某煤矿采空区场地稳定性综合评价

孙 晖 王起超

(江苏省第二地质工程勘察院)

近年来，随着我国城市扩张的加快及产业结构的调整，一些传统的煤矿工业城市不得不面临日益增长的土地需求与采空区土地利用不当的矛盾，因此，采空区的地基稳定性评价作为建设工程的前期选址安全及设计安全重要考虑因素，也被提到越来越重要的位置。

我国作为传统的煤炭生产、消费大国，对于采空区土地利用的问题研究很多，也取得了很多有益的成果。郭广礼等[1-2]从煤层顶板覆岩破坏特征的角度对采空区的稳定性进行分析；丁陈建等[3]基于神经网络法对复杂地质条件下的老采空区进行评价；汪吉林等[4-5]利用概率学和数值模拟方法对特殊地质条件下的采空区稳定性进行综合性的评价；王正帅等[6-7]利用模糊数学和可拓学建立新的稳定性评价模型，并在实践中加以验证。近些年，随着我国基础建设的快速发展，在一些大的国家项目建设中也涉及到了采空区的问题，在建设的过程中也取得了很多有益的经验[8-13]。其中，残余沉降预测法可以准确地通过确定老采空区停采后某一时刻的概率积分模型参数，从而对地表沉陷量进行计算，在华北地区的采空区塌陷预测上得到了广泛的应用。

本文结合研究区域实际工程地质条件，采用传统的采空区评价方式对场地稳定性进行初次评定，在此基础上，结合基于概率积分法的地表开采沉陷预计系统MSPS对采空区引起的地面残余变形程度进行预测，根据预测结果对采空区稳定性进行层次划分，从而对研究区的相关工程建设提出可行性建议。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

研究区地貌类型为单一的黄泛冲积平原，地势开阔，原始地形较为平坦，自然地面高程为32～34 m。自上世纪60年代起，受人类采煤活动的影响，场地地表经多次人工改造，原始地表形态变化极大，同时，由于地下煤层被开采后发生了地面沉陷，低洼处形成积水区。

1.2 区域地质及构造

1.2.1 区域地质

根据区域地质资料，研究区地层主要为石炭系上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)—下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)及第四系(Q)。

石炭系上统太原组(C3t)平均厚160 m，为本区主要含煤地层之一，海陆交替相沉积。由灰色-深灰色灰岩、页岩、砂质页岩及灰白色砂岩组成,夹13层石灰岩和13层薄煤。其中,17、20、21煤为可采煤层，石灰岩单层厚0.1～15.46 m，其间距为0.42～16 m不等，多为煤层顶板，不同程度地发育岩溶裂隙。以底部黏土页岩为标志层与中石炭统本溪组分界，呈整合关系。

二叠系下统山西组(P1s)平均厚138 m，为本区主要含煤地层之一，陆相沉积。上部以杂色页岩、灰色砂页岩为主，夹灰白色砂岩；中部和下部由灰黑色页岩、砂页岩、灰白色砂岩及砂页岩互层组成，含砂较高，底部是一层灰黑色“海相页岩”。含煤3层，共中7煤为可采煤层。以太原组第一层石灰岩为山西组与太原组的分界标志层，呈整合接触。

二叠系下统下石盒子组(P1x)厚122～210 m，为本区主要含煤地层之一，陆相沉积。由灰色页岩、砂页岩、灰白色细-中粒砂岩组成。上部多杂色页岩，局部具鲕粒状构造和黄色斑点，含煤6层。其中，3煤为稳定可采煤层，以下部中粒砂岩为标志层与山西组分界，呈整合接触。

