兗州礦區(qū)采煤塌陷區(qū)建筑物地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

鄭 輝

（兗州煤業(yè)股份有限公司 ，山東 鄒城 273500）

0 引言

在采煤塌陷區(qū)上方進(jìn)行職工住宅建設(shè)，對(duì)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有極其重要的意義。以兗州礦區(qū)興隆莊煤礦采煤塌陷區(qū)職工住宅建設(shè)為背景，分析了興隆莊煤礦的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建了殘余下沉系數(shù)與時(shí)間關(guān)系式。通過分析職工小區(qū)的地質(zhì)采礦條件，選擇合適的已沉降及殘余沉降的概率積分法預(yù)測(cè)參數(shù)，計(jì)算了目前已經(jīng)發(fā)生的沉降和今后殘余的沉降；分析了建筑物荷載、地震、地下水對(duì)老采空區(qū)“活化”影響，同時(shí)分析了殘余移動(dòng)變形對(duì)建筑物的影響，得出職工住宅小區(qū)處于穩(wěn)沉區(qū)域，殘余沉降小于建筑物的允許變形量；對(duì)職工小區(qū)范圍內(nèi)建筑物提出了一些抗變形保護(hù)措施。

1 地表沉陷實(shí)測(cè)資料及地表沉陷規(guī)律研究

興隆莊煤礦原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)原煤300萬t，服務(wù)年限97.87年。1974年上半年籌備，1975年2月破土動(dòng)工，1981年12月建成投產(chǎn)。1985年12月達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。目前主要是開采厚度為8.29m左右的3#煤。主要開采方法為走向（或者傾向）長(zhǎng)壁綜采放頂煤一次采全厚采煤方法。興隆莊礦位于兗州向斜的北翼的單斜構(gòu)造，其地層自下而上為：奧陶系、石炭-二疊系、侏羅系、第四系。采區(qū)內(nèi)煤、巖層產(chǎn)狀比較平緩，傾角2°～15°，一般為3°～5°左右。

4326觀測(cè)站分析 4326綜放工作面的井下標(biāo)高為-471m～-425m，工作面的開采深度為470m～517m，工作面的開采面積約為427230m2。工作面的走向長(zhǎng)度為1410m，傾向長(zhǎng)度為300m。工作面開采時(shí)間為2001年8月，結(jié)束時(shí)間為2002年9月。開采的3號(hào)煤層位于下二迭統(tǒng)山西組底部，平均煤厚為8.6m，煤層傾角平均6°。

根據(jù)實(shí)際情況，布設(shè)了2條觀測(cè)測(cè)線：1條為走向線，1條為全偽傾向線。觀測(cè)時(shí)間為2001年11月至2003年3月，觀測(cè)站共計(jì)觀測(cè)了30次。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)和地質(zhì)采礦條件，經(jīng)過綜合對(duì)比分析，確定4326觀測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)處理的概率積分法求參結(jié)果如下：

下沉系數(shù)q為： 0.830

水平移動(dòng)系數(shù)b為： 0.270

主要影響角正切tgβ為： 2.450

開采影響傳播角θ為： 90°－0.5α

拐點(diǎn)偏距S平均為： 0.07H

2 開采沉陷現(xiàn)狀及殘余沉降預(yù)測(cè)分析

殘余沉降參數(shù)分析。

基本原理：從最大下沉速度所對(duì)應(yīng)時(shí)刻開始，求取之后任意時(shí)刻與此時(shí)刻之間的下沉差值，獲得此后任意時(shí)刻與最大下沉?xí)r刻下沉差值與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)各個(gè)區(qū)間下沉差值，反求其概率積分法預(yù)測(cè)參數(shù)。對(duì)各參數(shù)及對(duì)應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，獲取各參數(shù)的極限值。根據(jù)參數(shù)極限值與某時(shí)刻參數(shù)值，求取相應(yīng)的地表移動(dòng)變形，則兩者之差為某時(shí)刻之后的殘余移動(dòng)變形量。分析模型參數(shù)與地質(zhì)采礦條件關(guān)系，構(gòu)建本地區(qū)殘余沉降預(yù)測(cè)參數(shù)與地質(zhì)采礦之間的預(yù)計(jì)模型。

