濟寧岱莊煤礦采空區注漿治理工程建設適宜性評價

劉節升,張世中,肖華,杜顯彪,朱寧

(山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊),山東 濟寧 272100)

0 引言

濟寧市是山東省煤炭資源主要城市之一,隨著地下煤炭資源的大規模開采,轄區內形成了大面積的采空區,制約了城鎮建設規劃、水利、交通等基礎工程建設。由于長期煤炭過渡開采,濟寧任城區及周邊采煤沉陷區面積可達70km2,造成的地表彎曲和沉降變形導致諸多房屋破壞、道路損毀[1]。近年來對濟寧市采空區的研究多集中在地表的破壞程度、土地復墾、環境修復等方面,涉及地面高層建筑的研究較少。五里屯建設項目主要是18～26層高層建筑群及附屬設施,擬建物高度大,設計要求嚴格,探討治理后場區的穩定性和適宜性,對項目建設具有重要意義。

1 建設工程概況

研究區南距任城大道(原省道S338)960m,西距國道G105約3.8km,北距北二環約2.5km,東距省道S614約5.2km,周邊城市道路較多(圖1),交通極為便利。

圖1 研究區交通位置圖

研究區位于岱莊煤礦治理采空區上方,總建筑面積約485327.99m2,主要包括住宅建筑和商務辦公建筑及地下車庫,共27棟住宅樓,單棟樓層高18～26層,2層地下室。該項目屬于大型高層建筑群。

2 地理與地質環境概況

2.1 氣象與水文

濟寧市地處暖溫帶半濕潤季風氣候區,四季分明。根據濟寧市氣象局多年氣象資料(1980—2022年),研究區多年平均氣溫13.6℃,多年平均降水量為671.3mm,最大降水量1088.67mm(2003年),最小降雨量397.72mm(2002年)。年內各月降水分配極不均勻,一般多集中在6—9月份,占全年降水量的70%以上。研究區地表水系不發育,多為季節性沖溝。

2.2 地理地貌條件

濟寧市地貌類型屬汶泗河沖洪積平原,地形較平坦,地貌類型單一,地面標高為38.71～39.61m。

2.3 地層巖性及物理力學性質

根據岱莊煤礦地質資料,該區地層區劃屬華北地層區魯西南分區濟寧小區,區內地層由老至新有奧陶系、中石炭統本溪組、上石炭統太原組、下二疊統山西組、下石盒子群,上二疊統上石盒子群,上侏羅統蒙陰組及第四系[2-3]。

研究區揭露地層由老至新為石炭系、二疊系、侏羅系、第四系。

(1)石炭-二疊紀月門溝群

山西組:主要由灰白色砂巖、煤層組成,夾薄層黑灰色泥巖,厚65.4～80.4m,平均70.5m,局部出現剝蝕現象。砂巖組飽和抗壓強度為42.50～81.90MPa,平均66.28MPa,軟化系數0.82。RQD值89%,巖石質量較好的,巖體較完整,是區內穩定性較好的巖組。

太原組:主要由灰色砂質泥巖,灰色、黑灰色粉砂巖,褐灰色泥巖及煤組成,平均厚163.0m。該組共含煤24層(由上而下依次為4、5、6、7、8上、8下、9、10上、10中、10下、11、12上、12中、12下、14、15上、15下、16、17、18上、18中、18下、19、20煤層),除6、15上、16、17煤層可采外,其余煤層均不可采,與下伏地層為整合接觸。粉砂巖飽和抗壓強度48.80～74.30MPa,平均58.06MPa。泥巖、砂質泥巖軟化系數分別為0.46、0.60,屬軟弱類易軟化巖石,粉砂巖軟化系數為0.78。RQD值65%,巖石質量較差的,巖體較完整,局部破碎。

本溪組:主要由黃綠色、灰色鐵鋁質泥巖、砂質泥巖[4],層后由南向北逐漸變薄。平均厚25.5m。泥巖飽和抗壓強度23.70～37.50MPa,平均31.66MPa;砂質泥巖飽和抗壓強度30.50～51.50MPa,平均40.72MPa;該組含煤共4層(2、3上1、3上、3下煤層),可采煤層3層(3上1、3上、3下煤層),與下伏奧陶系灰巖呈平行不整合接觸[5]。

