工后地表存在的残余沉陷变形带来的影响。

地表沉陷变形计算方法采用我国常用的概率积分法。根据晋城矿区岩移的实测参数，同时结合该场地的地质采矿条件，选取的计算参数如表2所示[10-11]。

表2 选取的计算参数

经过计算，求得了该区域的地表残余沉陷变形值，如表3所示。通过计算结果可知，该项目区将处于Ⅰ级沉陷变形影响范围内。考虑到该区域采煤方法比较复杂，为安全起见，建议拟建区全部按Ⅱ级采动影响对新建建筑物进行保护。

表3 拟建区地表残余沉陷变形值

5 建筑物抗变形技术措施

新建建筑物抗变形结构技术措施包括吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施[10-12]。

(1)设置变形缝

要求建筑物单体长度不大于30 m，大于30 m时留设变形缝。如：单身公寓楼长89.2 m，宽21.4 m，在横轴方向共设置了两道变形缝，缝净宽100 mm，使横轴方向分割成三个长度不大于30 m的单体，降低了因地表变形在横轴方向上产生的应力集中造成建筑物破坏的可能性。

(2)基础

该场地建设前需对地基进行处理，处理目的主要是为了保证场地基础的密实度，提供地基的承载能力。在施工设计时，设计采用筏板基础，同时增设了基础滑动层。滑动层位于基础与素混凝土垫层之间。

(3)上部结构

相应增大建筑物上部结构刚度。如：单身公寓楼采用剪力墙结构，地下一层，地上十层，结构设计总高度31.5 m。增大了处于边缘及结构薄弱处的圈梁、过梁、构造柱等构件的数量、配筋量及断面尺寸，楼、屋面采用整体现浇，并与墙壁的钢筋砼圈梁连为一体。

(4)管道

管道采用地面敷设和架空，支座改为铰支座，并设置补偿器，以吸收地表变形引起的管道拉伸和压缩。预留管道穿墙孔洞，要求预留的孔洞较大，确保管道与墙壁可以相对移动，同时在必要位置的管道增加柔性接头，确保管道的正常连接。

新征场地内单身公寓楼、后勤服务中心等建筑物已于2014年底建设完成，一直保持完好和正常使用。

6 结 语

结合寺河二号井新征场地区域地质采矿条件，针对厚煤层仓房式开采的特点，进行了采空区地基稳定性评价，提出了相应的采空区注浆治理和检测方案，并进行了工程实施，根据计算的地表残余沉陷变形值，对新建建筑物采取了对应的抗变形结构技术措施，新建建筑物自建成以后未出现任何安全问题。