上述理論中完全穩(wěn)定時(shí)刻的時(shí)間無法確定，因此將上述理論進(jìn)行改正如下：

1）從最大下沉速度所對(duì)應(yīng)時(shí)刻開始，求取之后任意時(shí)刻與此時(shí)刻之間的下沉差值，獲得此后任意時(shí)刻與最大下沉?xí)r刻下沉差值與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2）根據(jù)各個(gè)區(qū)間下沉差值，反求其概率積分法預(yù)測(cè)參數(shù)。

3）對(duì)各參數(shù)及對(duì)應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，獲取各參數(shù)的極限值。

4）根據(jù)參數(shù)極限值與某時(shí)刻參數(shù)值，求取相應(yīng)的地表移動(dòng)變形，則兩者之差為某時(shí)刻之后的殘余移動(dòng)變形量。

5）分析模型參數(shù)與地質(zhì)采礦條件關(guān)系，構(gòu)建本地區(qū)殘余沉降預(yù)測(cè)參數(shù)與地質(zhì)采礦之間的預(yù)計(jì)模型。

圖1 模型原理圖

由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開采損害及防護(hù)研究所所研制的“礦區(qū)開采沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，反演求參獲得下沉系數(shù)見表1：

表1 下沉系數(shù)

下沉速度與時(shí)間（從最大下沉速度時(shí)刻之后）關(guān)系滿足乘冪關(guān)系。其數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

圖2 殘余下沉系數(shù)與時(shí)間關(guān)系圖

由觀測(cè)站數(shù)據(jù)所求得的殘余變形下沉系數(shù)與時(shí)間關(guān)系式可以進(jìn)一步總結(jié)為：

式中：a、b為地質(zhì)采礦系數(shù)。

3 老采空區(qū)地基穩(wěn)定性分析

老采空區(qū)二次移動(dòng)主要因?yàn)殡x層裂隙的閉合、巖石壓縮與空洞空隙壓密。主要原因如下：

1）在采空區(qū)上方的上覆巖層載荷長(zhǎng)期壓力作用情況下，破碎巖體發(fā)生長(zhǎng)期地、漸變地、緩慢地流變及蠕變變形。

2）在空氣、地下水等因素的作用下，導(dǎo)致破碎巖體的風(fēng)化，從而引起巖石強(qiáng)度的衰減，在采空區(qū)上方的上覆巖層載荷長(zhǎng)期壓力作用情況下產(chǎn)生再次壓實(shí)。

3）由于地震、鄰近爆破作業(yè)或工作面開采造成的擾動(dòng)作用力、地面建筑物附加荷載、構(gòu)造應(yīng)力等外部因素作用情況下，引起采空區(qū)上覆巖體結(jié)構(gòu)的再次失穩(wěn)。

利用預(yù)測(cè)參數(shù)，通過MSPS系統(tǒng)進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)計(jì)算，截止到2011年4月為止，根據(jù)預(yù)計(jì)計(jì)算結(jié)果，職工住宅小區(qū)地面已經(jīng)產(chǎn)生的移動(dòng)變形最大值見表2：

