孫 暉 王起超

(江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院)

近年來，隨著我國城市擴(kuò)張的加快及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，一些傳統(tǒng)的煤礦工業(yè)城市不得不面臨日益增長的土地需求與采空區(qū)土地利用不當(dāng)?shù)拿?，因此，采空區(qū)的地基穩(wěn)定性評價作為建設(shè)工程的前期選址安全及設(shè)計安全重要考慮因素，也被提到越來越重要的位置。

我國作為傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)、消費大國，對于采空區(qū)土地利用的問題研究很多，也取得了很多有益的成果。郭廣禮等[1-2]從煤層頂板覆巖破壞特征的角度對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；丁陳建等[3]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對復(fù)雜地質(zhì)條件下的老采空區(qū)進(jìn)行評價；汪吉林等[4-5]利用概率學(xué)和數(shù)值模擬方法對特殊地質(zhì)條件下的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行綜合性的評價；王正帥等[6-7]利用模糊數(shù)學(xué)和可拓學(xué)建立新的穩(wěn)定性評價模型，并在實踐中加以驗證。近些年，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，在一些大的國家項目建設(shè)中也涉及到了采空區(qū)的問題，在建設(shè)的過程中也取得了很多有益的經(jīng)驗[8-13]。其中，殘余沉降預(yù)測法可以準(zhǔn)確地通過確定老采空區(qū)停采后某一時刻的概率積分模型參數(shù)，從而對地表沉陷量進(jìn)行計算，在華北地區(qū)的采空區(qū)塌陷預(yù)測上得到了廣泛的應(yīng)用。

本文結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H工程地質(zhì)條件，采用傳統(tǒng)的采空區(qū)評價方式對場地穩(wěn)定性進(jìn)行初次評定，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合基于概率積分法的地表開采沉陷預(yù)計系統(tǒng)MSPS對采空區(qū)引起的地面殘余變形程度進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行層次劃分，從而對研究區(qū)的相關(guān)工程建設(shè)提出可行性建議。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)地貌類型為單一的黃泛沖積平原，地勢開闊，原始地形較為平坦，自然地面高程為32～34 m。自上世紀(jì)60年代起，受人類采煤活動的影響，場地地表經(jīng)多次人工改造，原始地表形態(tài)變化極大，同時，由于地下煤層被開采后發(fā)生了地面沉陷，低洼處形成積水區(qū)。

1.2 區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造

1.2.1 區(qū)域地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，研究區(qū)地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)—下石盒子組(P1x)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)及第四系(Q)。

石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)平均厚160 m，為本區(qū)主要含煤地層之一，海陸交替相沉積。由灰色-深灰色灰?guī)r、頁巖、砂質(zhì)頁巖及灰白色砂巖組成,夾13層石灰?guī)r和13層薄煤。其中,17、20、21煤為可采煤層，石灰?guī)r單層厚0.1～15.46 m，其間距為0.42～16 m不等，多為煤層頂板，不同程度地發(fā)育巖溶裂隙。以底部黏土頁巖為標(biāo)志層與中石炭統(tǒng)本溪組分界，呈整合關(guān)系。

二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)平均厚138 m，為本區(qū)主要含煤地層之一，陸相沉積。上部以雜色頁巖、灰色砂頁巖為主，夾灰白色砂巖；中部和下部由灰黑色頁巖、砂頁巖、灰白色砂巖及砂頁巖互層組成，含砂較高，底部是一層灰黑色“海相頁巖”。含煤3層，共中7煤為可采煤層。以太原組第一層石灰?guī)r為山西組與太原組的分界標(biāo)志層，呈整合接觸。

二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)厚122～210 m，為本區(qū)主要含煤地層之一，陸相沉積。由灰色頁巖、砂頁巖、灰白色細(xì)-中粒砂巖組成。上部多雜色頁巖，局部具鮞粒狀構(gòu)造和黃色斑點，含煤6層。其中，3煤為穩(wěn)定可采煤層，以下部中粒砂巖為標(biāo)志層與山西組分界，呈整合接觸。

