徐明宇
广东省佛山地质局 广东佛山 528000
摘要：佛山某石膏矿自上世纪八十年代起至2005年止，因多年矿产开采形成了多个大面积、深埋深、无规则的地下采空区。虽石膏矿已停采多年，但受地下水侵蚀作用影响，采空区保安矿柱与顶部岩层易发生冒落、垮塌等，会引发采空区地面塌陷、地面沉降等地质环境问题，对周边居民、建筑物等产生威胁。本文在全面收集地质资料和矿山开发利用、采掘等资料的基础上，计算采空塌陷地表剩余变形量，评价采空区对附近地表在建建筑物的稳定性影响，结合在建建筑物工程特点提出防范监测措施。
关键词：采空区 采空塌陷 地表剩余变形量 工程建设适宜性
引言
佛山某石膏矿自2005年闭坑后已发生多次采空地面塌陷，已造成部分农田受损，近年来有加剧，发灾频率骤升的迹象。某小区坐落位置紧邻该闭坑石膏矿，采空区与小区平面距离最近约130m，该小区拟建53栋建筑物，工程建设可能会诱发、加剧采空地面塌陷。本文在全面收集地质资料和矿山开发利用、采掘等资料的基础上，计算新建小区西侧石膏矿采空区地表剩余变形量，评价小区场地稳定性与工程建设的适宜性，为采空区地面塌陷隐患监测与治理工作打下基础。
1. 研究区概况
佛山某石膏矿矿区面积约2.601km2，矿床为内陆湖相沉积的硬石膏后经水化作用的矿床。根矿区资料，石膏矿主要赋存在莘庄村组第三段下部的黑色钙质泥岩及第三段下部的黑色钙质泥岩中。矿山的开拓模式：开采方法为走向长壁全面法。开采方式为地下开采。矿山基建于87年6月峻工验收，正式投产，根据矿山采矿资料，开采后形成2个采空区（图1），石膏层的单层厚度在0.1～16cm之间，多数为0.5～9cm，平均开采高度约2.3m。开采的膏层埋藏标高-85～-165m不等，由浅至深。2005年8月，佛山市政府从安全生产角度考虑，强行关闭该矿山。
石膏矿东侧的拟建小区总用地面积约0.358km2，采空区与小区平面距离最近约130m，小区拟建53栋建筑物，分为4层、7层、21层、24层、25层、26层和30层7种类型，设有地下室，需开挖基坑，基坑开挖深度为5.1m。
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图1 石膏矿采掘平面图及其与拟建小区场地的位置关系图
1-采空区范围；2-采掘巷道；3-通风巷道；4-竖井；5-斜井；6-拟建小区用地红线范围
2. 采空区空间几何形态
通过资料收集，采用物探勘探与钻探验证相结合手段，查明了拟建小区场地西侧采空区空间分布特征。
2.1 主采空区特征
主采空区位于拟建小区西侧，距离建设场地最近约500m。膏层采空区形成时间为1984～2003年，开采的膏层埋藏标高-85～-165m，形成了8层开采区，从西到东、由浅到深分别为：①-85～-103m开采区；②-100～-124m开采区；③-103～-124m开采区；④-124～-137m开采区；⑤-124～-145m开采区；⑥-137～-152m开采区；⑦-152m～-155m开采区；⑧-152m～-165m开采区（图1）。
2.2 副采空区特征
副采空区位于佛山市三水区河口镇莘庄村北侧，建设场地西侧约130m处。副采空区及周边主要建有膏层采空区以及运输巷道、回风巷道。采空区沿膏层走向方向开拓两条水平运输巷道，标高分别为-152m、-155m，两者水平距离相距40m，开采高度为2～3m，开采面积约6800m2。
3. 采空区地表移动和变形预测
地表剩余移动变形值通过石膏矿开采条件下引起的地表移动变形预计值扣除已发生的地表移动变形值确定。已发生的地表移动变形值宜按现状地形与原始地形的差值确定，也可在地表移动变形过程曲线中引入下沉折减系数或时间因子，并应计算开采时段对应的下沉率及相应的地表移动剩余变形值。本场地最适用的方法为概率积分法。概率积分法是以正态分布函数为影响函数，用积分式表示下沉盆地的方法。概率积分法可用于地表移动变形连续分布时的地表移动和变形预测，应包括缓倾斜、倾斜矿层开采地表移动盆地主断面和任意点的移动与变形计算。对于多石膏层、多计算面开采，概率积分法计算可采用叠加原理计算。计算块段按实际开采计算面划分，也可将邻近的计算面合并计算。
3.1 计算参数选取
应用概率积分法进行地表移动变形预计时，主要涉及4个基本概率积分参数：下沉系数、主要影响半径（或用影响半径求得的主要影响角正切tanβ），水平移动系数和最大下沉角，以及常规采空区计算参数。各计算面的特征及参数见表1。
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3.2地表残余沉陷变形预测
