基于极限残余变形的济宁城市规划区老采空区建设利用适宜性评估

张 丰， 李 亮，张 岩， 谭秀全，李爱军

(1. 山东省鲁南地质工程勘查院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 济宁 272100； 2. 中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221000；3. 自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东 济宁 272100)

随着国民经济的快速发展和城镇化进程的加速，城市扩张的用地需求不断增加，而煤炭资源型城市大片塌陷区的建设利用开发成为解决当地用地矛盾的一个重要途径[1-4]。针对老采空区地基稳定性评价及建设利用问题，国内外专家学者做过很多深入的研究，薛丹丹等应用数值模拟软件，对黄土高原采空区上方的窑洞建筑稳定性进行计算，研究窑洞建筑受不同采动参数影响时沉降的变化规律[4]；康彦将FLAC软件的模拟结果与实测结果进行对比分析，便于采空区上方的土地资源得到高效利用[5]；蔡俊林应用概率积分法对林场建设新址的地表沉陷进行准确预测，分析林场新址地基的稳定性[6]；朱德福等计算煤层房式采空区中煤柱稳定性，结合房式采空区煤柱群数值模拟结果，评价了煤矿房式采空区煤柱群稳定性[7]；杨定明等从采空区三带模型出发，对采空区地表变形机理及基本规律进行研究[8]；董宪久基于功效系数法原理，采用三标度改进层次分析法确定各评价指标的权重系数，建立了采空区稳定性评判分级新模型[9]。

上述研究成果充分探讨了采空区稳定性的控制因素，分析了各种因素影响下采空区的变形过程，确定了采空区剩余变形量的计算方法，针对性地提出了适宜的采空区治理措施及地面建筑物抗变形措施，并成功指导了工程实践，促进了行业的技术进步。

但是，上述研究成果大多是针对某一具体工程项目开展具体分析的，济宁市城市规划区拟建范围950 km2，截至2018年12 月，城市规划区内涉及19 个煤矿共计1 958 个工作面，工作面水平投影总面积92.47 km2，采空区埋深170 m～1 200 m，开采煤层厚度0.8 m～10.2 m，开采方法有综采、条采、充填开采等多种工艺。采用已有研究方法分析每个工作面对地表建设利用的稳定性及适宜性评价可行性差，因此，本文探讨一种适用于济宁市城市规划区的大范围老采空区稳定性评价及建设利用适宜性评价方法。

1 研究区域基本情况

2016年山东省人民政府批准的《济宁市城市总体规划(2014-2030年)》确定的济宁中心城市区范围面积约为950 km2，包括任城区、兖州区，邹城市、曲阜市、嘉祥县的街道和部分乡镇，城市规划区用地发展方向为东融、西拓、南兴、北延、中优。东中西五区协同一体发展、南北新老城打造品质生活。

城市规划区内煤矿众多，据调查城市规划区涉及煤矿采矿权23 个。兖州煤田的开采历史要早于济宁煤田和宁阳～汶上煤田，兖州煤田兴隆庄煤矿为最早投产煤矿，投产时间为1981 年。济宁煤田安居煤矿为最晚投产煤矿，投产时间为2015 年。城市规划区与煤矿矿区重叠面积约559.36 km2，占城市规划区总面积的51.9%。城市规划区与矿井的对照情况如图1所示。根据城市发展规划，拟在各矿的老采空区上方进行各种不同类型建筑物的建设，需要评估采空区的稳定情况和建设利用适宜性。

图1 研究区域煤矿分布情况

2 老采空区极限残余变形计算

2.1 极限残余变形计算原理

已有研究成果表明，老采空区上方地表的残余变形分为自然状态下的缓慢蠕变变形和外界因素影响下的突然失稳变形。缓慢蠕变变形时，地表沉陷可在确定适宜的残余变形系数后采用概率积分法进行计算；突然失稳变形时，可将地层空间转化为等价采厚后采用概率积分法进行计算。

因此，无论是缓慢蠕变变形还是突然失稳变形，均是地下空间向地表的释放，释放的过程均可以采用概率积分法进行计算，不同点在于释放的速率不同和总释放空间量的不同。

极限残余变形理论假定采出的煤炭资源体积和浅部土层失水固结体积，除去永久不可释放的部分外，最终会全部释放到地表。即煤炭资源采出体积可简化为三部分：已沉陷空间、永远不可释放空间和可释放空间三部分，如图2所示。

图2 采出空间分布

极限残余变形计算时，假定可释放的残余变形空间全部释放到地表，不再考虑释放时间因素，按最终结果评估采空区地基稳定性和建筑利用适宜性。

2.2 采出空间的确定

无论对于何种规模的开采区域和任意开采方法，采出空间最为简便的方法是利用该生产区域统计结果中显示的采煤量除以该区域的煤炭容重得到，也可以根据实际生产中的采场布置、开采厚度和采出率等参数算出。

2.3 已沉陷空间的确定

在进行地表已沉陷空间计算时，主要有两类方法可采用：第一类利用研究区域沉陷前后地形数据求差获取；第二类根据矿区开采沉陷观测资料求取。

(1)基于地形数据的地表已沉陷空间计算

基于地形数据进行地表沉陷空间计算时，核心问题是获得研究区域开采沉陷前后的高程信息。在获取的高程信息基础上，分别建立研究区域沉陷前后的DEM，然后进行DEM求差即可获取沉陷体积。

开采沉陷前的高程数据通常可以根据研究区域存档的原始大比例尺地形图获得，而沉陷后的高程数据则可以通过实地测量的方法获取。

(2)基于开采沉陷数据的地表已沉陷空间计算

济宁城市规划区各矿井积累了大量的实测地表观测站数据，根据已有的观测数据可以建立起适应于对应矿区的开采沉陷计算模型。根据开采沉陷计算模型和实测的参数，则可以计算出开采引起的地表沉陷体积。

