铁矿充填剩余空区地表建筑建设适宜性评价方法

郭文砚 陈清通 贾新果 王志杰

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京 100013）

矿产资源开发利用造成了大面积土地沉陷，严重影响了矿业城市的经济建设发展［1］。随着城镇化和现代化建设进程加快，土地资源日益紧缺，开发沉陷区土地作为建设场地是实现土地利用的有效途径［2］。目前对于煤矿沉陷区建设场地稳定性评价研究较多。张俊英［3］研究了建筑荷载对采空区地基稳定性的影响；孙庆先等［4］研究了沉陷区天然气管道、光伏建设稳定性评价方法；贾新果［5］研究了老采空区残余沉降预计模型；杜明泽等［6］研究了闭坑矿井场地地下水污染影响；刘洋等［7］研究了基于AHP-模糊评价的铁矿采空区失稳预测模型。铁矿矿体因地质条件和开采方法不同于煤矿，其采空区稳定性分析和地表变形存在一定的差异，不同学者也进行了相关研究［8-10］。但对于铁矿采空区地表建筑建设适宜性评价的案例相对较少。

张马屯铁矿位于济南市历城区，1977年投产，2017年8月关闭。由于济南园区建设，部分规划用地位于张马屯铁矿采空区上方（以下简称为“建设场地”）。该矿矿房采空区数量多、分布范围广、埋深差异大，采空区进行全尾砂胶结充填后仍存在剩余空区，使得地面建筑建设存在安全隐患。本研究通过统计分析、理论分析、经验类比和现场实测，分析剩余空区顶板稳定性，划分地表不同程度残余变形区域，研究建筑物载荷影响深度与覆岩破坏高度的相对关系，综合评价地表建筑建设适宜性，并提出建设场地建设安全保障措施，为类似金属矿山沉陷区土地建筑复垦提供借鉴。

1 采矿地质条件与采空区分布

张马屯铁矿建设场地下方为第四系土体，厚度为35～55 m，上部为黏性土结构，下部为黏性土与砂性土互层，土体工程地质性质良好。矿体顶、底板岩体以闪长岩和蚀变闪长岩为主，部分为大理岩和石灰岩。主要开采Ⅰ号矿体，采用分段矿房采矿法和全尾砂胶结充填采空区，矿体厚度为1.52～70.73 m，阶段高12 m，矿房长度一般为50 m，矿房与矿柱宽度为16 m。根据相关调查，在-200～-360 m水平上共分布有82个矿房采空区，如图1所示。由于采空区充填可能未及时或者受地质环境条件的改变和开采爆破作业影响，采空区仍然有剩余空区与裂隙存在，通过瞬变电磁物探也验证了存在一定范围的空区。本研究统计了矿房采出矿石量、面积、充填量和充填率等参数（表1），对矿房剩余空区高度进行了估算，可知采空区平均剩余空区高度为4.8 m，大于10 m的矿房有14个，最大为Z3602矿房22.9 m；平均充填率85%，大于85%的有41个，整体充填效果较好。

根据采空区分布，可以将采空区分为小片采空区（1～4个矿房）、连片采空区（5～7个矿房）和上下两层采空区3种类型。小片采空区跨度最大为64 m，剩余最大空区高度13.2 m（Z2801～Z2803和Z2807）；连片采空区最大跨度为103 m，剩余空区最大高度22.9 m（Z3361～Z3363和Z3601～Z3603）；两层采空区间隔最小为8 m（Z3242与Z2761）、最大跨度56 m，下层剩余空区最大高度19.6 m。连片采空区和两层采空区的稳定性相对较差。

2 采空区地表建筑建设适宜性评价

2.1 剩余空区顶板稳定性分析

铁矿采空区顶板岩体强度相对较高，有一定的稳定性，可通过顶板安全厚度计算方法，根据采空区形态、顶板力学参数计算顶板稳定所需的安全厚度，进而分析空区稳定性［11-12］。

2.1.1 厚跨比法

厚跨比法常用于稳定围岩，根据近似的水平投影跨度和顶部最薄处厚度，以厚跨比大于0.5作为安全厚度评价依据。则顶板最小安全厚度可按式（1）计算，

式中，H0为采空区顶板最小安全厚度，m；L为采空区跨度，m；K为安全系数，取3。连片采空区最大跨度取103 m，计算可得最小安全厚度为154.5 m。

2.1.2 普氏拱理论计算法

该理论认为采空区顶板将形成抛物线形的拱带，空区上部岩体质量由拱承担。采用压力拱和2倍安全系数来计算顶板安全厚度，公式为

式中，φ为岩石内摩擦角，（°）；H为剩余空区最大高度，m；f为普氏系数，取f=R/ 10；R为岩石的单轴抗压强度，MPa。采空区最大跨度取103 m，空区最大剩余高度取22.9 m，内摩擦角取40°，单轴抗压强度取闪长岩和大理岩湿式条件下的较小值78.5 MPa，计算可得顶板最小安全厚度为15.8 m。

