沉陷區(qū)地表變形研究及施工建筑物可行性分析

張 來 鵬

(煤炭工業(yè)太原設計研究院，山西 太原 030001)

沉陷區(qū)地表變形研究及施工建筑物可行性分析

張 來 鵬

(煤炭工業(yè)太原設計研究院，山西 太原 030001)

對煤礦沉陷區(qū)形成、地表變形特點及穩(wěn)定性進行了詳細分析，闡述了沉陷區(qū)構筑建筑物的相關要求，并以山西某礦區(qū)沉陷區(qū)為例，對在沉陷區(qū)構筑建筑物的可行性進行了分析，該研究對于指導沉陷區(qū)構筑建筑物具有一定的借鑒意義。

沉陷區(qū)，地表變形，建筑物，可行性分析

人多地少是我國土地資源的基本國情，隨著我國土地資源的不斷開發(fā)和利用，國有建設用地供應日益減少。煤礦的無節(jié)制開采破壞了大量的可用土地，煤炭采出后，地表出現移動變形、沉陷和地下水位下降，尤其是山西、內蒙、淮南等部分礦區(qū)出現大面積沉陷區(qū)，且隨著當前煤礦開采能力和強度的提高，沉陷區(qū)的發(fā)展規(guī)模仍呈擴大趨勢，資料顯示，我國因煤礦開采產生的沉陷區(qū)總面積已經超過10 000 km2，超過國土面積的千分之一[1，2]。對于沉陷區(qū)治理，目前采取的方式多是進行綠化和復墾，如淮南礦區(qū)、平頂山礦區(qū)等均采用綠化和復墾來治理沉陷區(qū)。但是，隨著城市人口的發(fā)展和對土地資源的不斷需求，通過治理沉陷區(qū)來構筑建筑物顯得越來越有必要，但是建筑物設計和基礎若選擇和處理不當則會造成建筑物產生傾斜、開裂甚至坍塌，因此建筑物施工對沉陷區(qū)的地表穩(wěn)定性要求相對較高。

1 煤礦沉陷區(qū)概述

1.1 沉陷區(qū)形成和地表變形特點

煤礦開采理論和實踐表明，煤炭采出后，在采空區(qū)頂底板形成自由空間，遭到破壞的原巖應力重新分布促使頂板巖層出現變形破壞，我們根據其變形特點將采空區(qū)上部巖層分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。垮落帶和裂隙帶巖層整體性缺失，且二者無明顯界限，其移動變形破壞特點無明顯規(guī)律，而裂隙帶之上的巖層完整性未遭到破壞，在自重作用下出現法向彎曲變形，對地表影響顯著，即可形成我們所說的開采沉陷區(qū)。沉陷區(qū)研究成果表明，地表變形穩(wěn)定后，其分布曲線形態(tài)與概率積分型分布具有相似性，具體特點是：1)下沉曲線特點：地表變形穩(wěn)定后，塌陷區(qū)走向主斷面下沉曲線一般位于采空區(qū)正上方，下沉曲線各點呈中心對稱性，且其拐點向采空區(qū)偏移，若井下開采較為充分和均衡，地表下沉曲線出現平底現象，若井下開采不充分，下沉曲線呈現多個漏斗形；2)傾斜曲線特點：地表變形穩(wěn)定后，沉陷區(qū)傾斜曲線上各點以走向主斷面最大下沉點為中心呈對稱分布，塌陷區(qū)左右呈對向傾斜狀，對于所開采的呈傾斜狀煤層而言，傾斜曲線因煤層開采深度的變化出現非對稱分布，淺部煤層傾斜值要稍大于深部煤層；3)水平曲線特點：水平曲線分為移動曲線和變形曲線，其中沉陷區(qū)穩(wěn)定后，水平移動曲線各點指向沉陷區(qū)中心，相比于最大下沉點對稱分布，充分采動下在沉陷區(qū)中部形成水平區(qū)，否則是非水平區(qū)，對于傾斜煤層而言，水平移動曲線呈非對稱狀，淺部煤層開采相比于深部煤層開采其最大水平移動值相對要小；4)曲率曲線特點：沉陷區(qū)穩(wěn)定后，充分采動條件下，走向主斷面曲率曲線在沉陷區(qū)域有正、負兩個曲率區(qū)，分別位于采空區(qū)兩側保護煤柱上方和采空區(qū)上方；非充分采動條件下，曲率曲線有兩個正曲率區(qū)和一個負曲率區(qū)；在傾斜主斷面上，曲率曲線呈非對稱分布，非充分開采時，位于采空區(qū)上方最大負曲率值要高于兩側煤柱上方最大正曲率值；充分開采時，淺部煤層開采區(qū)域最大正、負曲率均大于深部煤層開采區(qū)域正、負曲率值。