2.4 不可释放空间的计算

由于采空区上方岩层的碎胀作用及各种力学支撑结构的存在，总有一部分采出空间将永久存在于岩层结构中，这部分不可释放空间以破碎岩体的残余碎胀空间为主。在进行残余碎胀空间计算时，涉及到两方面的内容，一方面为破碎岩石体积的确定，另一方面为残余碎胀系数的确定。

(1)破碎岩石体积的确定

采空区上方的岩层中，其破碎程度从下到上逐渐减小，其中垮落带中的岩石破碎严重，层位错乱，断裂带中岩石呈块段状破裂，层位不发生明显变化，而弯曲带中岩石破裂形态不明显，因此在进行破碎岩体碎胀计算时，可只考虑破碎严重的垮落带内岩体，对块段状破裂的断裂带和破裂不明显的弯曲带不予考虑。

在垮落带高度确定的基础上，根据采场布置情况则可以计算出研究区域的破碎岩体体积。

(2)残余碎胀系数的计算

岩石的碎胀系数与岩石的粒径、岩性和围岩压力等密切相关，通过大量的统计分析[10]，部分岩石的残余碎胀系数如表1所示。

表1 岩石的残余碎胀系数

在确定了破碎岩体的体积和残余碎胀系数后，岩石残余碎胀所占用空间可采用破碎岩体体积与残余碎胀系数中的小数部分相乘进行计算。

2.5 济宁城市规划区极限残余变形计算

在进行济宁城市规划区极限残余变形计算时，根据采空区类型，分别确定各采空区的可释放空间。

(1)长壁采空区：根据区域实测资料确定垮落断裂带高度，然后利用上述方法计算得出采空区上覆岩层中的可释放空间；

(2)条带开采区域：假定极端情况下，条带煤柱的长期稳定性无法保持，条带煤柱碎落到周边采空区，然后利用上述方法计算得出采空区上覆岩层中的可释放空间；

(3)充填开采区域：根据充填材料的性质将充填体的可压缩量和充填时的悬顶距合并为等价采厚，然后利用上述方法计算得出采空区上覆岩层中的可释放空间。

大量的实测资料表明，老采空区上方的地表残余变形仍符合概率积分法规律。因此，依据上述方法确定出各工作面区域的极限剩余可释放空间，利用各矿井实测的概率积分法参数，可计算得到济宁城市规划区老采空区的残余下沉,如图3所示。变形情况不再一一列出。

图3 济宁城市规划区老采空区残余下沉等值线图

3 济宁城市规划区老采空区稳定性评价

《煤矿采空区岩土工程勘察规范》中规定，采空区稳定性评价需综合分析采空区类型、开采条件、终采时间、地表移动变形特征、顶板岩性及覆盖土层厚度等评价因子，采用开采条件判别法对采空区稳定性进行评价。

综合分析上述因素可知，采空区稳定性评价的核心在于确定评估区域后续仍会产生多少剩余变形量。因此，以第三部分确定的老采空区残余变形为主，综合利用上述评价因子，对济宁城市规划区老采空区稳定性进行评价。评价时，只有各因子均满足稳定性条件，采空区综合评价结果为稳定；只要有一个因子达到不稳定，则该区域评价结果为不稳定；其余区域评价结果为基本稳定。综合评价结果如图4所示。

图4 济宁城市规划区老采空区稳定性评价结果

4 济宁城市规划区老采空区建设利用适宜性评价

《煤矿采空区岩土工程勘察规范》规定，根据采空区场地稳定性、地表变形特征及发展趋势、地表移动变形值、采深或采深采厚比、垮落裂隙带的密实状态、活化影响因素，采用工程类比法、采空区特征判别法、活化影响因素分析法、地表剩余变形判别法等方法，开展适宜性评价工作。

评价的核心因素在于评估区域后续产生的变形量对拟建建筑物的影响，大部分指标与采空区稳定性评价指标重合。但是，济宁市城市规划区部分区域为高潜水位区域，采煤塌陷区会出现大面积的积水，在积水区内进行工程建设是不切合实际的。因此，根据现场实地调查结果，确定评价区域的积水区，将积水区划定为工程建设利用适宜性差的区域。

在确定积水区时，根据收集到的区域多年水文地质资料，选用近些年最高水位2010年丰水期水位为准，确定出各矿范围内对应的积水区下沉量，如表2所示。当沉陷值超过该下沉量时，则判定该区域为积水区，工程建设利用适宜性差。

表2 济宁城市规划区各矿积水时下沉量

综合利用上述各指标对济宁市城市规划区采空区工程建设适宜性进行评价。评价时遵循如下原则：(1)有一个及一个以上因子评价结果为“适宜性差”，则该区域评价结果为“适宜性差”；(2)所有因子评价结果均为“适宜”，则该区域评价结果为“适宜”；(3)除上述两种情况外，其余区域评价结果为“基本适宜”。综合评价结果如图5所示。

图5 济宁城市规划区老采空区建设利用适宜性评价结果

5 结 论

通过对济宁城市规划区大范围老采空区建设利用适宜性评价问题开展研究，得到如下主要结论：

(1)针对现有的采空区残余变形计算方法进行大范围评价难度较大的问题，提出了一种采空区极限残余变形计算方法，并分别给出了长壁采空区、条带采空区和充填采空区计算原则。

(2)在极限残余变形计算的基础上，利用采空区稳定性评价各因子综合评价了济宁城市规划区老采空区的地基稳定性。

(3)基于区域水文资料，确定了各矿井的积水沉陷深度，并综合其它因素进行了济宁城市规划区采空区建设利用适宜性评价。