2.1.3 结构力学梁理论计算法

假定采空区顶板岩体是一个两端固定的平板梁结构，按梁板受弯，以岩层的抗拉强度作为控制指标，安全厚度可按式（3）计算，

式中，b为顶板单位计算宽度，取1 m；γ为上覆岩体容重，kN/m3；σt为上覆岩体抗拉强度，MPa；P为建筑载荷附加应力，kPa，取值为0。岩体抗拉强度可基于Hoek-Brown准则和GSI指标的力学参数折算方法来估算［13］，公式为：

式中，σci为岩块的单轴抗压强度，MPa；mb、mi、s为岩体的Hoek-Brown常数。

顶板岩体以闪长岩为主，根据岩体质量和经验常数，GSI取65，mi取30，mb取 8.595，s取0.097，单轴抗压强度取78.5 MPa，可得岩体抗拉强度为886 kPa。采空区跨度取103 m，岩体容重取27 kN/m3，计算可得顶板最小安全厚度为161.6 m。

2.1.4 空场比法

假定空区顶板为一块嵌固梁板，受均衡连续载荷作用，当采空区长度与跨度之比大于2时，顶板最小安全厚度可进行如下计算：

式中，P1为爆破载荷，kPa，取0。

代入式（3）中相应参数，计算可得顶板最小安全厚度为82.3 m。

综合以上4种计算方法，连片采空区剩余空区顶板安全厚度计算的较大值为161.6 m，而顶板闪长岩厚度大于190 m，因此剩余空区顶板相对稳定，不会发生整体塌陷。对于两层采空区，采空区跨度为16～56 m，采空区之间顶板厚度为8～24 m，分析可知两采空区之间的顶板稳定性较差，可能发生垮落，但由于存在两层采空区的范围较小，垮落岩体碎胀可充填部分剩余空间。按上述理论方法分析可知，上层采空区剩余空区顶板相对稳定，也不会发生整体塌陷。

2.2 建设场地地表残余移动变形计算

概率积分法具有参数容易确定、实用性强等优点，是地表移动变形计算最常用的方法之一。一般认为，地表残余移动变形与移动期内移动变形规律一致［5］，因此，张马屯铁矿剩余空区地表残余移动变形可以类比概率积分法计算。根据矿房尺寸、剩余空洞高度、埋深等条件，沉陷预计按照最危险情况下所有矿房空洞被垮塌压实考虑，结合覆岩岩性、开采时间与房柱式开采方法原理，单个矿房采空区残余下沉系数取0.2，连片采空区适当增大下沉系数。根据移动变形软件（CESSDG系统）计算结果，地表残余下沉为0～213 mm，倾斜量为3.4～+2.5 mm/m，水平变形为-3.5～+3.6 mm/m。参考“三下采煤”规范［14］中砖混结构建筑物损坏等级划分标准，将地表下沉小于10 mm的区域划分为无影响区（A区），将水平变形不大于2.0 mm/m或倾斜变形不大于3 mm/m的区域划分为轻微变形区（B区），将水平变形大于2.0 mm/m且倾斜变形大于3 mm/m的区域划分为Ⅱ级轻度损坏变形区（C区），则A区面积占建设场地8.6%，B区占75.8%，C区占15.6%，变形分区见图2。因此，建设场地内大部分区域地表建筑属于I级轻微损坏变形，少部分区域受到Ⅱ级轻度损坏变形。

2.3 覆岩破坏高度与建筑载荷影响深度的关系

矿体开采后，顶板一定范围内岩层发生垮落、断裂破坏，岩体强度降低，存在裂缝和离层，如果建筑荷载附加应力影响到该破坏区域，将造成岩体进一步变形和沉降，可能导致建筑物地基破坏。矿房开采相比于煤层长壁开采的范围小，顶板岩体强度好，其覆岩破坏范围通常小于长壁开采，但考虑部分剩余空区高度较大，因此铁矿开采覆岩破坏高度计算可类比“三下采煤”规范［14］中厚煤层分层开采坚硬顶板条件下的“两带”高度经验公式，