二叠系上统上石盒子组(P2s)地层厚469～569 m,平均厚521 m，陆相沉积，以杂色页岩为主，夹少量砂质泥岩或砂岩，局部含煤线，与下伏下石盒子组整合接触。

第四系(Q)上部为全新统黏性土、粉土、淤泥质土相间产出，下部为上更新统黏性土，厚度一般在10～20 m，不整合于基岩面之上。

1.2.2 区域构造

研究区大地构造位置处于中朝准地台、淮河台坳、淮北台陷褶带、徐宿弧形断褶带中，区域构造部位处于徐州弧形构造内弧转折部内侧、贾汪复向斜大黄山段核部偏北位置。贾汪复向斜向斜轴大致沿杨台南—大黄山矿—大吴—贾汪一线呈北东20°～ 50°方向分布,宽5～15 km，由一系列NE—NEE向次级褶皱构造组成，为一宽缓的复式向斜构造，并被南东东向展布的多条断层切割。该向斜构造为徐州地区主要的含煤盆地，分布有大黄山、韩桥等6座国有煤矿及多家地方小煤矿。

区域上构造形迹主要有东西向构造、徐州弧形构造及新华夏系构造。区域地质构造见图1。

1.3 煤层及顶底板特征

研究区域内煤层主要赋存于下石盒子组、山西组和石炭系上统太原组，其展布形态与区域地层的构造形态相类似，共含煤21层，煤层总厚度为6.68 m，其中可采、局部可采煤层4层，分别为3，7，20和21煤。

下石盒子组3煤(夏桥系)煤层厚0～18 m，自北向南厚度变化为3，4～5.5 m，平均厚4 m，为较稳定煤层，全区可采，局部夹矸1～3层，夹矸厚0.1～3.5 m，属稳定可采中厚煤层。拟建场地内3煤倾角为40°～45°。煤层顶板为页岩，厚0～10 m，平均厚3 m；煤层底板为页岩，厚0～8 m，平均厚2.5 m。

山西组7煤(小湖系)煤层厚0～5.50 m，平均厚0.70 m，为较稳定性型煤，全区可采，局部夹矸1层，夹矸厚0.2～3.5 m。煤层倾角为20°～30°。煤层顶板为砂质页岩，平均厚2 m；煤层底板为页岩，厚0.5～2.0 m，平均厚1.5 m。

太原组20煤(屯头系)煤层厚0～1.39 m，平均厚0.55 m，可采范围平均厚0.74 m，为较稳定性型煤，局部可采。煤层倾角为10°～20°。煤层顶板为灰岩，平均厚4 m；煤层底板为砂岩，平均厚2.5 m。

太原组21煤(屯头系)煤层厚0～1.14 m，平均厚0.75m，为较稳定性型煤。煤层倾角为10°～20°。煤层顶板为灰岩，平均厚12 m；煤层底板为页岩，平均厚2.5 m。

研究区内煤层分布详见图2。

2 稳定性初步分析

2.1 开采方式判别

场地内主要开采煤层为3、7煤，根据钻探验证孔及收集资料，7煤倾角一般在20°～30°，3煤倾角一般为25°～40°，属缓倾斜—倾斜煤层。

由于拟建场地及其周边小煤窑较多，其采煤工作面一般无规律性，单层或局部叠层交错开采，巷道大多不支撑或临时支撑，任其自由垮落。因此，在采深采厚比小于30或虽大于30，但采用非正规开采方法时，地表易出现裂缝或陷坑等非连续变形，特别是在煤层露头线处，加之覆盖层厚度较薄，地表出现非连续变形可能性较大，这类变形对地面建筑危害程度较大，从开采方式因素评价拟建场地为不稳定。

2.2 终采时间因素判别

地下煤层采空后，上覆岩体逐渐变形下沉并传播到地面，引起地表移动变形，其间地表移动是一个连续的时间过程，地表每一点的移动速度具有一定规律，即地表移动都是由小逐渐增大到最大值，随后又逐渐减小直至零。在地表移动的总时间中，可划分为初始阶段、活跃阶段及衰退阶段，其中，对建筑物危害最大的是地表移动的活跃阶段。根据经验公式，估算采空区地表移动的延续时间，并与该采空区开采结束时间进行对比，可以定性评价采空塌陷区的相对稳定性。

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[14](以下简称《规范》)附录H，地表移动的延续时间计算公式为

T=2.5H0,

(1)

