談煤礦采空區巖土工程勘察

【摘要】隨著社會的不斷發展和我國交通建筑業的快速發展，目前針對煤礦采空區的勘察與處理問題越來越受到相關部門的重視。特別是近年來，隨著高層建筑的興建和土地的合理規劃利用，在采空區修建高層建筑物對采空區的穩定性提出了更高的要求。本文結合煤礦采空區的勘察與處理工程實例，對采空區巖土工程穩定性問題進行了分析和探討。

【關鍵詞】煤礦采空區；巖土工程；地質勘察

目前我國大多數礦山，留下大量未處理的采空區，采空區的存在，嚴重影響了礦山的安全生產。采空區對工程的危害是顯著的，主要體現在兩個方面：一是采空區頂板大面積冒落，產生氣流沖擊，對井下工作人員和設備產生重大傷害，而且可能引起地表沉陷和開裂，地面建筑物的陷落、倒塌及礦區地震等形式的嚴重地壓災害；另一個就是在礦山開采過程匯總，采空區圍巖受爆破震動影響導致巖體裂隙發育，甚至貫通地表或連通老窿積水，發生透水事故，從而淹沒坑道何工作面，造成損失。由此可見，采空區穩定性研究已成為一個重要的研究課題。

一、工程概況

某大酒店高21層，由主樓及裙樓組成，主樓東西長42m，南北寬20m，框剪結構；裙樓位于主樓東、南、西三側，外包尺寸東西長66m，南北寬43～50m，高度均為3層，框架結構，主、群樓均設一層地下室，彼此結構獨立。

場區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，分組為第二組。

場區地層主要為石炭～二疊系煤系地層，整體走向NE，傾向NW，傾角平緩，上覆第四系地層由黏性土組成，厚度約10m。場區共含煤21層，煤層總厚度5.32m，其中場地可采、局部可采煤層6層，場地位置實際開采煤層為17煤、20煤和21煤。場區內煤礦開采方法為走向長臂法，頂板管理為自由垮落法。各采煤工作面基本情況詳見表1-1：

二、場地穩定性評價

1采煤沉陷對建筑物地基的影響

采煤沉陷區，建筑物的地基處理或設計主要考慮的是地基的承載力和地基的變形，對于該項目前期工程的擬建設場地，結合采煤沉陷區建筑物地基的特點、建筑物的地基承載能力、地基的允許變形量等對該場地進行分析和評價。

1.1 采煤沉陷區建筑物地基的特點

位于采空區上的建筑物地基基礎，與一般場地上的建筑物相比，有以下特點：

（1）建筑物的地基范圍不同。一般建筑物地基的深度為地基沉降計算影響深度，寬度為以應力擴散角向下擴散至地基沉降計算深度為止，對于先建后采的建筑物，從開采礦物底板到地面各巖層的移動與變形都對建筑物有影響，其平面范圍視建筑物在地表移動盆地的位置不同而不同。對于先采后建的建筑物，則建筑物的地基范圍在深度上則較非采動影響區的同類建筑物的地基深度深，但較先建后采的建筑物的地基深度卻要淺的多。

（2）建筑物的地基變形組成不同。一般建筑物，地基變形主要是沉降，基本上是地基土受建筑物荷載壓縮和固結所致；而采空區上建筑物地基，其沉降變形除地基土本身的壓縮和固結變形外，還會受采空區巖、土層的變形和移動制約，除垂直方向的下沉外、還有由于非建筑荷載作用而產生的地基土扭曲。

（3）地基中應力狀態不同。一般建筑物會在原自重應力場中形成因其重量產生的附加應力；而采空區上建筑物除其自重引起的附加應力外，還存在由于采礦引起的附加應力。

（4）建筑物地基沉降穩定所需的時間不同。一般建筑物地基沉降穩定的時間為地基土的壓縮和固結所需要的時間；而采空區上的建筑物，地基穩定時間還受到地表殘余沉陷所需的時間制約。

1.2 采煤沉陷區建筑物地基的承載能力

采煤沉陷區建筑地基除受建筑物自身荷載產生的附加應力場外，還受到地表殘余移動變形引起的附加應力場影響。建議采用地基的臨塑荷載作為地基承載力的特征值，其計算公式為：

（2-1）

式中： 為地基的臨塑荷載，kPa；

為基礎埋深范圍內土層的重力密度，kN/m3；

為基礎埋深，m；

為基礎底面下土的粘聚力，kPa；

為基礎底面下土的內摩擦角，°；

、 為地基承載力系數，可以查表確定（林在貫等.巖土工程手冊，中國建筑工業出版社，1994年）。

鑒于地表的殘余移動變形仍然可能達到較大水平且采煤沉陷區地基條件比較復雜，建議在預計的地表殘余移動變形破壞等級超過Ⅰ級的采煤沉陷區域，進一步加大其地基承載力設計標準值，采用提高的地基承載力標準值，以確保建筑物的安全：

（2-2）

式中， 為地基承載力特征值，kPa；

為按臨塑荷載計算的基地承載力標準值，kPa；

為地基承載力提高系數，對基礎設有鋼筋混凝土圈梁的建筑物可按表2-1選用（表中L為建筑物獨立單元長度，H為建筑物基礎底面至檐口的高度）。

表2-1 采煤沉陷區地基承載力提高系數

地基土的類型 值

礫砂、粗砂、中砂1.201.50

細砂、粉砂、砂質粉土1.501.80

粘質粉土、粉質粘土、粘土1.401.75

1.3 采煤沉陷區建筑物地基的允許變形量

地基土層承受上部建筑物的荷載，必然會產生變形，從而引起建筑物基礎沉降。當場地土質堅實時，地基的沉降較小，對工程正常使用影響小；但若地基為軟弱土層且厚薄不均，或地基下方隱伏有老采空區破碎巖體而受到建筑物附加荷載擾動失穩時，地基將發生嚴重的沉降和不均勻下沉，其結果將影響建筑物的正常、安全的使用。因此，在采煤沉陷區上興建建筑物，在地基承載力和變形兩個條件中，滿足地基變形條件也是十分重要的。

為防止因地基變形或不均勻沉降造成建筑物的開裂與損壞，必須對地基變形特別是不均勻下沉加以控制，要求地基的變形值Δ應滿足：

（2-3）

式中， 為地基允許沉降與變形值，根據建筑物的結構特點、使用條件和地基土的類別確定。不同建筑物地基的允許變形值，我國建筑部發布的《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）給出了明確的規定。

三、結語

采動影響區擬建建筑物的處理措施包括采空區治理、地基基礎處理與設計及建筑物的建筑、結構抗采動影響設計。該場地對應的地下采空區尚未完全、充分垮落，擬建工程屬于先建后采類工程建設活動，為確保擬建建筑物的功能可靠、結構安全，建議應對上述部分房屋對應的采空區進行注漿治理，同時建筑物的設計應采取一定的抗采動影響措施。

參考文獻

[1]常士驃，張蘇民.工程地質手冊-4版.中國建筑工業出版社，2007.

[2]中華人民共和國建設部.GB50021-2001巖土工程勘察規范.中國建筑工業出版社，2009.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011-2010建筑抗震設計規范.中國建筑工業出版社，2010.