二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)地層厚469～569 m,平均厚521 m，陸相沉積，以雜色頁巖為主，夾少量砂質(zhì)泥巖或砂巖，局部含煤線，與下伏下石盒子組整合接觸。

第四系(Q)上部為全新統(tǒng)黏性土、粉土、淤泥質(zhì)土相間產(chǎn)出，下部為上更新統(tǒng)黏性土，厚度一般在10～20 m，不整合于基巖面之上。

1.2.2 區(qū)域構(gòu)造

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺、淮河臺坳、淮北臺陷褶帶、徐宿弧形斷褶帶中，區(qū)域構(gòu)造部位處于徐州弧形構(gòu)造內(nèi)弧轉(zhuǎn)折部內(nèi)側(cè)、賈汪復(fù)向斜大黃山段核部偏北位置。賈汪復(fù)向斜向斜軸大致沿楊臺南—大黃山礦—大吳—賈汪一線呈北東20°～ 50°方向分布,寬5～15 km，由一系列NE—NEE向次級褶皺構(gòu)造組成，為一寬緩的復(fù)式向斜構(gòu)造，并被南東東向展布的多條斷層切割。該向斜構(gòu)造為徐州地區(qū)主要的含煤盆地，分布有大黃山、韓橋等6座國有煤礦及多家地方小煤礦。

區(qū)域上構(gòu)造形跡主要有東西向構(gòu)造、徐州弧形構(gòu)造及新華夏系構(gòu)造。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造見圖1。

1.3 煤層及頂?shù)装逄卣?/h3>

研究區(qū)域內(nèi)煤層主要賦存于下石盒子組、山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，其展布形態(tài)與區(qū)域地層的構(gòu)造形態(tài)相類似，共含煤21層，煤層總厚度為6.68 m，其中可采、局部可采煤層4層，分別為3，7，20和21煤。

下石盒子組3煤(夏橋系)煤層厚0～18 m，自北向南厚度變化為3，4～5.5 m，平均厚4 m，為較穩(wěn)定煤層，全區(qū)可采，局部夾矸1～3層，夾矸厚0.1～3.5 m，屬穩(wěn)定可采中厚煤層。擬建場地內(nèi)3煤傾角為40°～45°。煤層頂板為頁巖，厚0～10 m，平均厚3 m；煤層底板為頁巖，厚0～8 m，平均厚2.5 m。

山西組7煤(小湖系)煤層厚0～5.50 m，平均厚0.70 m，為較穩(wěn)定性型煤，全區(qū)可采，局部夾矸1層，夾矸厚0.2～3.5 m。煤層傾角為20°～30°。煤層頂板為砂質(zhì)頁巖，平均厚2 m；煤層底板為頁巖，厚0.5～2.0 m，平均厚1.5 m。

太原組20煤(屯頭系)煤層厚0～1.39 m，平均厚0.55 m，可采范圍平均厚0.74 m，為較穩(wěn)定性型煤，局部可采。煤層傾角為10°～20°。煤層頂板為灰?guī)r，平均厚4 m；煤層底板為砂巖，平均厚2.5 m。

太原組21煤(屯頭系)煤層厚0～1.14 m，平均厚0.75m，為較穩(wěn)定性型煤。煤層傾角為10°～20°。煤層頂板為灰?guī)r，平均厚12 m；煤層底板為頁巖，平均厚2.5 m。

研究區(qū)內(nèi)煤層分布詳見圖2。

2 穩(wěn)定性初步分析

2.1 開采方式判別

場地內(nèi)主要開采煤層為3、7煤，根據(jù)鉆探驗證孔及收集資料，7煤傾角一般在20°～30°，3煤傾角一般為25°～40°，屬緩傾斜—傾斜煤層。

由于擬建場地及其周邊小煤窯較多，其采煤工作面一般無規(guī)律性，單層或局部疊層交錯開采，巷道大多不支撐或臨時支撐，任其自由垮落。因此，在采深采厚比小于30或雖大于30，但采用非正規(guī)開采方法時，地表易出現(xiàn)裂縫或陷坑等非連續(xù)變形，特別是在煤層露頭線處，加之覆蓋層厚度較薄，地表出現(xiàn)非連續(xù)變形可能性較大，這類變形對地面建筑危害程度較大，從開采方式因素評價擬建場地為不穩(wěn)定。

