采空區高層建筑安全穩定性分析

張占兵 禹朝群 王磊 鞏瑞杰

摘要：本文以工程實例為背景，通過分析煤礦采空塌陷區的采空影響和建設項目的結構基礎，綜合多方面的影響因素，分析計算采空區上方構建高層建筑物的安全穩定性，為采空區合理利用以及采空區上方建設構筑物安全建設提供依據，并為類似工程提供借鑒意義。

關鍵詞：采空塌陷區；采空影響；高層建筑

隨著經濟的發展，土地資源愈來愈珍貴，尤其是位于城區的煤礦采空區，逐漸被利用起來。采空區的不均勻沉降作用會對地表建筑物的結構造成破壞，如果地基及建筑物選擇處理不當，會使建筑物發生局部開裂、傾斜、直至倒塌。本文以某工程實例分析在采空區上高層建筑物的安全穩定性，并探討在采空區構建建筑物的可行性。

1 工程項目概況

本工程為住宅樓1棟，地下2層，地上17層，框架結構，筏板基礎，基礎埋深5.5m。

2 場地地質條件

建設項目位于某煤礦塌陷區東北部，場地地勢平坦，地形簡單，地貌類型單一，地表為厚度2～3m的雜填土層；其下為第四系上更新統（Q3）沖洪積沉積層，巖性為粉質粘土及細砂層，第四系覆蓋層總厚度20m左右。下覆基巖為二疊系地層，巖性主要為泥質砂巖、砂巖、砂質頁巖及碳質泥巖夾煤層和粘土巖，厚約600m。其下為石炭系地層，巖性主要為細砂巖、砂質頁巖、灰巖夾煤層和粘土巖，厚約160m，地層巖性、巖相穩定。

本區地下煤層主要是在上世紀50年代～60年代初開采，最小采深約530m，最大采深約750m，平均采深約615m，累計采厚7.4m，停采時間為1963年。開采方法采用短壁開采，全部陷落法管理頂板。塌陷是自北向南逐步擴展的，屬于連續性沉降變形。

3高層建筑安全穩定性分析

掌握地表移動的持續時間是評價地基穩定、保護建筑物安全使用的必要條件，根據相關規程，在6個月內累計下沉值不超過30mm即為基本穩定。地表移動持續時間按下式計算：

本場地最大導水裂隙帶高度取最大值，場地內煤層最小采深530m，最大導水裂隙帶埋深約426m。

2、擬建建筑荷載作用下基礎附加應力傳播深度的計算

建（構）筑物的建造使地基土中原有的應力狀態發生變化，從而引起地基變形，出現基礎沉降。一般的，當地基中建筑荷載產生的附加應力等于相應深度處地基的自重應力的20%時，即可以認為附加應力對該深度處地基產生的影響可忽略不計，但當其下方有高壓縮性土或別的不穩定性因素，如采空區垮落、裂隙帶時，則應計算附加應力直至地基自重應力10%位置處，方可認為附加應力對該深度處的地基不產生影響，該深度即為建（構）筑物荷載影響深度（H影）。

由于建筑物荷載影響深度與建筑物的結構、基礎型式、基礎埋深、荷載大小等有關，一般淺基礎的建筑荷載影響深度為10～30m。當建（構）筑物采用深基礎時，建（構）筑物荷載影響深度相應增大，通過計算本場地內建筑物計算荷載影響深度為49m。

場地內建筑物的附加荷載影響深度為49m，最大導水裂隙帶埋深約425m，二者之間相隔376m，因此建筑物荷載影響到導水裂隙帶區域的可能性很小，即不會導致采空區的活化。

3、工程建設的安全性分析

采空塌陷是因為采掘活動造成了上覆巖層的破壞，而最終波及到地表，使地表產生垂直及水平變形，地表移動和變形造成建筑物的破壞。

老采空區是否達到永久性穩定，取決于兩方面的決定條件，滿足其一即可達到永久穩定。

（1）采空區獲得永久穩定支撐。這在采用科學設計的房柱式開采或條帶式開采時才能實現，建設場地顯然不能滿足這種條件。

（2）煤層采出后，采空區頂底板充分遇合并壓實，也就是地表移動已經徹底，不存在引起地表移動的潛在因素。本區開采方式為走向長壁及落垛式開采，顯然還是存在采空區重新活化的可能性。

此次采用極限沉降預測法進行老采空區活化量的計算，該方法的理論基礎是開采后地表移動最大值總是小于采厚，其減小的原因就是巖體內存在空隙、裂隙和離層裂隙，老采空區活化就是這些空隙、裂隙和離層裂隙閉合的結果。計算方法為：假定這些空隙、裂隙和離層裂隙完全閉合，則下沉系數最大能達到1，則殘余下沉系數為：

通過上述計算結果，建設場地變形值遠小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》規定限值。

結論

通過對建設場地的地質條件和采空影響進行分析論證，在本場地內建設高層建筑可以滿足安全穩定的要求，為合理利用土地資源和解決城市用地問題提供了佐證。由于地質條件的復雜性和影響因素的不確定性，應加強地質災害監測工作，建立地表巖移觀測站，以監測地面變形及建筑物變形情況。

參考文獻

[1]滕永海，唐志新。老采空區地面建筑技術研究及應用[J]。煤炭科學技術，2016，44（1）：183-186.

[2]鄭瑩，郭立穩，畢作枝。淺析采空區的破壞機理與處理方法[J]。礦業工程，2008，（04）：32-34。

（作者單位：河北鋼鐵集團礦山設計有限公司）