3.2.1副采空区
根据①号和②号采空计算面地表移动变形值计算可知，副采空区地表附近一带均受到了采空区残余沉陷变形的影响，副采空区可能产生的残余下沉值为10～893.99mm，最大下沉区域位于副采空区西侧一带，即①号和②号采空计算面重叠处，最大倾斜变形值为13.99mm/m，地表最大水平移动值为262.44mm，地表最大水平变形值为10.09mm/m，地表最大曲率值为0.48。
下沉区平面形态近似一圆形，面积35294m2，沉降影响半径约98m。通过概率积分法计算的下沉区边界（10mm下沉量等值线）与拟建小区场地红线最近距离约130m（图2）。
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图2 预测地表下沉等值线图
1-下沉等值线及数值，单位（mm）；2-影响区；3-斜井；4-竖井；5-小区用地红线范围；6-采掘巷道；7-通风巷道
3.2.2主采空区
根据③至⑧号采空计算面地表移动变形值计算可知，主采空区可能产生的残余下沉值为10～1163.73mm，最大下沉区域位于主采区东北侧膏层开采区一带，该区域存在多组采空计算面重叠现象，最大倾斜变形值为16.68mm/m，地表最大水平移动值为393.68mm，地表最大水平变形值为11.71mm/m，地表最大曲率值为2.40。
⑤至⑧号采空计算面下沉区面积约41.5万m2，沉降区（10mm下沉量等值线）离拟建小区场地红线最近距离约510m，距离副采空区最近距离约260m（图2）。
4. 拟建小区场地地基稳定性和场地适宜性评价
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》地表移动变形判别法适用于顶板垮落充分、规则开采的采空区场地的稳定性定量评价。地表移动变形值宜以场地实际监测结果和现场核实与验证后的地表预测法计算结果作为判别依据。地表移动变形评估以地面沉降速度和地表剩余移动变形值为主要指标，并结合其他参数进行综合判别。各采空区稳定性评价结果见表2。
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根据上述判断标准，勘查区副采空区与主采空区可能遭受采空塌陷地质灾害可能性大，稳定性评价为不稳定；拟建小区场地内的井巷采空区可能遭受采空地质灾害可能性相对较小，稳定性评价为稳定。拟建小区场地建（构）筑物均受到了一定残余沉陷变形的影响，总体较轻微，计算可能产生的残余下沉值小于77.20mm，最大倾斜变形值为2.23mm/m，地表最大水平移动值为39.52mm，地表最大水平变形值为1.92mm/m，地表最大曲率值为0.18。综合判断拟建小区场地地基稳定性为基本稳定。
综上，结合稳定性评价，将整个场地工程建设适宜性评价为基本适宜（表3）。
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5. 采空区地质灾害防范及监测措施建议
为作好采空地质灾害防范及监测工作，实行“以防为主、防治结合”的原则方针，结合了拟建小区工程建设的特点，布置相应的防范监测措施。这样既保证防范监测措施的系统性，又体现防范监测措施的针对性，有利于提高防治效能。各分区防范监测措施分述如下：
地面变形监测：①在副采空区与拟建建筑物之间布置水准仪、沉降仪、应力计等专业仪器监测点，监测频率为2次/月；②地质雷达定期扫描监测通风斜井，全区覆盖开展InSAR监测。
地下水动态监测：建立片区地下水动态监测网，且地下水动态监测应与降雨量监测相配套。地下水监测的层位应包括松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。
6. 结论
鉴于目前国内暂无石膏矿采空区勘查规范，本文主要参照《采空区勘查规范》（征求意见稿）、《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014）和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（2017年），并结合采矿条件以及勘查区实际情况，查明拟建小区场地及周边地质环境条件、地质灾害现状以及场地西侧副采空区、主采空区的空间分布特征，并在此基础上分析场地西侧副采空区、主采空区的稳定性，评价了场地适宜性，最后评价其对拟建小区楼盘的稳定影响和提出防范监测措施，为当地政府后期防灾减灾提供了地质依据。
参考文献：
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