(2)二疊紀石盒子群

主要由灰色、灰黃色砂巖和褐色、黃色泥巖組成,厚約270～296m。砂巖組飽和抗壓強度為39.50～70.21MPa,平均56.28MPa,軟化系數0.80。平均RQD值80%,巖石質量較好的,巖體較完整。泥巖、砂質泥巖軟化系數分別為0.40、0.52,屬軟弱類易軟化巖石,粉砂巖軟化系數為0.75。RQD值55%,巖石質量較差的,巖體較完整。下部有一層鋁土巖,厚0～4.30m,平均2.00m,稱“B層鋁土巖”,是良好的對比標志。

(3)侏羅紀淄博群三臺組

主要由微紅、褐紅色粉砂巖、泥質砂巖和泥巖組成,厚度0～100m。該組底部有一層厚度不一的砂礫巖,砂質膠結。粉砂巖飽和抗壓強度12.80～21.30MPa,平均16.02MPa。泥巖、砂質泥巖軟化系數分別為0.42、0.53,屬軟弱類易軟化巖石,RQD值<30%,巖石質量差的,巖體較完整,局部破碎。

(4)第四系

包括更新統和全新統,主要由黏性土、粉土、砂層組成。按其巖性及結構可分為上、中、下3組5段。

上組分上、下兩段。上組上段主要由灰黃色粉質黏土,夾薄層中、粗石英砂2～6層,厚46.40～62.00m,平均56.61m。上組下段主要為褐黃色中、粗砂層,夾灰黃色粉質黏土2～6層,厚38.60～65.20m,平均46.59m。

中組以灰綠色黏土及具黃、灰綠色斑狀的砂質黏土為主,局部為含黏土質砂礫層,砂質黏土層偶含砂姜及鐵、錳質結核,厚57.60～96.30m,平均80.64m。

下組分上、下兩段。下組上段主要為灰白色含黏土長石、砂層,夾灰白、桔黃色等黏性土,厚27.80～53.10m,平均39.86m。下組下段主要為灰白、褐紅等黏土層,底部普遍有含石膏黏土層,厚26.00～40.05m,平均33.09m(圖2)。

1—黏性土;2—中粗砂、砂質黏土;3—砂質泥巖互層;4—中細砂巖;5—中粗砂巖;6—泥巖;7—鋁質泥巖、粗砂巖;8—泥質砂巖;9—采空區;10—3上煤。圖2 典型工程地質剖面圖

根據采空區勘查報告(1)中煤科工集團西安研究院有限公司,濟寧任城采煤沉陷區綜合治理項目(一期)采空區詳細勘察報告,2019年。,勘察對采取的205件土樣進行物理力學性質測試,檢測土工常規試驗99件,剪切試驗60件,顆粒分析46件。對采空區上覆巖層28組(140件)巖樣進行了物理力學性質試驗,巖石常規物理力學試驗28組,巖石飽和三軸壓縮試驗6組。根據《巖土工程勘察規范》(2009年版)相關規定進行數據統計,抗剪強度采用標準值,其他指標均采用平均值進行統計,結果如表1所示。

表1 黏性土物理力學性質統計表

2.4 構造

研究區主要受五里屯斷層、八里鋪西斷層控制,斷裂構造形態。

五里屯斷層:位于項目區西部,是西降東升的正斷層,延展長度2.5km,走向NE 45°～60°,傾向NW,傾角70°～76°,落差0～18m。

八里鋪西斷層:該斷層位于項目區的東部凸出部位。斷層走向自南往北由近SN向轉為NE向,傾向W—SW,為東升西降正斷層。區內延展長度0.6km左右,傾角70°,落差0～60m(圖3)。

1—侏羅紀淄博群三臺組;2—二疊紀上石盒子群;3—岱莊向斜;4—岱莊背斜;5—八里鋪西斷層;6—剖面線;7—鉆孔及編號;8—研究區。圖3 地質構造簡圖、鉆孔及剖面位置圖

3 建設區采空區歷史與現狀

岱莊煤礦1998年開工建設,2000年1月26日投入生產,設計分2個水平開采,第一水平(-410m)主要開采3上、3下煤層,第二水平(-580m)主要開采下組煤。開采煤層為3上、3下煤層,3上煤層動用6個采區(即1300、2300、3300、4300、6300和7300采區);3下煤層動用1個采區(4300采區)。