表2 職工住宅小區(qū)已產(chǎn)生的移動(dòng)變形最大值

表3 職工小區(qū)地表最大殘余移動(dòng)變形值

建筑物載荷對(duì)老采空區(qū)二次移動(dòng)變形的影響分析：該區(qū)域?qū)芽p帶頂端距離地表的深度為243.6m（采深310-導(dǎo)水裂縫帶66.4m），6層樓引起的附加應(yīng)力影響深度小于40m，不會(huì)直接引起老采空區(qū)的二次移動(dòng)變形。根據(jù)廢棄老采空區(qū)地表殘余移動(dòng)變形預(yù)計(jì)分析結(jié)果，并對(duì)照建筑物評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)域廢棄采空區(qū)的殘余移動(dòng)變形量基本不會(huì)導(dǎo)致建筑物損害。興隆莊煤礦職工住宅小區(qū)區(qū)域處于穩(wěn)沉區(qū)域。在穩(wěn)沉區(qū)域內(nèi)，地表的廢棄采空區(qū)殘余移動(dòng)變形量較小，沒有超出國(guó)家規(guī)定的建（構(gòu)）筑物允許變形范圍，因而其不會(huì)引起本范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物損害。計(jì)算的殘余移動(dòng)變形量是廢棄采空區(qū)產(chǎn)生的最大殘余移動(dòng)變形量，這一殘余移動(dòng)變形量將在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)緩慢地、逐漸地發(fā)生，若不受到特殊因素影響（如地震等），不會(huì)集中突然出現(xiàn)，因此，在興隆莊煤礦職工住宅小區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行建（構(gòu)）筑物的建設(shè)是安全、可行的。但需要注意的是，由于興隆莊煤礦二采區(qū)的地層潛水位較高，對(duì)今后興隆莊煤礦職工住宅小區(qū)的工程建設(shè)帶來一定的不利影響，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的技術(shù)方法、措施。

4 采空區(qū)地基處理和建筑結(jié)構(gòu)抗變形措施研究

通過廢棄采空區(qū)殘余沉降預(yù)測(cè)分析與地基穩(wěn)定性分析，該區(qū)域3號(hào)煤層采深較大（310m左右），均采取采出率高的長(zhǎng)壁分層綜采或綜采開采，開采后上覆巖層結(jié)構(gòu)破壞充分。雖在地應(yīng)力、長(zhǎng)期的地下水弱化、附近開采影響下，此處采空區(qū)可能二次移動(dòng)變形，其主要表現(xiàn)為破裂巖體的緩慢蠕變與流變、再次壓密，進(jìn)而引起上方地表可能發(fā)生一定的殘余移動(dòng)變形，除采空區(qū)邊界可能存在的空洞空隙對(duì)廢棄采空區(qū)二次移動(dòng)變形影響較大外，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究，一般在職工住宅小區(qū)的地質(zhì)采礦條件下，這種殘余移動(dòng)變形的發(fā)生將是一個(gè)漸變的、大范圍與長(zhǎng)期的緩慢過程。依據(jù)該區(qū)域廢棄采空區(qū)賦存特征、巖體巖性與結(jié)構(gòu)、地表殘余移動(dòng)變形預(yù)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合建筑物載荷及結(jié)構(gòu)特征情況，不需要對(duì)廢棄采空區(qū)內(nèi)部的破裂、破碎等不良巖體采取進(jìn)一步加固處理等措施，即不需要進(jìn)行特殊的地下采空區(qū)處理，而應(yīng)該重點(diǎn)考慮在為興隆莊煤礦職工住宅小區(qū)建（構(gòu)）筑物的抗變形地面保護(hù)方法與措施。

1）對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的建筑物應(yīng)設(shè)置變形縫，第一各個(gè)獨(dú)立單元的長(zhǎng)度（即變形縫的間距）在35米以內(nèi)為宜；第二變形縫必須從樓頂向下到基礎(chǔ)設(shè)置成一條貫通縫，使其兩邊不能相互影響；第三是不同類型建筑物的連接處、高低變化較大處、基礎(chǔ)不同處等位置都應(yīng)設(shè)置沉降變形縫。

2）對(duì)位于工作面上方的建筑物進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，盡量不使建筑物跨越采空區(qū)邊界，以減小不均勻變形對(duì)建筑物的影響。