2.2 終采時間因素判別

地下煤層采空后，上覆巖體逐漸變形下沉并傳播到地面，引起地表移動變形，其間地表移動是一個連續(xù)的時間過程，地表每一點的移動速度具有一定規(guī)律，即地表移動都是由小逐漸增大到最大值，隨后又逐漸減小直至零。在地表移動的總時間中，可劃分為初始階段、活躍階段及衰退階段，其中，對建筑物危害最大的是地表移動的活躍階段。根據(jù)經(jīng)驗公式，估算采空區(qū)地表移動的延續(xù)時間，并與該采空區(qū)開采結(jié)束時間進(jìn)行對比，可以定性評價采空塌陷區(qū)的相對穩(wěn)定性。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[14](以下簡稱《規(guī)范》)附錄H，地表移動的延續(xù)時間計算公式為

T=2.5H0,

(1)

式中,T為移動盆地內(nèi)某一區(qū)域穩(wěn)定所需的時間，d；H0為平均開采深度，m。

研究區(qū)域內(nèi)煤層開采深度在15～180 m，據(jù)此計算的采空區(qū)塌陷引起的地表移動延續(xù)時間約38～1 200 d，而采空區(qū)形成時間則為2001年以前，距今已16 a，可以認(rèn)為，擬建場地受采空區(qū)影響的地表移動延續(xù)時間已經(jīng)結(jié)束，已完成了初始穩(wěn)定，進(jìn)入了緩慢的殘余變形階段。因此，從終采時間因素評價擬建場地為穩(wěn)定。

圖2 基巖地質(zhì)圖

2.3 地表變形特征因素判別

研究區(qū)域內(nèi)地表移動變形受大黃山礦及小煤窯礦開采沉陷雙重影響，擬建場地外圍東南側(cè)分布3煤采空區(qū)，主要系大黃山礦開采，3煤厚度大，埋深小，開采范圍連續(xù)且面積大；煤礦開采方法為走向長壁法，頂板管理為全垮落法，因此，其地面變形具有典型的地表移動盆地特征，中間區(qū)、內(nèi)邊緣帶、外邊緣帶發(fā)育齊全，特征明顯。盆地邊緣地帶與小煤窯采空區(qū)交界處則以突變的塌陷坑、抽冒、階地等變形為主。

研究區(qū)域內(nèi)7煤采空區(qū)主要為坡里礦開采，厚度較小，開采水平較淺(多小于120 m)，開采范圍有限，開采方法多樣，頂板管理不正規(guī)，局部地段存在越界、越層開采情況，形成的地表變形復(fù)雜多樣，并與開采的煤層厚度及傾角有關(guān)。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)位于向斜盆地北翼，以和緩的地面變形為主，但受小煤窯不規(guī)則開采影響，場地內(nèi)零散分布數(shù)個沉陷階地、塌陷坑等不連續(xù)沉降特征，現(xiàn)建設(shè)單位正在做場地的整平及回填工作。因此，從地表變形特征因素評價擬建場地穩(wěn)定性具分區(qū)性。研究區(qū)具體位置詳見圖3。

2.4 采深采厚比因素判別

煤層開采厚度及開采深度是影響覆巖及地表移動破壞強(qiáng)度的重要因素。采厚與變形強(qiáng)度成正比，即采厚越大，采空區(qū)上覆巖體破裂變形的高度越大，地表移動變形值越大，移動過程表現(xiàn)得越劇烈；采深與變形強(qiáng)度成反比，即采深越大，地表各種移動變形值越小，移動盆地變形趨向平緩。

