煤礦老采區地基穩定性分析

原偉強 楊武

摘要：煤礦開采形成了大片的采空區，為合理利用采礦區土地，以平頂山新華區褚莊小學建設場地為例，通過研究老空區地質條件及煤層開采情況，分析建設場地殘余變形及建設工程誘發采空塌陷活化的可能性，認為在老采空區新建6層及以下建筑是可行的，對建筑物設計提出了防治措施，為工程建設提供了科學依據。

關鍵詞：老空區；采空塌陷；建筑物

Analysis of foundation stability in GOAF

——Take the construction site of Chu Zhuang Primary School as an example

Yuan Wei-qiang， Yang Wu

No.4 Geology Team， Henan Coalfield Geology Bureau， Zhengzhou 450000

Abstract： Iarge area of GOAF has been formed in coal mining， In order to make rational use of the land in the mining area， taking the construction site of Chuzhuang School in as an example， through the research on geological condition of GOAF and mining conditions， analysis on residual deformation of Construction Site and possibility of Goaf Collapse activation induced by construction project； considered that it is feasible to build building not more than 6 floors； puts forward prevention measures for building design； provides scientific basis for construction.

Key words： Goaf； Mined-out subsidence； Building

1.前言

煤是我國重要的基礎能源之一，對我國經濟的發展起到了巨大的促進作用[1]。我國采煤沉陷區4500km2～5000km2涉及城鄉建設用地[2]。地下煤層開采結束后，即使經過長期的自然塌實，但開采遺留的地下空洞及不規則的巖體裂隙等會長期存在，任何方式的擾動都有可能破壞覆巖中已經形成的平衡，導致采空區上覆巖層的再次變形和移動，從而導致地面建筑物發生沉陷、局部開裂、傾斜等破壞，造成人員嚴重傷亡和財產損失[3]。隨著我國城鎮化的快速發展，土地資源變得愈來愈珍貴，尤其是位于城建區的煤礦老采空區，逐漸被利用起來[4]。本文以平頂山新華區褚莊小學建設用地為例，分析殘余變形影響下的采煤沉陷區地基穩定性，為項目建設的可行性提供科學的設計依據。

2.建設場地地質條件

建設場地位于三環公司采空塌陷區北部邊緣地帶，地勢北高南低，高程175m左右，地形較平坦。地面上部為1.0m～2.5m的雜填土層，其構成的主要成分為建筑垃圾，結構較松散；下部為第四系中更新統沖洪積沉積層，巖性為粘土及卵石，厚度3.0m～13m。下伏基巖為二疊系的泥巖砂巖互層，厚度約150m。

1962年至1966年三環公司在該區開采己16-17組煤層，平均開采厚度4.0m，開采方法為走向長壁開采法，頂板為全部垮落，開采深度120m～130m，采空區面積2.37km2，塌陷區面積3.18km2，東西長3.13km，南北寬0.7km～1.42km，最大沉陷值3.6m。建設場地位于平煤集團三環公司采煤沉陷區邊緣。

3.建設場地殘余變形分析

采空區的殘余變形對于老空區地基穩定性分析有著重要影響，在老采空區附近進行工程建設時，不僅需要考慮新建建筑物產生的附加荷載對采空區上覆巖層穩定性的影響，同時還需要考慮采空區上覆巖層殘余變形[8]。建設場地下部采空區形成已有50多年，本次采用概率積分法[9]來分析建設場地采空區的殘余變形。

結合建設場地下部煤層的覆巖巖性、煤層開采情況等，參考平頂山礦區的地表移動參數和“三下”采煤規程，選取參數如表1所示。

按照上述選取的地表移動參數進行計算，預測建設場地地表最大殘余水平變形值0.55mm/m，最大殘余曲率變形值0.028×10-3/m，最大傾斜殘余變形值1.2mm/m。依據“三下采煤”評價指標，擬建建筑損壞等級為Ⅰ，損壞分類為極輕微。

4.建設工程誘發采空塌陷活化分析

煤炭科學研究總院唐山研究院騰永海等提出了附加應力分析法，即綜合考慮建筑物荷載影響深度與采空區冒落裂隙帶發育高度兩者的和，來判斷采空區垮落斷裂帶是否因新建建筑荷載擾動而重新移動，從而判斷下伏空洞對建筑物地基的危害[5]。