研究區位于3上煤層7300采區上方,2013年10月12日—2014年5月16日,采用傾斜短臂開采[6],開采煤層厚度2.50～2.65m,形成2個工作面(7334、7338),工作面傾斜長度50m,煤柱寬約100m(表2),全部垮落法頂板管理,采空區整體處于不充分垮落全充水狀態,采空區頂板局部垮落,個別鉆孔存在掉鉆現象[7],采空區內部塌落不密實及含有裂隙,垮落帶殘余空隙率約14.8%,裂隙帶周邊主要裂隙空隙率0.8%[6],煤柱殘余空隙率為9%,估算采空區殘余空洞體積128103m3。查明采空區面積61750m2,煤柱受采空影響寬度為18.5m,影響面積為50935m2,累計面積為112685m2。

表2 涉及工作面開采情況一覽表

研究區位于7300采區上方,涉及7334和7338兩個開采條帶。住宅工程A1#樓、A3#樓、A4#樓地基位于采空區條帶7334之上;工程A7#樓、A8#樓、A9#樓地基位于采空區條帶7338之上(圖4)。

1—可采范圍;2—不可采范圍;3—采空區范圍;4—井田邊界;5—可采邊界;6—沉陷或沖刷范圍;7—研究區位置。圖4 研究區與采空區位置關系圖

根據采空區勘查報告(2)中煤科工集團西安研究院有限公司,濟寧任城采煤沉陷區綜合治理項目(一期)采空區詳細勘察報告,2019年。,通過地表移動變形預測參數,結合本區域地質采礦條件和煤層賦存情況,建立預測模型[8],對今后地表有可能產生的地表沉陷變形進行了預測[8]。采空區地表最大總沉降量為611.88mm,已發生沉降量為382.98mm,殘余沉降量為228.98mm。采空區地表殘余變形預測與穩定性評價結果,認為采空區地表殘余變形量不滿足甲類建筑工程建設變形要求[7],地下采空區狀態為不穩定。研究區為人口密集的高層住宅區,采空區地表變形極易造成地表建筑物墻體裂縫、沉降過大、傾斜等問題,可能造成地基失穩或墻體結構破壞,工程建設前須進行治理。

4 采空區治理與檢測

2019年4月5日—2019年12月23日,由施工單位對岱莊煤礦采空區(7334、7338)進行注漿治理。檢測與評價單位分析了采空區勘察、治理施工圖設計和施工過程質量記錄等資料,現場采取鉆探取芯、結石體強度試驗、孔內VSP地震及二維地震勘探、測井和探孔內成像等手段進行了工后質量檢測。

(1)煤層底板以上10m巖心采取率平均值93.4%,煤層底板以上10～60m巖心采取率平均值為95.2%,煤層底板以上60m至基巖面巖心采取率平均值為92.6%[6],注漿治理段的取芯率大于90%,達到規范設計要求。較于治理前,RQD和巖心采取率均有較大改善。從鉆孔中結石體樣品,測得的結石體單軸抗壓強度,平均值為11.98MPa,遠大于2MPa,滿足治理設計要求。

(2)孔內VSP地震勘探結果與未治理前相比,橫波連續,振幅和平均速度均有明顯提高,表明巖體密實度得到加強;3條二維地震勘探線的結果,相比于治理前,采空區位置的反射波連續性均得到明顯提高,表明采空區被充填,物探結果間接表明注漿治理效果良好。

(3)通過測井和孔內電視,結合鉆探驗證,采空區垮落帶注漿治理后自然伽瑪由原來的107API提高至124API,體積密度由2.29g/cm3提高至2.60g/cm3,參數提高明顯,側向電阻率由57Ω·m提升至60Ω·m,有幅提升,同時治理后斷裂帶的橫波波速為1858m/s,遠大于要求的300m/s,通過測井數據可間接反映斷裂帶范圍內注漿充填治理效果良好。再結合通過鉆孔電視對采空區附近鉆孔巖壁進行觀察統計,分析垮落帶和斷裂帶的充填治理效果,典型的垮落帶和斷裂帶充填成像圖片分析。采空區垮落帶和斷裂帶已經充填密實,巖石的密實度得到加強,殘余變形量小,殘余空隙率為3.10%,滿足空隙充填率大于90%,采空區頂板和覆巖處于穩定狀態。