根據(jù)大量的采空區(qū)研究成果，當(dāng)煤層埋深較淺且采深采厚比小于30時，地面變形可能會出現(xiàn)非連續(xù)變形，發(fā)生冒落、裂縫、臺階等急劇變形特征，對地面建筑的危害程度較高。當(dāng)煤層埋深較大且采深采厚比大于30時，地面變形一般為連續(xù)變形，出現(xiàn)冒落、裂縫、臺階等急劇變形的可能性小，對地面建筑的危害程度較非連續(xù)變形明顯變小。

根據(jù)收集資料的綜合分析整理及鉆孔查證結(jié)果，擬建場地3煤采深采厚比在4～60，7煤采深采厚比在20～160，因此，采深采厚比因素評價擬建場地穩(wěn)定性具分區(qū)性。

2.5 頂板巖性及松散層厚度因素判別

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)煤礦地質(zhì)資料，3煤直接頂板為頁巖，老頂有一層灰白色中-細(xì)粒石英砂巖，平均厚約5.6 m，以石英、長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，局部為硅質(zhì)膠結(jié)，致密，堅硬，7煤直接頂為頁巖，老頂有一層灰白色中粒砂巖，平均為5.3 m，以石英、長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，含不規(guī)則波狀或斜交黑色礦物條帶，煤層頂板均存在一層較硬-堅硬巖。采空區(qū)上方有厚層狀堅硬巖層分布，厚5～15m，場地范圍內(nèi)松散層厚度規(guī)范界定區(qū)間在5～30 m。根據(jù)《規(guī)范》，從頂板巖性及松散層厚度因素評價采空區(qū)場地為基本穩(wěn)定。

圖3 研究區(qū)煤礦分布

各種判別法的分析結(jié)果匯總見表1?？梢钥闯?，由于研究區(qū)域內(nèi)大小煤礦交叉分布造成開采方式和管理方式混亂，開采方式因素評價為不穩(wěn)定，且地表變形特征及采深采厚比具有分區(qū)性；而研究區(qū)域內(nèi)采煤活動停止較早，終采時間因素可評價為穩(wěn)定；根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料顯示，煤層頂板巖性為較硬-堅硬巖，且厚5～30 m，可評價為基本穩(wěn)定。

表1 采空區(qū)場地穩(wěn)定狀態(tài)統(tǒng)計

注：▲表示滿足的穩(wěn)定狀態(tài) 。

綜合以上分析，可以初步認(rèn)為研究區(qū)是已經(jīng)歷過變形活躍期的老采空區(qū)，未來變形將以殘余變形為主，且地基穩(wěn)定性具有分區(qū)性。

3 概率積分法分析

3.1 概率積分法簡介

概率積分法(probability-integral method，簡稱為 PIM)是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)，用積分方式表示地表下沉盆地的方法[15]，由于該方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，所以又稱隨機(jī)介質(zhì)理論法。隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申(J.Litwiniszyn)于20 世紀(jì) 50 年代引入巖層移動研究，該理論認(rèn)為開采引起的巖層和地表移動的規(guī)律與作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒體介質(zhì)模型所描述的規(guī)律在宏觀上相似。我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等在此基礎(chǔ)上發(fā)展為概率積分法。經(jīng)過我國開采沉陷工作者幾十年的研究，目前已成為較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計方法之一。

3.2 殘余變形預(yù)計

根據(jù)前面的分析，未來的地表沉降變形將以殘余變形為主。MSPS是一款基于概率積分法原理的開采沉陷預(yù)計系統(tǒng)，在華北礦區(qū)采空區(qū)沉降預(yù)測上得到了很好的應(yīng)用，現(xiàn)結(jié)合礦區(qū)煤層可采邊界及地表移動變形參數(shù)，對采空區(qū)引起的地面殘余變形程度進(jìn)行預(yù)測。

根據(jù)概率積分模型，可估算采空區(qū)塌陷盆地的地表下沉、傾斜、曲率及水平變形等多種參數(shù)。對于現(xiàn)階段而言，預(yù)測地表殘余下沉量大小及分布特征，對指導(dǎo)工程建設(shè)有重要意義。

