探究采空區(qū)大型工業(yè)建筑關(guān)鍵理論與應(yīng)用

鄧凌

【摘要】本文結(jié)合某煤礦企業(yè)實際案例，重點針對采空區(qū)大型工業(yè)建筑的關(guān)鍵理論與應(yīng)用問題展開分析與探討，采取多種技術(shù)手段，對采空區(qū)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行了客觀分析與評價，為工業(yè)建筑的建設(shè)提供了一定的意見與建議，望引起重視。

【關(guān)鍵詞】采空區(qū)；工業(yè)建筑；結(jié)構(gòu)；評價

所謂采空區(qū)是指地下固體礦床開采后所留下的空間區(qū)域，我國各個行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展中對于煤炭能源的需求是非常巨大的。在多年高速度的開發(fā)作用之下，形成了大量的采空區(qū)。礦區(qū)開采造成地表塌陷面積越來越大，為少占或不占耕地，許多礦區(qū)正在或準(zhǔn)備在采空區(qū)地表新建建（構(gòu)）筑物，由于采空區(qū)的特殊性，在采空區(qū)地表新建建（構(gòu)）筑物應(yīng)進(jìn)行地基穩(wěn)定性評價，防患于未然。在采空區(qū)上進(jìn)行大型工業(yè)建筑建設(shè)作業(yè)時，必須通過對采空區(qū)破壞規(guī)律以及地表變化情況的深入分析，研究新建建筑的可行性，研究相應(yīng)的加固處理方案。本文即圍繞這一問題展開分析與探討。

1、工程實例分析

以某煤礦企業(yè)工業(yè)建筑實例作為本次研究對象，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）礦井所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組A.0.10-3（第一組）。本案例場地地勢平坦，地貌單元屬平原。場內(nèi)地質(zhì)條件較好，自然地表下30m以內(nèi)的地層層位沉積年代較近，土結(jié)構(gòu)性較強，土質(zhì)較密實，壓縮性低，強度高。本場地地基土主要由粘性土、粉土、砂土等組成。前期資料顯示，本場區(qū)及附近未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、活動性斷裂等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地形平坦，地基土為中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類，為抗震有利地段，適宜工程建設(shè)。廠區(qū)內(nèi)工業(yè)建筑總體積為588930.0m3，主要工業(yè)建筑及構(gòu)筑物構(gòu)成情況為：

1）提升系統(tǒng)：主井承擔(dān)原煤、矸石提升任務(wù)，根據(jù)提升系統(tǒng)要求，采用雙提升系統(tǒng)，天輪中心高度為63.8m，采用薄壁箱形鋼井架，基礎(chǔ)為錐形混凝土獨立基礎(chǔ)。副井承擔(dān)部分提矸、下料、提升人員等任務(wù)。根據(jù)提升系統(tǒng)要求，天輪中心高度為40.5m，采用薄壁箱形鋼井架，基礎(chǔ)為錐形混凝土獨立基礎(chǔ)。

2）輸變電系統(tǒng)：110kv變電所采用框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。

3）供熱系統(tǒng)：鍋爐房采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為獨立基礎(chǔ)；煙囪為鋼筋混凝土煙囪，高度為45m。

4）通風(fēng)及壓風(fēng)系統(tǒng)：通風(fēng)、壓風(fēng)機房及瓦斯抽采泵站均采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為獨立基礎(chǔ)。

2、采空區(qū)勘察分析

目前，對采空的探測，國內(nèi)外主要是以采礦情況調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。其中，美國等西方發(fā)達(dá)國家以物探方式為主，而我國目前以鉆探為主，物探為輔。區(qū)在采空區(qū)基礎(chǔ)之上新建工業(yè)建筑，勘察的重點在于評估采空區(qū)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性以及工業(yè)建筑建設(shè)施工的適應(yīng)性。穩(wěn)定性分析方法包括預(yù)計法、解析法、半預(yù)測半解析法及數(shù)值模擬方法，主要通過計算地基承載力、剩余地表變形量及殘留空洞的穩(wěn)定性、地表破壞范圍等來進(jìn)行評價。

本案例中，除了針對正常的工程地質(zhì)詳細(xì)勘察內(nèi)容以外，還參照巖土工程勘察規(guī)范中的相關(guān)要求，針對廠區(qū)建設(shè)區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)基礎(chǔ)資料進(jìn)行了收集整理，共涉及到120個鉆孔檢查項目，其中100個為一般性鉆孔，20個為采空區(qū)鉆孔，以上鉆孔均跨過采空區(qū)并進(jìn)入底板內(nèi)。為了更加明確采空區(qū)冒落問題的空間分布情況，同時對其滲透性以及冒落程度進(jìn)行科學(xué)合理的評估，需要進(jìn)一步通過進(jìn)行彈性波CT層析成像測試的方式，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而總結(jié)歸納有關(guān)采空區(qū)的一般特征情況。在此基礎(chǔ)之上，有以下幾個方面的問題需要引起高度關(guān)注與重視：