5 采空區場地穩定性評價

建設工程A1#樓、A3#樓、A4#樓A7#樓、A8#樓、A9#樓地基位于岱莊煤礦7334、7338工作面采空區之上,采空區已注漿充填治理,未有殘余空洞,未來地表變形以連續變形為主,研究區位于地表移動盆地的邊緣區,地表無裂縫、塌陷等非連續變形。

根據濟寧地區礦區地表移動規律研究成果分析,地表移動變化和變形預測大致符合概率積分預測模型[9]。通過點、線、面的方式,直觀地繪制沉降變形圖。

(1)矩形工作面開采時地表任意點下沉預測

設矩形工作面的走向方向的開采長度為I,傾向方向的開采寬度的水平投影長為L[10],其走向主斷面上的下沉預測公式為:

W0(x)=W(x)-W(x-I)

(1)

走向方向為充分采動時,傾向主斷面上的下沉預測公式為:

W0(y)=W(y)-W(y-L)

(2)

地表任意點的下沉預測公式為:

(3)

式中:W0為最大下沉值[10]。

(4)

(5)

根據下沉表達式,可推導出地表點(x,y)的其他移動變形值。

(2)多工作面開采影響的預測

通過上述公式計算出單個工作面開采引起地表預測點的下沉值,根據疊加原理獲得多個工作面開采的聯合影響。

(3)任意形狀工作面開采影響的預測

將任意形狀工作面順煤層走向劃分成若干矩形工作面,用一個或多個矩形工作面代替任意形工作面[10]。

根據地表殘余變形估算結果,截至2020年12月底,采空區進行注漿充填治理后,評價區殘余下沉量2～16mm,地表殘余傾斜最大值為0.06mm/m,殘余曲率可以忽略,殘余水平移動最大值為4mm,殘余水平變形最大值為0.06mm/m(圖5、圖6)。

1—研究區范圍;2—采煤工作面;3—剩余沉降等值線/mm。圖5 沉降變形等值線圖

根據監測報告(3)濟寧環宇測繪有限公司,濟寧任城項目地表移動監測報告,2021年。,本次7334和7338工作面注漿治理于2019年12月23日結束,從2019年12月16日至2020年12月16日共進行過17次監測,時間跨度為12個月,監測點工后12個月累計沉降最大為17.2mm,最大沉降速率為0.047mm/d,平均沉降速率為0.022mm/d。

由《煤礦采空區巖土工程勘察規范》[11-12]有關規定綜合判定可知,擬建場區穩定性等級為穩定。綜合以上評價成果,工后評價區場地屬穩定的采空區場地。

6 工后采空區場地工程建設適宜性評價

6.1 采空區對建筑物的影響

根據采空區場地穩定性、建筑物重要程度和變形要求、地表變形特征及發展趨勢、地表移動變形值、采深或采深采厚比、垮落裂隙帶的密實狀態、活化影響因素,采用采空區穩定性及工程重要等級、特征判別法、活化影響因素分析法進行定性分析[12]。

(1)采空區穩定性及工程重要等級分析

研究區樓層最高為26層,地下2層。為一般建設工程,對變形要求一般,研究區后穩定。根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》進行判別[11],采空區對擬建工程的影響中等—小。

(2)采空區特征判別法

研究區采深在505～605m,采深大于200m,采厚比大于80,為深層采空區。涉及地下采區7334及7338工作面已注漿治理,采空區不存在殘余空洞,只有少量裂隙未充填,地表變形以連續變形為主,活化的可能性小,影響較小。根據研究區場地采空區上述特征,結合《煤礦采空區巖土工程勘察規范》可知[11],本場區采空區對工程建設影響小。

(3)活化影響因素分析法

采空區終采距今已有9年,地下水位已經相對穩定,部分又經過注漿充填,地下水對覆巖及煤柱的軟化、侵蝕作用大大減弱,水文地質條件變化引起采空區活化的可能性小。擬建住宅樓,地面震動小,影響深度有限,引發采空區活化的可能性小;采空區為條帶開采,煤柱較為穩定,且采空區已經過多年的沉降壓實,地震時不會引起上覆巖層大面積下沉。從地下水、地面及地下震動等因素引起采空區活化的可能性小,對研究區工程建設影響小。