4.1冒落帶、裂隙帶高度

煤層開采后的產生的垮落帶、垮落裂隙帶的發育高度選取計算公式[6]如下：

根據己組煤層厚度與分層層數（n取1），代入上述公式，計算得出己組煤層回采垮落帶高度為12m～16m，垮落裂隙帶高度為62m。

4.2建筑物荷載影響深度

（1）土的自重應力

建造建筑物之前，構成地基土體本身的有效重量引起的應力為土的自重應力。我們可以將土體概化為半無限空間彈性體，可以認為土體在水平方向與及地面以下深度z（m）方向均為無限場。位于地面之下z（m）深度處由土的自重所引起的豎向應力應等于單位土體的重力。地基中自重應力用下式計算[7]：

本次假設擬建項目區建筑物按長30m、寬15m，擬建層數按照實際情況考慮2層～6層，基礎埋深取3.0m，建筑物單層建筑面積荷載預計為18kN/m2。

同時，本次我們假設建筑荷載作用在建筑平面等同大小的矩形基礎上，依據均布矩形荷載進行計算地基附加應力。式中的豎向附加應力系數k可通過查表獲取。地基附加應力分布規律為隨深度增加而減小，而地基中自重應力分布規律為隨深度增加而增大。當地基附加應力相當于地基自重應力百分之十的深度時，該處即為建筑荷載影響深度。本次計算地基附加應力從基礎底面開始算起，地基自重應力從地面開始算起，兩者相差基礎埋深，即3.0m，建筑物荷載影響深度亦是從地面算起。通過本次計算，擬建2層～6層建筑物的荷載影響深度依次為19.5m、22m、24m，見表2。

4.3采空區地基穩定性分析

在煤層開采后，采空區形成的垮落斷裂帶不受新建建筑物的建筑荷載擾動而重新移動時，最小臨界采深（H臨）應該大于最大垮落裂隙帶高度（H裂）與建筑荷載影響深度（H影）之和，即：H臨>H裂+H影。依據前面計算，擬建區垮落裂隙帶高度為62m，擬建6層建筑物的荷載影響深度為24m，兩者之和為86m，而建設場地下伏煤層最小開采深度120m。因此，建設場地新建6層及以下建筑的建筑荷載不會使采空區再次發生較大不均勻沉降，但新建建筑物需采取有效抗變形技術措施。

5.防治措施

新建建筑物采取的抗變形結構技術措施多樣，主要有合理設置預留變形縫；避免單體體型應力過于復雜，力求立面和平面平整；建設前應對地基進行加固處理，盡量采用一體式筏板基礎；建筑物的基礎應設置鋼筋混凝土基礎梁，且同一單體的鋼筋混凝土基礎梁應設計成閉合箍，形成一個整體；基礎應淺埋，在基礎下設置水平滑動層，且同一單體水平滑動層應設置在同一標高上，減輕水平變形造成的破壞；提高墻壁梁、構造柱等加大上部結構剛度與整體性。

6.主要結論及建議

通過對建設場地地質條件與采空影響的分析，確定了建設場地新建6層及以下建筑物是可行的，但新建建筑物需采取合理而有效的抗變形技術措施。

參考文獻：

[1]李鳳明.我國采煤沉陷區治理技術現狀及發展趨勢[J].煤礦開采， 2011， 16（03）： 8-10.

[2]胡炳南，郭文硯.我國采煤沉陷區現狀、綜合治理模式及治理建議[J].煤礦開采， 2018， 23（02）： 1-4.

[3]翟淑花，王翊虹，冒建，劉歡歡.老舊采煤塌陷區動態監測及其穩定性初步分析[J].城市地質， 2017， 12（04）： 53-57.

[4]李昌存，苑永健，等.采空區建高層可行性分析[J].四川建筑科學研究， 2012， 38（02）： 134-138.

[5]孫占法.老采空區埋深對其上方建筑地基穩定性影響的數值模擬研究[D].太原理工大學碩士學位論文， 2002： 16-17.

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[9]國家煤炭工業局制定.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].北京：煤炭工業出版社， 2000.

[10]工程地質手冊[S].北京：中國建筑工業出版社， 2007.