2.1 地表變形

通過對本采空區(qū)相關(guān)資料的收集整理，可以了解建筑施工區(qū)域內(nèi)的地層構(gòu)成情況，同時得到有關(guān)礦層分布，構(gòu)建層數(shù)，以及埋藏特征在內(nèi)的相關(guān)信息。由于本案例中采空區(qū)是在不同時期的開采條件下所形成的，因此總結(jié)各方資料認(rèn)為：本區(qū)域內(nèi)的煤層開采厚度在1.5～4.0m左右，煤層上覆基巖層依次為頁巖，泥巖，砂巖，以及碳質(zhì)頁巖，場地上覆基巖為單斜構(gòu)造呈平緩褶曲。

2.2 采空區(qū)鉆探

通過對本采空區(qū)內(nèi)鉆探資料的分析認(rèn)為：由于在采空后，巖層出現(xiàn)明顯的變形問題，因此導(dǎo)致上覆巖層出現(xiàn)一定的裂縫，鉆探期間存在一定的縮頸以及掉塊問題。并且，部分采空區(qū)鉆孔出現(xiàn)了間隔性不反水的問題，該特征顯示裂縫與破碎帶存在一定程度上的連通局限性問題。鉆探數(shù)據(jù)另一方面還能夠反映采空區(qū)塌落堆積以及空化情況的具體表現(xiàn)，根據(jù)底板巖芯資料認(rèn)為：本案例中，采空區(qū)底板的巖層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，且完整性好，巖石結(jié)構(gòu)有輕微風(fēng)化現(xiàn)象，最長巖芯達(dá)到1.2m，證實底板巖層的完整性佳。

2.3 彈性波CT層析成像

本案例中觀察數(shù)據(jù)顯示：即采空醫(yī)頂板巖層中均m現(xiàn)了大小不一的低速區(qū)，這表明頂板巖層塌落形成的冒落帶、巖石破碎帶或裂縫發(fā)育帶。但同時，由于上覆巖石結(jié)構(gòu)的波速數(shù)值較高，因此提示巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。以91#～87#鉆孔為例，跨孔CT成像如下圖1所示。

圖1：91#～87#鉆孔跨孔CT成像示意圖

3、采空區(qū)評價與建議

綜合以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果認(rèn)為：對于本文所例舉的工程案例而言，本采空區(qū)當(dāng)前處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)下。但在新建建筑物的影響下，可能會導(dǎo)致下覆巖層結(jié)構(gòu)受到較大的附加荷載作用力影響，巖體應(yīng)力也會產(chǎn)生較大的改變。考慮到采空區(qū)內(nèi)的埋藏深度較淺，冒落帶有松散堆積的問題，加載后可能造成地表變形的問題，因此必須在建筑物新建前對采空區(qū)的影響問題進(jìn)行處理。

目前，建（構(gòu)）筑物行下采空區(qū)的處理措施主要有以下兩類：

⑴地面構(gòu)筑物抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計措施，采用柔性設(shè)計原則、剛性設(shè)計原則或綜合措施，以吸收和抵抗變形。

⑵采空區(qū)地基與基礎(chǔ)處理措施，預(yù)防和控制地表殘余變形的發(fā)生。此類措施可細(xì)分如下4種方法：

①全部充填采空區(qū)支撐覆巖，以徹底消除地基沉陷隱患，采用注漿填充、水力充填和風(fēng)力充填等，其中以注漿法應(yīng)用最廣泛、效果最好。

②局部支撐覆巖或地面構(gòu)筑物，減小采空區(qū)空間跨度以防止頂板的垮落，常用的方法有注漿柱、井下砌墩柱和大直徑鉆孔樁柱或直徑采用樁基法等。

③注漿加固和強化采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)，充填采動覆巖斷裂帶和彎曲帶巖土體離層裂縫，使之形式一個剛度大、整體性好的巖板結(jié)構(gòu)，有效抵抗老采空區(qū)塌陷的向上發(fā)展，使地表只產(chǎn)生相對均衡的沉陷，以保證地表構(gòu)筑物的安全。

④采取措施釋放老采空區(qū)的沉降潛力法。在采空區(qū)地表未利用前，采取強制措施加速老采空區(qū)活化和覆巖沉陷過程，消除對地表安全有效大危險的地下空洞。

結(jié)束語

結(jié)合已有的實踐工作經(jīng)驗來看，在采空區(qū)上新建工業(yè)建筑是一個全新的課題，本課題最大的難度在于：采空區(qū)上既有建筑物的荷載水平較大，同時受到動載以及靜載作用力的影響，工程對沉降有非常敏感的要求，地質(zhì)條件相對比較復(fù)雜，采空區(qū)頂板覆巖屬于風(fēng)化軟巖，構(gòu)造與性狀眾多。為了確保新建建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時確保其結(jié)構(gòu)耐久性以及使用壽命能夠滿足設(shè)計要求，就需要在工業(yè)建筑的建設(shè)前，采取各種技術(shù)手段與方法，針對采空區(qū)的地質(zhì)、地形情況進(jìn)行綜合分析，以做出對采空區(qū)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的真實性評價，為后續(xù)工作提供指導(dǎo)。