采空區移動盆地結束后建筑的適宜性評價
2012-01-01 00:00:00段繼平
中華建設科技 2012年1期
【摘要】對于長壁工作面正規大面積開采而言，地下煤層開采結束以后，當地表半年累計下沉量小于30mm，此時可認為地表移動穩定。當在此采空區地表不進行大規模工程建設時，地表會一直保持這種穩定狀態。但若在此采空區上地表新建建（構）筑物，就可能破壞這種已平衡狀態，而使覆巖重新發生較大的移動變形。
【關鍵詞】采空區；覆巖破壞；荷載影響深度
Gob after the end of the building mobile Basin suitability assessment
Duan Ji-ping
(Jincheng coal mine production safety management centerJinchengShanxi048000)
【Abstract】For the longwall face in terms of regular large-scale mining， underground coal mining ended， the local table is less than half the cumulative sinking 30mm， ground movement can be considered stable at this time. Mined in this area when the surface is not large-scale construction， the surface will remain in this steady state. However， if the mined-out area on the surface of this new building (structures)， may undermine the balance of this already， leaving the re-occurrence of the larger overburden movement and deformation.
【Key words】Gob;Overburden failure;Loads affect the depth of
1. 概況
某地擬建一甲醇廠，其中一部分為××煤礦的采空區，該區域地下老采空區開采時間大部分為上世紀80年代中后期，開采煤層有3和9號2層煤，采深80～130米，總采厚6米左右。
對于長壁工作面正規大面積開采而言，地下煤層開采結束以后，當地表半年累計下沉量小于30mm，此時可認為地表移動穩定。當在此采空區地表不進行大規模工程建設時，地表會一直保持這種穩定狀態。但若在此采空區上地表新建建（構）筑物，由于新建建（構）筑物的荷載向地下有一定影響深度，當這個深度與地下采空區的垮落帶、斷裂帶相交疊時，就會破壞垮落斷裂帶業已平衡狀態，而使覆巖重新發生較大的移動變形。
2. 覆巖破壞高度計算
煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產生斷裂、離層、裂縫，巖體內部結構遭到破壞。在彎曲帶，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時性離層，其巖體結構破壞輕微。因此，垮落帶、斷裂帶的巖層雖經多年的壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強度明顯低于原巖的強度。如果新建建筑物荷載傳遞到這兩帶，在附加荷載作用下會進一步引起沉降和變形，甚至造成建筑物的破壞。
垮落斷裂帶的發育高度，主要與開采煤層的厚度、傾角、開采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等有關，參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，選取計算公式如下：
H=100∑M/（4.7∑M+19）±2.2
式中：∑M——每個煤層的累計采厚，m。
由于該區域開采2個煤層，累計開采厚度6m左右，代入公式計算得H裂=15m。由計算結果可知，垮落斷裂帶的最高發育高度位于3號煤層之上15m。
3. 建（構）筑物荷載影響深度計算
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。建（構）筑物荷載的影響深度隨建筑荷載的增加而增大。一般地，當地基中建筑荷載產生的附加應力等于相應深度處地基層的自重應力的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、斷裂帶時，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多大影響。該深度即為建（構）筑物荷載影響深度（H影）。
σc=r1h1+r2h2+…+rnhn
地基中自重應力用下式計算：
式中：r1、r2、…、rn——為地基中自上而下各層土或巖石的容重，KN/m3；
h1、h2、…、hn——為地基中自上而下各層土或巖石的厚度，m。
該區域第四系表土層厚取20m，表土層計算容重取20KN /m3，以下巖層計算容重取25KN /m3。
地基附加應力按下式計算：
σZ=kP0
式中：
k——各種荷載（矩形、方形、條形荷載等）下的豎向附加應力系數；
P0——作用于基礎底面平均附加壓力，KN/ m2；
P0= P - r0D
P——建（構）筑物基礎底面處豎向均布荷載，KN/ m2；
r0——基礎底面標高以上天然土層的容重，r0=20KN/ m3；
D——基礎埋深，m。
擬建工程中，氣化爐單位面積荷重最大（約42t/m2)，氣化框架平面尺寸為34×10.5m2，整個框架平面內單位面積荷重考慮為300KN /m2(約30t/m2)；產品罐區建筑平面尺寸最大（約150×60m2)，單位面積荷重考慮為200KN/m2。由于尚沒有進行地基工程勘察，基礎埋置深度沒法確定，根據類似工程經驗一般采用樁基礎，假設樁基埋深20m。分別以氣化框架、產品罐區建筑作為計算對象，假定整個建筑荷重作用在給出的平面尺寸的矩形基礎上，按最不利情況考慮，基礎假定為樁基，單位面積建筑荷重作為作用于基礎底面（20m深處）平均附加壓力，按均布矩形荷載計算地基附加應力。式中豎向附加應力系數k可查表取值，計算見表1、表2。
需要說明的是，地基附加應力是從基礎底面算起的，地基自重應力是從地面算起的，兩者相差20m，計算地基附加應力相當于地基自重應力10%處深度，即為建筑荷載影響深度，此處氣化框架、產品罐區的建（構）筑物荷載影響深度分別為39m、60m（從地面算起）。
表1氣化框架建（構）筑物荷載影響深度計算表
深 度 （m）基底下深度地面下深度
附 加 應 力（KN/m2）自 重 應 力（KN/m2）
020300400
1030159650
1535106775
183888850
204074900
表2產品罐區建（構）筑物荷載影響深度計算表
深 度 （m）基底下深度地面下深度
附 加 應 力（KN/m2）自 重 應 力（KN/m2）
020200400
1030196650
2040183900
30501621150
40601391400
考慮一定的安全系數，擬建工程新建建（構）筑物的荷載影響深度取60m，也即：H影=60m。
4. 采空區地基穩定性
煤層開采后，采空區垮落斷裂帶不再因新加建筑荷載擾動而重新移動時，最小采深（H臨）應該大于垮落斷裂帶高度（H裂）與建筑荷載影響深度（H影）兩者之和，即：
H臨>H裂＋H影
當實際采深大于H臨時，建筑荷載不會使垮落斷裂帶重新移動；當實際采深小于H臨時，覆巖和地表會再次發生較大的不均勻移動。
根據前面計算，H裂=15m，擬建工程新建建（構）筑物的荷載影響深度H影=60m，兩者之和為75m，而該區域煤層開采深度為80～130m，即最小采深為80m。因此，擬建工程新建建（構）筑物的建筑荷載不會使采空區再次發生較大不均勻沉降。
5．結論
以上是依據產品罐區平面尺寸150×60m2，單位面積荷重考慮為200KN/m2作為計算基礎，擬建工程新建建（構）筑物的建筑荷載不會使采空區再次發生較大不均勻沉降。若改變基礎尺寸或單位面積建筑荷重增大，則建筑荷載影響深度也相應增大，當荷載比之大時，新建建（構）筑物的建筑荷載可能使采空區再次發生較大不均勻沉降，對新建建（構）筑物的保護不利，應對地下采空區進行注漿處理或加大建（構）筑物的抗變形結構技術措施。
參考文獻
［1］《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》 煤炭工業出版社 2004.
［2］《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002） 中華人民共和國建設部 國際質量監督檢驗檢疫總局 2002.
［文章編號］1619-2737（2012）08-15-201
［作者簡介］ 段繼平（1969-）男，職稱：工程師，工作單位：晉城市煤礦安全生產管理中心。
