采空區新建建筑地基穩定性評價

張建軍

（河南省煤田地質局物探測量隊，河南 鄭州 450009）

0 引言

煤礦礦山開采后，上覆巖層產生破壞、變形，使得地面出現沉降、塌陷等現象，而且地表的下沉將持續相當長的一段時間，在采空區上面進行工程建設，可能會出現安全隱患。因此計算地表可能發生位移、變形等參數，對采空區穩定性做出合理評價，對后期工程建設地基處理尤為重要。

1 工程概況

項目區位于焦作市中站區李封井田區范圍內，是住宅項目，面積大約是一百多萬平米，當前，項目正在規劃階段，預計建設的層數在27 層以下。項目區在太行山脈和豫北平原的交接處，從整體上來看，總體地勢西北高，東南低，海拔在177～190m 之間，相對高差13m。根據當地的地質志來看，該項目區在中朝準地臺（Ⅰ）、山西臺隆、太行山拱斷束（Ⅰ44）和華北坳陷濟源開封坳陷（Ⅰ44），的交界地帶。區域斷層有鳳凰嶺斷層和盤古寺斷層，附近主要的斷層有F6、F7、F8。其中，F6 斷層未井田中部大斷層之一，斷層走向北東，南部下降北部相對上升，落差由西向東逐漸變大，一般在13～67m。F7 斷層位于F6 斷層和F8 斷層中間，走向北東，北部下降南部相對上升，落差大約在8～137m。F8 斷層在F7 斷層以南和上白作村的西北方向，斷層走向被動—南西，北部上升南部相對下降，落差由西向東逐漸變大，一般在40～70m。整體而言，場地地質結構相對比較復雜。

2 采空區建筑地基穩定性數值模擬評估

2.1 地表沉陷規律研究

在對采空區穩定性進行分析時，可以應用概率積分方法，將巖石看成是一種隨機的介質，將巖石（地層）層看成是由介質組成的物體，再通過介質理論，將巖層轉移看成是隨機過程，再對移動值進行計算。從理論研究中可以發現，概率積分法所得出的地表移動、變形值比較接近實際采空區情況。當礦體在得到開采之后，地表就會根據固定的規律形成一個塌陷式的盆地地形，在這個盆地當中的不同位置上也會發生變形或沉降現象。若礦區內的資源都被開采空了之后，地表任意點的最大移動變形值就是Wmax=qmcosα；最大傾斜值為imax=Wmax/r；最大曲率變形值為kmax=±1.52Wmax/r2；最大水平移動數值為Umax=bWmax；最大水平變形數值為εmax=±1.52bWmax/r。

2.2 參數確定

通過對該采空區的地質、開采情況等進行調查，可以得到相關的參數，殘余下沉參數是0.03；水平移動參數是0.32；影響角正切是2.1；開采影響傳播參數是0.6；拐點的偏移距離參數是0.1h。把這些參數進行整合計算，并使用概率積分法加以預計，就可以得到采空區地表剩余沉降和南北面和東西面剩余傾斜變形、南北面和東西面的剩余水平變形情況。

2.3 計算結果

通過計算可以得出，采空區的地表殘余沉降大約在10～200mm 之間；南北向傾斜變形大約在-2.1～2.4mm/m 之間；東西向傾斜變形大約在-2.1～3.3mm/m 之間；南北向水平變形值大約在-1.8～2.4mm/m 之間；東西向水平變形值是-1.5～1.8mm/m 之間。按照相關的規定表示，采空區新建建筑地基會受到一級采動的影響，因為考慮到采空區周圍還有部分煤柱沒有開采，情況比較復雜，所以為了建設的安全性和穩定性，需要按二級采動對建筑物進行保護。同時，如果要建立較高的樓層，就需要進行合理的規劃、可行性分析，實現綜合全面的建筑設計，還可以勘查采空區巖土工程，按照最終勘查得出的結果來采取措施。

2.4 附加應力影響深度分析

在采空區上方新建建筑物會使原本的應力發生改變，引起地面變形或沉降現象，通常情況下，如果建筑物荷載產生的附加應力是深度處地基層應力的20%時，就可以忽略不計，但由于地下地質條件復雜，采空區垮落、斷裂等不穩定因素，因此，還需將附加應力控制在10%上，方可認為附加應力對該深度處的地基不產生多大影響。采空區新建建筑地基的自重應力公式如下：

在式（1）當中：r1、r2、…、rn-地基當中各層土和巖石的容重，單位為kN/m3；h1、h2、…、hn-地基當中各層土和巖石的厚度，單位為m。項目區的第四系表土層厚度是65m，而表土層的容重為20kN/m3，以下巖層容重為25kN/m3。新建地基的附加應力公式如下：

在式（2）中：k-荷載下的豎向附加應力系數，P0-基礎底面平均附加壓力。

通過計算可知，F6 斷層和F7 斷層中間，場地下采空區垮落斷裂帶頂部距離地表大約99m，而F7 斷層和F8 斷層之間其距離是42m。考慮到采空區塌陷外擴和老窯采空區等因素，把F7 斷層以北采空區垮落斷裂帶頂部距離地表按25m 來計算，而F7 斷層以南則按照42m 來計算。根據計算，建筑物采用樁基時，13～27 層樓房的建筑荷載附加應力影響深度最淺為44m，均不小于垮落斷裂帶的發育最大埋藏深度42m。因此，擬建場地新建13～27 層住宅樓的建筑是不可行的。綜上所述，在整個場地13～27 層樓房建設對采空區的影響程度大；在F7 斷裂以北場地3～12 樓房對采空區的影響程度中等，1～2 建筑對采空區的影響程度小；在F7 斷裂以南場地7～12 樓房建設對采空區的影響程度中等，1～6 樓房建設對采空區的影響程度小。

3 結束語

在采空區上方新建建筑地基，必須對其穩定性加以分析，通過上述分析可以得知，采空區對于新建建筑地基的影響比較大。可以通過研究地表沉陷規律和確定相關參數，來對其穩定性加以評價，為了確保采空區上方不會出現明顯的沉降情況，危及到建筑物的安全，應禁止在采空區的正下方和四周進行煤層開采或者復采，以保證建筑安全性。