1.2 沉陷區(qū)地表穩(wěn)定性分析

沉陷區(qū)觀測結果表明，當井下開采結束后，會一定程度的引起地表沉陷變形，這種變形隨著時間的延續(xù)會逐漸變緩直至相對停止，如若對沉陷區(qū)地表不予施工任何工程時，此時的地表將會持續(xù)保持這種穩(wěn)定。盡管我們認為沉陷區(qū)經過一定時間后地表發(fā)生變形基本可以忽略，但是實際上地表變形確是依然繼續(xù)，即使是在開采后數十年后，地表也會一定程度的產生微量殘余沉降變形。在沉陷區(qū)進行建筑物構筑時應考慮的也是受地表初期變形和殘余變形兩個方面的影響，我們認為，在沉陷區(qū)相對穩(wěn)定條件下若將殘余變形控制到一定程度，沉陷區(qū)建筑物不會受到地表變形的影響，構筑建筑物時期地基穩(wěn)定性評價只需要考慮建筑物的載荷對沉陷區(qū)地表的作用力即可。

2 沉陷區(qū)構筑建筑物要求

事實證明，將沉陷區(qū)作為建設用地是相對較好的土地利用途徑，不僅可以緩解沉陷區(qū)外建筑用地的需求，減少耕地使用量，還可以避免沉陷區(qū)土地復墾所需的大量投入；同時，在沉陷區(qū)構筑建筑物還可以改善礦區(qū)職工生活水平，符合城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢，且沉陷區(qū)土地費用相對低廉，有利于降低投資成本。但是，在沉陷區(qū)條件下構筑建筑物需要遵循一定的技術條件，盡管尚未有系統性的規(guī)范形成，但是如《巖土工程勘察規(guī)范》《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》等文件對沉陷區(qū)建設場地的勘察和建筑物平面布置、設計等進行了相關闡述[3-5]。同時借鑒國外經驗，認為在沉陷區(qū)構筑建筑物除了需要特殊勘察外，遵循的主要是地基穩(wěn)定性評價和建筑物抗采動影響設計和施工等。國內外有的資料中也給出了沉陷區(qū)適宜構筑建筑物的條件，某些情況下甚至不需要做評價，如地表傾斜小于3 mm/m，地表曲率小于0.2/m的地段等。

3 沉陷區(qū)構筑建筑物可行性實例分析

3.1 沉陷區(qū)概況

山西某礦區(qū)井田走向和傾斜長度分別為4.2 km和1.2 km，井田面積為4.5 km2，所采煤層采深為575 m～698 m，平均為630 m，煤層厚度為3.6 m，工作面上覆巖層以砂巖、石灰?guī)r和頁巖為主，開采方式為分區(qū)式開采，由于礦區(qū)井田范圍內煤層賦存條件較好，井下煤層開采較為充分，礦井閉坑時間為1986年，根據地表沉陷觀測數據可知，1996年之后地表變形基本可以忽略。