3）各個(gè)高層建筑物的首層、二層結(jié)構(gòu)與建筑物基礎(chǔ)的配筋在計(jì)算時(shí)，除了應(yīng)考慮建筑物地基持力層的正常工程地質(zhì)條件外，還應(yīng)該考慮廢棄采空區(qū)二次移動(dòng)變形引起的不均勻移動(dòng)變形量。

職工住宅小區(qū)由于地面沉降積水，采用煤矸石回填，而根據(jù)本區(qū)建筑物地基采用閥板基礎(chǔ)，地基承載力要求不小于150kPa，煤矸石地基難以滿足該要求，必須進(jìn)行處理。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于地基處理主要采用三種方法：①深基坑，通過開挖深基坑尋求符合地基承載能力的地層；②樁基，通過灌注摩檫樁，達(dá)到地基設(shè)計(jì)能力；③強(qiáng)夯，通過強(qiáng)夯處理，滿足地基能力要求。由于本區(qū)域煤矸石埋藏深度變化在8.8m～13.8m，采用深基坑方法需要開挖大量煤矸石，工程量大，不采用。對(duì)于樁基，也同樣由于煤矸石摩檫能力較小，樁基要求深度大，費(fèi)用高，不采用，因此本區(qū)設(shè)計(jì)采用強(qiáng)夯的方法處理煤矸石地基。

5 結(jié) 論

在對(duì)職工住宅小區(qū)下地質(zhì)采礦資料分析基礎(chǔ)上，基于大量觀測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的整理與分析，進(jìn)行了該區(qū)域地表現(xiàn)狀地表移動(dòng)變形與殘余地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，分析了廢棄采空區(qū)的建筑物地基穩(wěn)定性，提出了職工住宅小區(qū)建設(shè)的結(jié)構(gòu)措施和地基處理措施，主要結(jié)論如下：

1）分析了興隆莊礦4326兩個(gè)觀測(cè)站的觀測(cè)資料，建立了邊界角、移動(dòng)角與表土基巖厚度比之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，同時(shí)確定興隆莊煤礦綜放工作面情況下的概率積分法預(yù)測(cè)參數(shù)下沉系數(shù)q為0.830，水平移動(dòng)系數(shù)b為0.270，主要影響角正切tgβ為2.450，開采影響傳播角θ為90°－0.5α，拐點(diǎn)偏距S平均為0.07H。

2）根據(jù)最大下沉速度之后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建殘余下沉系數(shù)與時(shí)間關(guān)系為，并通過多個(gè)不同礦區(qū)實(shí)測(cè)下沉速度與下沉關(guān)系證明了該關(guān)系的可靠性和正確性，為殘余沉降預(yù)測(cè)參數(shù)選取提供方法。

3）根據(jù)本地區(qū)實(shí)際情況，確定合理參數(shù)，通過計(jì)算獲得職工住宅小區(qū)區(qū)域已完成的地表沉降量在0～5000mm之間。最大殘余地表移動(dòng)變形量為：最大下沉量約為162mm，最大傾斜量約為0.850mm/m，最大曲率值約為0.004mm/m2，最大壓縮變形值約為0.25mm/m，最大拉伸變形值約為0.40mm/m。

4）通過殘余變形對(duì)建筑物影響分析、建（構(gòu)）筑物載荷影響深度計(jì)算分析、地下水與地震活動(dòng)的影響分析，職工住宅小區(qū)處于穩(wěn)沉區(qū)域，可以其上方進(jìn)行職工住宅建設(shè)。

5）針對(duì)該區(qū)域地質(zhì)采礦、工程地質(zhì)情況，提出了設(shè)置變形縫、調(diào)整建筑物位置、地基處理等抗變形保護(hù)措施，并對(duì)地基處理方法--強(qiáng)夯法的作業(yè)工藝、夯擊能量、夯擊點(diǎn)布置、處理范圍、強(qiáng)夯施工及褥墊層施工要求進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。