本次評價綜合考慮3、7煤開采沉陷的影響，并結(jié)合徐州礦區(qū)大量的采空區(qū)研究成果，通過工程類比的方法，分析場地內(nèi)的煤層開采范圍、終采時間、現(xiàn)階段采空區(qū)巖體的密實度，參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中地面沉降觀測成果，綜合給出估算參數(shù)，見表2。

表2 地表移動變形估算參數(shù)

根據(jù)上述估算參數(shù)，結(jié)合各煤層采空區(qū)范圍，對場地地表殘余變形進(jìn)行估算,結(jié)果見圖4～圖6?？梢钥闯觯瑘龅貎?nèi)殘余沉降量最大值為120 mm，位于場地中北部，其余地段殘余沉降量相對較??；殘余變形特征總體表現(xiàn)為中北、東南高態(tài)勢，與已發(fā)生沉降量曲線基本吻合。根據(jù)現(xiàn)狀測量沉降量與殘余沉降量的對比分析，表明內(nèi)主沉降已結(jié)束，今后將以殘余沉降為主。

圖4 地表殘余沉降預(yù)計等值線(單位：mm)

圖5 地表殘余傾斜預(yù)計等值線(單位：mm/m)

根據(jù)地表傾斜、曲率及水平變形預(yù)計結(jié)果，場地內(nèi)的地表殘余傾斜值0～9.6 mm/m，地表曲率值0～0.95 mm/m2，地表水平移動值0～36.4 mm,水平變形值0～3.6 mm/m。

3.3 穩(wěn)定性分區(qū)

穩(wěn)定性分區(qū)的方法現(xiàn)有很多，本文按現(xiàn)行《規(guī)范》中采空區(qū)地表殘余變形量預(yù)計判別，根據(jù)計算結(jié)果，擬建場地主要殘余變形分別為最大殘余下沉值Wcm=120 mm，最大殘余傾斜值icm=9.6 mm/m，最大殘余曲率值kcm=0.95 mm/m2，最大殘余水平變形值εcm=3.6 mm/m。

針對研究區(qū)域內(nèi)小煤窯不規(guī)則開采，工作面繁多、方法混亂的影響，地表最大殘余變形值局部較大，因此,將場地內(nèi)殘余傾斜值2～9.6 mm/m、殘余曲率值0.2～0.95 mm/m2、水平變形值2～3.6mm/m的地段場地穩(wěn)定性等級評價為不穩(wěn)定區(qū)(Ⅲ區(qū))，其他地段為基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅱ區(qū))及穩(wěn)定區(qū)(Ⅰ區(qū))，根據(jù)地面建筑荷載的敏感程度，建議原本擬建于場地中部的高層建筑向東避讓，宜將基礎(chǔ)設(shè)立于Ⅰ區(qū)及Ⅱ區(qū)，基礎(chǔ)形式宜選用條形基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)。穩(wěn)定性分區(qū)見圖7。

圖6 地表殘余水平移動預(yù)計等值線(單位：mm)

圖7 研究區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)

4 結(jié) 論

(1)通過對開采方式、終采時間、地表變形特征、采深采厚比、煤層頂板及覆蓋層厚度進(jìn)行綜合分析，結(jié)合最大沉陷量及預(yù)計沉陷量的比較，認(rèn)為研究區(qū)已經(jīng)歷完變形活躍期，目前進(jìn)入殘余變形期。

(2)通過開采沉陷預(yù)計系統(tǒng)MSPS對研究區(qū)的殘余變形量進(jìn)行計算，得出場地最大殘余下沉值、最大殘余傾斜值、最大殘余曲率值及最大殘余水平變形值，將采空區(qū)分為穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)。

(3)采空區(qū)場地的穩(wěn)定性評價作為建設(shè)工程的前期工作，評價結(jié)果對后期工程建設(shè)有著重要的指導(dǎo)作用。根據(jù)分區(qū)情況，建議對沉降敏感的高層建筑選址避讓。