3.2 構筑建筑物可行性分析

理論認為，在沉陷區(qū)構筑建筑物應滿足兩個基本條件，即選取構筑物施工時間要合理和建筑物地基載荷傳播深度應處于穩(wěn)定巖層。構筑建筑物時間要合理是指建筑物構筑時應保證沉陷區(qū)地表處于穩(wěn)定狀態(tài)，即自沉陷區(qū)地表變形至構筑建筑物的時間T1要大于地表變形直至穩(wěn)定的時間T2。建筑物有一定的自重，其自身載荷會向下傳遞，如果載荷傳遞至穩(wěn)定巖層，則地表建筑物不會出現下沉，如若載荷傳遞至裂隙帶或者垮落帶等不穩(wěn)定巖層，則會造成采空區(qū)上方覆巖繼續(xù)出現下沉、移動等變形，故建筑物地基產生的載荷傳播深度不應超過彎曲下沉帶。

從時間角度出發(fā)，該沉陷區(qū)自1986年開始形成，直至1996年基本穩(wěn)定，距今已近20年，由此可知滿足T1>T2，故從時間上滿足構筑建筑物的要求。該礦區(qū)采深為575 m～698 m，平均為630 m，屬于煤層埋深相對較大的礦區(qū)。假設建筑物為一矩形構筑物，按照矩形截面豎向均布載荷作用機理可知，其載荷傳播深度與傳播系數Kc密切相關，引入相關數據同時結合沉陷區(qū)實際情況，認為建筑物載荷傳播深度不會超過彎曲下沉帶。另外，國內外實踐認為對于采深較大的礦區(qū)，即埋深H/煤厚h>30的沉陷區(qū)地表穩(wěn)定后殘余變形較小，一般不會對建筑物造成影響，該礦區(qū)平均埋深630 m，煤厚3.6 m，H/h=175>30。綜上所述，可以在該礦區(qū)沉陷區(qū)上方構筑建筑物，但構筑物規(guī)模具體還需進一步探討。

4 結語

煤礦沉陷區(qū)占有我國大量的國土面積，是重要的潛在可利用土地。在沉陷區(qū)上構筑建筑物應掌握沉陷區(qū)地表變形的規(guī)律及相關影響因素，同時也要了解構筑物對地表變形的影響，確保穩(wěn)定地表殘余變形滿足建筑物穩(wěn)定要求，只有這樣才能有針對性的構筑建筑物，避免因地表變形引起的建筑物出現裂紋、傾斜和坍塌等現象。本文僅是對沉陷區(qū)表面變形規(guī)律及建筑物施工可行性進行初探，在沉陷區(qū)如何施工建筑物、地基加固方式的選擇及建筑物規(guī)模的確定還需詳細探討。

[1] 王明立,胡炳南,趙有星.采煤沉陷區(qū)工程建筑物地基的穩(wěn)定性分析[J].煤炭科學技術,2006，34(4):72-75.

[2] 張貴雙.開采沉陷區(qū)建設大型廠房地基基礎的處理[J].河北煤炭,2005(1):47-48.

[3] 張建濤,種麗麗.煤礦開采沉陷區(qū)地表與建筑物變形探討[J].山西建筑,2012，38(9):83-84.

[4] 張洪波,陳桂海.鶴崗市盤活沉陷區(qū)土地利用情況分析[J].黑龍江國土資源,2017(1):50.

[5] 張雅瓊,白新密.平頂山采煤沉陷區(qū)綜合治理工程規(guī)劃[J].中州煤炭,2012(9):48-49.

Study on surface deformation in subsidence area and feasibility analysis of construction building

Zhang Laipeng

(TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030001,China)

Analyzed the formation of coal mine subsidence area, surface deformation characteristics and stability in detail, gave the relevant requirements in subsidence area of constructing a building, take a Shanxi mining subsidence zone as an example to analysis of the feasibility of building a building in a settlement area, the research has certain reference significance for guiding the construction of buildings in subsidence area.

subsidence area, ground deformation, building, feasibility analysis

1009-6825(2017)20-0055-02

2017-04-24

張來鵬(1984- ),男,工程師

P624

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