6.2 建設工程對采空區的影響程度分析

工程建成后,產生的附加荷載對采空區下方的塌落破碎巖體地基會產生一定的影響。采空區形成后,周圍巖體逐漸形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。穩定后的垮落帶處于應力狀態相對平衡。住宅樓建成后,建筑物附加荷載作用下,可能打破其應力平衡狀態,引起破碎巖體的二次移動(“活化”),引起建筑物地基下沉或沉降變形[12]。建筑物荷載影響深度與垮落斷裂帶頂界面之間大于等于某一距離時(一般取附加應力小于土層自重應力的10%時),其垮落斷裂帶的穩定性不受影響[12]。當建筑物荷載影響深度位于垮落帶范圍內時,垮落斷裂帶應力狀態受到改變,降低穩定性,引起建筑物傾斜或沉降過大(圖7)[12-15]。

a—建筑荷載影響深度與冒落裂縫帶頂板存在一定距離,為穩定狀態;b—建筑荷載影響深度與冒落裂縫帶頂板接觸時,為臨界穩定狀態;c—建筑荷載影響深度進入冒落裂縫帶頂板時,為不穩定狀態。圖7 垮落斷裂帶與建筑物荷載影響深度相對位置

(1)確定垮落斷裂帶深度

本次研究依據理論計算、數值模擬、現場實測(孔內電視、鉆進速度等指標)及項目調研(表3、表4),最終確定“三帶”發育高度?？迓鋷Ц叨葹?.00～8.65m,平均8.33m,為采厚的2.86～3.42倍,平均3.00倍。斷裂帶高度為33.32～59.06m,平均50.84m,為采厚的11.92～21.09倍,平均18.16倍。

表3 采空區裂縫帶發育高度表

表4 采空區垮落帶發育高度表

(2)確定附加應力影響深度

建筑物的附加荷載引起地基土中應力狀態改變,造成地基變形過大,基礎沉降不均。建筑物荷載的影響深度隨建筑荷載的增加而增大[13-22]。地基下方存在不穩定地質因素如采空區垮落、巖溶、土洞,附加荷載向下傳導至某一深度,其大小為上覆巖土層自重應力的10%位置時[21],其附加應力對該深度以下的地基變形影響可以忽略不計[13-23]。

建筑物附加應力影響深度與建筑物的基礎寬度、型式、上部結構、基礎埋深、荷載及下伏地層厚度等有關[12]。

建筑物地基中的自重應力根據下公式計算[24]

(6)

式中:σc—自重應力(kPa);γi—第i層土的重度(kN/m3),本次計算按土層平均重度按19.5kN/m3,巖層平均重度按24.0kN/m3;n及hi—層數及第i層土的厚度(m),本次計算土層厚度取260m;矩形基礎中心點下的豎向附加應力可采用下式計算:

σz=αP0

(7)

式中:σz—矩形基礎中點下豎向附加應力(kPa);P0—附加荷載(kPa);α—附加應力系數,是L/B、z/B的函數,L為基礎的長邊,Z為地基下某一深度,B為基礎的短邊。

住宅樓寬18～20m,地上26層,地下2層,按單層荷載18kPa計算,建筑物最大荷載為504kPa,基礎形式為樁基礎。以采空區上方的A4#住宅樓為例,長46.0m,寬20.0m,地下2層,基礎埋深5.0m。土體在地下水水位以下取浮重度為9.7kN/m3,地下水位埋深為11.0m,估算建筑物荷載影響深度如表5所示。

表5 采用樁基礎建筑物荷載影響深度估算表

根據上述假定條件分析,最高26層住宅地基附加應力最大影響深度為地面下65.0m。根據附加應力分析法,建(構)筑物荷載和附加應力影響深度很小,遠達不到采空區垮落斷裂帶的位置。根據表6,擬建工程對采空區穩定性的影響小[12]。

表6 根據附加應力影響深度定量評價工程建設對采空區穩定性影響程度的評價標準

通過以上兩個方面分析的結果,采空區注漿治理后地表穩定,工后采空區場地適宜研究區的工程建設。

7 結論

本文采用概率分析法對采空區治理后地面沉降進行預測地表殘余變形,采用采空區穩定性及工程重要等級、特征判別法、活化影響因素分析法及附加應力法,對研究區適宜性定性和定量進行評價。通過分析論證,確定研究區場地穩定適宜工程建設。由于地質條件的復雜性和影響因素不確定性,建議按照規范建立地表變形監測點,長期監測建筑物沉降及地表變形。