式中,T为移动盆地内某一区域稳定所需的时间，d；H0为平均开采深度，m。

研究区域内煤层开采深度在15～180 m，据此计算的采空区塌陷引起的地表移动延续时间约38～1 200 d，而采空区形成时间则为2001年以前，距今已16 a，可以认为，拟建场地受采空区影响的地表移动延续时间已经结束，已完成了初始稳定，进入了缓慢的残余变形阶段。因此，从终采时间因素评价拟建场地为稳定。

图2 基岩地质图

2.3 地表变形特征因素判别

研究区域内地表移动变形受大黄山矿及小煤窑矿开采沉陷双重影响，拟建场地外围东南侧分布3煤采空区，主要系大黄山矿开采，3煤厚度大，埋深小，开采范围连续且面积大；煤矿开采方法为走向长壁法，顶板管理为全垮落法，因此，其地面变形具有典型的地表移动盆地特征，中间区、内边缘带、外边缘带发育齐全，特征明显。盆地边缘地带与小煤窑采空区交界处则以突变的塌陷坑、抽冒、阶地等变形为主。

研究区域内7煤采空区主要为坡里矿开采，厚度较小，开采水平较浅(多小于120 m)，开采范围有限，开采方法多样，顶板管理不正规，局部地段存在越界、越层开采情况，形成的地表变形复杂多样，并与开采的煤层厚度及倾角有关。

根据现场调查，研究区位于向斜盆地北翼，以和缓的地面变形为主，但受小煤窑不规则开采影响，场地内零散分布数个沉陷阶地、塌陷坑等不连续沉降特征，现建设单位正在做场地的整平及回填工作。因此，从地表变形特征因素评价拟建场地稳定性具分区性。研究区具体位置详见图3。

2.4 采深采厚比因素判别

煤层开采厚度及开采深度是影响覆岩及地表移动破坏强度的重要因素。采厚与变形强度成正比，即采厚越大，采空区上覆岩体破裂变形的高度越大，地表移动变形值越大，移动过程表现得越剧烈；采深与变形强度成反比，即采深越大，地表各种移动变形值越小，移动盆地变形趋向平缓。

根据大量的采空区研究成果，当煤层埋深较浅且采深采厚比小于30时，地面变形可能会出现非连续变形，发生冒落、裂缝、台阶等急剧变形特征，对地面建筑的危害程度较高。当煤层埋深较大且采深采厚比大于30时，地面变形一般为连续变形，出现冒落、裂缝、台阶等急剧变形的可能性小，对地面建筑的危害程度较非连续变形明显变小。

根据收集资料的综合分析整理及钻孔查证结果，拟建场地3煤采深采厚比在4～60，7煤采深采厚比在20～160，因此，采深采厚比因素评价拟建场地稳定性具分区性。

2.5 顶板岩性及松散层厚度因素判别

根据研究区域内煤矿地质资料，3煤直接顶板为页岩，老顶有一层灰白色中-细粒石英砂岩，平均厚约5.6 m，以石英、长石为主，泥质胶结，局部为硅质胶结，致密，坚硬，7煤直接顶为页岩，老顶有一层灰白色中粒砂岩，平均为5.3 m，以石英、长石为主，泥质胶结，含不规则波状或斜交黑色矿物条带，煤层顶板均存在一层较硬-坚硬岩。采空区上方有厚层状坚硬岩层分布，厚5～15m，场地范围内松散层厚度规范界定区间在5～30 m。根据《规范》，从顶板岩性及松散层厚度因素评价采空区场地为基本稳定。

图3 研究区煤矿分布

各种判别法的分析结果汇总见表1。可以看出，由于研究区域内大小煤矿交叉分布造成开采方式和管理方式混乱，开采方式因素评价为不稳定，且地表变形特征及采深采厚比具有分区性；而研究区域内采煤活动停止较早，终采时间因素可评价为稳定；根据研究区内地质资料显示，煤层顶板岩性为较硬-坚硬岩，且厚5～30 m，可评价为基本稳定。

