探究采空區大型工業建筑關鍵理論與應用

鄧凌

【摘要】本文結合某煤礦企業實際案例，重點針對采空區大型工業建筑的關鍵理論與應用問題展開分析與探討，采取多種技術手段，對采空區的結構現狀進行了客觀分析與評價，為工業建筑的建設提供了一定的意見與建議，望引起重視。

【關鍵詞】采空區；工業建筑；結構；評價

所謂采空區是指地下固體礦床開采后所留下的空間區域，我國各個行業領域的發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作用之下，形成了大量的采空區。礦區開采造成地表塌陷面積越來越大，為少占或不占耕地，許多礦區正在或準備在采空區地表新建建（構）筑物，由于采空區的特殊性，在采空區地表新建建（構）筑物應進行地基穩定性評價，防患于未然。在采空區上進行大型工業建筑建設作業時，必須通過對采空區破壞規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

以某煤礦企業工業建筑實例作為本次研究對象，根據國家標準《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）礦井所在地區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組A.0.10-3（第一組）。本案例場地地勢平坦，地貌單元屬平原。場內地質條件較好，自然地表下30m以內的地層層位沉積年代較近，土結構性較強，土質較密實，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，本場區及附近未發現滑坡、泥石流、活動性斷裂等不良地質現象，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。廠區內工業建筑總體積為588930.0m3，主要工業建筑及構筑物構成情況為：

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

2）輸變電系統：110kv變電所采用框架結構，鋼筋混凝土獨立基礎。

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

4）通風及壓風系統：通風、壓風機房及瓦斯抽采泵站均采用框架結構，基礎為獨立基礎。

2、采空區勘察分析

目前，對采空的探測，國內外主要是以采礦情況調查、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，美國等西方發達國家以物探方式為主，而我國目前以鉆探為主，物探為輔。區在采空區基礎之上新建工業建筑，勘察的重點在于評估采空區基礎的穩定性以及工業建筑建設施工的適應性。穩定性分析方法包括預計法、解析法、半預測半解析法及數值模擬方法，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定性、地表破壞范圍等來進行評價。

本案例中，除了針對正常的工程地質詳細勘察內容以外，還參照巖土工程勘察規范中的相關要求，針對廠區建設區域內的采空區基礎資料進行了收集整理，共涉及到120個鉆孔檢查項目，其中100個為一般性鉆孔，20個為采空區鉆孔，以上鉆孔均跨過采空區并進入底板內。為了更加明確采空區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行科學合理的評估，需要進一步通過進行彈性波CT層析成像測試的方式，得到相應的數據，從而總結歸納有關采空區的一般特征情況。在此基礎之上，有以下幾個方面的問題需要引起高度關注與重視：

2.1 地表變形

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

2.2 采空區鉆探

通過對本采空區內鉆探資料的分析認為：由于在采空后，巖層出現明顯的變形問題，因此導致上覆巖層出現一定的裂縫，鉆探期間存在一定的縮頸以及掉塊問題。并且，部分采空區鉆孔出現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。鉆探數據另一方面還能夠反映采空區塌落堆積以及空化情況的具體表現，根據底板巖芯資料認為：本案例中，采空區底板的巖層結構比較穩定，且完整性好，巖石結構有輕微風化現象，最長巖芯達到1.2m，證實底板巖層的完整性佳。

2.3 彈性波CT層析成像

本案例中觀察數據顯示：即采空醫頂板巖層中均m現了大小不一的低速區，這表明頂板巖層塌落形成的冒落帶、巖石破碎帶或裂縫發育帶。但同時，由于上覆巖石結構的波速數值較高，因此提示巖層結構穩定性好。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、采空區評價與建議

綜合以上數據分析結果認為：對于本文所例舉的工程案例而言，本采空區當前處于臨界穩定狀態下。但在新建建筑物的影響下，可能會導致下覆巖層結構受到較大的附加荷載作用力影響，巖體應力也會產生較大的改變。考慮到采空區內的埋藏深度較淺，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的影響問題進行處理。

目前，建（構）筑物行下采空區的處理措施主要有以下兩類：

⑴地面構筑物抗變形結構設計措施，采用柔性設計原則、剛性設計原則或綜合措施，以吸收和抵抗變形。

⑵采空區地基與基礎處理措施，預防和控制地表殘余變形的發生。此類措施可細分如下4種方法：

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

②局部支撐覆巖或地面構筑物，減小采空區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圍巖結構，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、整體性好的巖板結構，有效抵抗老采空區塌陷的向上發展，使地表只產生相對均衡的沉陷，以保證地表構筑物的安全。

④采取措施釋放老采空區的沉降潛力法。在采空區地表未利用前，采取強制措施加速老采空區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。

結束語

結合已有的實踐工作經驗來看，在采空區上新建工業建筑是一個全新的課題，本課題最大的難度在于：采空區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，地質條件相對比較復雜，采空區頂板覆巖屬于風化軟巖，構造與性狀眾多。為了確保新建建筑物結構的穩定，同時確保其結構耐久性以及使用壽命能夠滿足設計要求，就需要在工業建筑的建設前，采取各種技術手段與方法，針對采空區的地質、地形情況進行綜合分析，以做出對采空區結構現狀的真實性評價，為后續工作提供指導。