式中，Hli为导水裂缝带高度，m；∑M为累计采厚，m。

选取连片采空区进行计算，平均剩余空洞高度取9.5 m，代入上式中计算并取较大值为102.5 m。

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［15］，存在采空区时，以地基中建筑载荷附加应力等于相应位置处地基土层自重应力10%时的深度作为载荷影响深度。取拟建建筑物载荷为120、240、360 kPa，单栋建筑平面尺寸为60 m×20 m，第四系土层厚度取40 m，容重取20 kN/m3，基岩层容重取25 kN/m3，基础埋深为5 m，可计算出不同建筑载荷的影响深度为29、39、44 m（图3）。

要保证建设场地稳定性，应使建筑载荷附加应力不对采空区破坏岩体产生影响，则采空区的临界开采深度（H临）应满足：

式中，hz为载荷影响深度，取44 m；a为保护层厚度，取10 m，则临界开采深度应大于156.5 m。

建设场地地表标高+35 m、开采标高-200～-360 m、矿房高度小于60 m，则实际采深大于临界开采深度，因此地表新增360 kPa建筑荷载对采空区稳定性无影响。

2.4 地面沉降监测分析

张马屯铁矿地表布设有沉降监测点，在建设场地内部和附近的部分监测点位置见图1，监测时间从2015年2月到2019年10月，测点累计沉降曲线见图4。可以看出，J5测点最大累计沉降为11 mm，主要由于靠近连片采空区，沉降较大。该矿2017年8月31日停产，从2018年5月之后，测点沉降趋于稳定。地表整体沉降较小，采空区稳定性较好。

结合地表沉降监测和移动变形预计结果，该区域地表最大倾斜值为3.4 mm/m。考虑建筑自身荷载作用，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［15］规定，当多层和高层建筑高度小于24 m时，建筑整体倾斜允许值为4 mm/m，建筑高度为24～60 m时，倾斜允许值为3 mm/m。因此，根据预测的地表最大倾斜值，建议该区域建筑高度限制在36 m以下，不适宜建设超高层建筑。

2.5 地表建筑建设适宜性评价

综上分析，采空区剩余空区顶板稳定，不会发生大面积塌陷；建设场地地表75.8%区域建筑受到I级轻微损坏变形，15.6%区域受到Ⅱ级轻度损坏变形，危险程度较低；地表新增360 kPa建筑荷载对采空区稳定性无影响；通过地面沉降长期监测，地表整体沉降较小，采空区稳定性较好。因此，建设场地进行一般工程建设（建筑高度36 m以下）的适宜性较好。

3 建设场地安全保障措施

（1）奥陶纪石灰岩裂隙含水层为矿井主要充水因素，矿区采取注浆大帷幕对该含水层进行封堵，有效降低了矿井涌水量。但长期渗透使帷幕注浆结石体受到侵蚀，帷幕失效可能导致矿井涌水量增加，涌水侵蚀会降低矿柱及顶板岩体强度，加速采空区垮塌，影响采空区稳定性。因此，建设过程中需进一步排查不良封闭钻孔，加强对帷幕内外水文观测孔水位及井下涌水量在线监测。

（2）建设场地不适宜建设（超）高层建筑，建议该区域建筑高度不超过36 m，并增加基础抗变形能力，建议在连片采空区和剩余空区高度较大的矿房及短矿柱上方地面增加地表及建筑物沉降观测点，定期进行观测。

（3）对于下方继续使用的巷道，应加强顶板监测及巷道维修保护，若巷道不再继续使用，建议对废弃巷道进行充填支护，避免巷道变形影响采空区稳定。

4 结 论

（1）综合比较厚跨比、普氏拱理论、结构力学梁理论和空场比4种顶板安全厚度计算结果和剩余空区顶板实际厚度，认为张马屯铁矿剩余空区顶板厚度满足安全要求，不会发生整体塌陷。

（2）通过剩余空区残余变形预计，建设场地地表75.8%区域内建筑受到I级轻微损坏变形，15.6%区域内建筑受到Ⅱ级轻度损坏变形，危险程度较低。现场观测地表5 a累计最大沉降11 mm，剩余空区稳定性较好。

（3）通过载荷影响深度分析，建设场地地表新增360 kPa建筑荷载对剩余空区稳定性无影响，场地进行工程建设（建筑高度36 m以下）的适宜性较好。