表1 采空区场地稳定状态统计

注：▲表示满足的稳定状态 。

综合以上分析，可以初步认为研究区是已经历过变形活跃期的老采空区，未来变形将以残余变形为主，且地基稳定性具有分区性。

3 概率积分法分析

3.1 概率积分法简介

概率积分法(probability-integral method，简称为 PIM)是以正态分布函数为影响函数，用积分方式表示地表下沉盆地的方法[15]，由于该方法的基础是随机介质理论，所以又称随机介质理论法。随机介质理论首先由波兰学者李特威尼申(J.Litwiniszyn)于20 世纪 50 年代引入岩层移动研究，该理论认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似。我国学者刘宝琛、廖国华等在此基础上发展为概率积分法。经过我国开采沉陷工作者几十年的研究，目前已成为较为成熟、应用最为广泛的预计方法之一。

3.2 残余变形预计

根据前面的分析，未来的地表沉降变形将以残余变形为主。MSPS是一款基于概率积分法原理的开采沉陷预计系统，在华北矿区采空区沉降预测上得到了很好的应用，现结合矿区煤层可采边界及地表移动变形参数，对采空区引起的地面残余变形程度进行预测。

根据概率积分模型，可估算采空区塌陷盆地的地表下沉、倾斜、曲率及水平变形等多种参数。对于现阶段而言，预测地表残余下沉量大小及分布特征，对指导工程建设有重要意义。

本次评价综合考虑3、7煤开采沉陷的影响，并结合徐州矿区大量的采空区研究成果，通过工程类比的方法，分析场地内的煤层开采范围、终采时间、现阶段采空区岩体的密实度，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中地面沉降观测成果，综合给出估算参数，见表2。

表2 地表移动变形估算参数

根据上述估算参数，结合各煤层采空区范围，对场地地表残余变形进行估算,结果见图4～图6。可以看出，场地内残余沉降量最大值为120 mm，位于场地中北部，其余地段残余沉降量相对较小；残余变形特征总体表现为中北、东南高态势，与已发生沉降量曲线基本吻合。根据现状测量沉降量与残余沉降量的对比分析，表明内主沉降已结束，今后将以残余沉降为主。

图4 地表残余沉降预计等值线(单位：mm)

图5 地表残余倾斜预计等值线(单位：mm/m)

根据地表倾斜、曲率及水平变形预计结果，场地内的地表残余倾斜值0～9.6 mm/m，地表曲率值0～0.95 mm/m2，地表水平移动值0～36.4 mm,水平变形值0～3.6 mm/m。

3.3 稳定性分区

稳定性分区的方法现有很多，本文按现行《规范》中采空区地表残余变形量预计判别，根据计算结果，拟建场地主要残余变形分别为最大残余下沉值Wcm=120 mm，最大残余倾斜值icm=9.6 mm/m，最大残余曲率值kcm=0.95 mm/m2，最大残余水平变形值εcm=3.6 mm/m。

针对研究区域内小煤窑不规则开采，工作面繁多、方法混乱的影响，地表最大残余变形值局部较大，因此,将场地内残余倾斜值2～9.6 mm/m、残余曲率值0.2～0.95 mm/m2、水平变形值2～3.6mm/m的地段场地稳定性等级评价为不稳定区(Ⅲ区)，其他地段为基本稳定区(Ⅱ区)及稳定区(Ⅰ区)，根据地面建筑荷载的敏感程度，建议原本拟建于场地中部的高层建筑向东避让，宜将基础设立于Ⅰ区及Ⅱ区，基础形式宜选用条形基础或筏板基础。稳定性分区见图7。

图6 地表残余水平移动预计等值线(单位：mm)

图7 研究区稳定性分区

4 结 论

(1)通过对开采方式、终采时间、地表变形特征、采深采厚比、煤层顶板及覆盖层厚度进行综合分析，结合最大沉陷量及预计沉陷量的比较，认为研究区已经历完变形活跃期，目前进入残余变形期。

(2)通过开采沉陷预计系统MSPS对研究区的残余变形量进行计算，得出场地最大残余下沉值、最大残余倾斜值、最大残余曲率值及最大残余水平变形值，将采空区分为稳定区、基本稳定区、不稳定区。

(3)采空区场地的稳定性评价作为建设工程的前期工作，评价结果对后期工程建设有着重要的指导作用。根据分区情况，建议对沉降敏感的高层建筑选址避让。