采空區新建建筑地基穩定性評價

莊 巖（遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013）

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采空區新建建筑地基穩定性評價

莊 巖
（遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013）

摘 要：本文從研究區地質環境條件入手，通過收集資料，闡述了采空區工程概況、地質環境條件、煤層發育特征及開采情況等；應用概率積分法，建立基本數學模型，選取合理的計算參數，揭示了地表移動及變形的規律，本文采用概率積分法計算采空區地表最大移動與變形值。研究成果對彩屯礦采空區今后的充填開采實踐具有一定的參考價值。

關鍵詞：采空區；地面沉陷；概率積分法；變形規律

開采礦山時巖體內部原有的力學平衡狀態被破壞，使得巖層發生位移、變形等現象，巖土的完整性受到了破壞。當開采的面積達到一定范圍之后，起始于采場附近的移動和破壞將擴展到地表，引起地面沉降、地面塌陷（統稱地面沉陷）。在老采空區上方進行工程建設是諸多煤炭生產地愈來愈普遍的現象，采空區地基的穩定性研究也愈來愈體現出重要的經濟和社會意義。在采空區進行工程建設，需要根據已知的地質采礦條件在開采之前預先計算出地表可能產生的移動和變形。此外還應考慮地震、地下水和巖石蠕變等“活化”因素的影響。鉆探、物探是目前勘查采空區的基本手段。

本文根據所獲取的彩屯礦區大量實測數據，研究了彩屯礦地表移動變形規律，獲得該區域地質采礦條件下的地表移動的概率積分法預計參數。為礦區采煤方案設計與保護煤柱合理留設以及地表災害防護提供了重要參考。

1 地質采礦條件

彩屯煤礦位于本溪巿區太子河西岸，北靠月牙嶺，井下東起下一區絞車道，西至礦F3號斷層，北起開采上限，南至950m煤層底扳等高線。礦區總面積7.3361km2。礦區位于本溪市區，太子河以西，北部和西部較高，向南、向東地勢漸低，為起伏不大的低山地形地貌。礦區大地構造位于中朝準地臺（I），膠遼臺隆（I1），太子河～渾江臺陷（I12）、遼陽～本溪凹陷（I12-1）內。地層發育，出露比較齊全，地層主要呈單斜構造，傾向187°～239°、傾角16°～21°；斷裂構造發育，主要呈北東向，次為北西向；巖漿巖不發育，如圖1所示。

圖1 采區分布示意圖

2 地表沉陷規律研究

2.1 概率積分法數學模型

概率積分法是把巖體當作一種隨機介質，把巖層當作由大量松散的顆粒介質組成，通過隨機介質理論，把巖層移動看作一種服從統計規律的隨機過程，由此研究巖層與地表移動。經理論研究和實踐證明，概率積分法預計的地表移動變形比較接近工程實際。（1）當采區內煤層全部開采后，地表任意點（x，y）處的下沉為：

m——采出煤層厚度；

q——地表下沉系數；

α——煤層傾角。

CX、CY分別為待求點在走向和傾向主斷面上投影點處的下沉分布系數；

l、L分別為采區拐點平移后走向長度及傾斜方向在地表的計算開采寬度；

r，r1，r2分別為走向、下山、上山的主要影響半經；

（2）地表任意點傾斜值i（x，y）φ（沿指定的φ方向）

ix、iy分別為待求點沿走向和傾向主斷面上投影點處迭加后的傾斜變形值，mm/m；

（3）地表任意點的曲率變形Kφ

Kx、Ky分別為待求點沿走向及傾向在主斷面投影處迭加后的曲率值。

（4）地表任意點沿指定方向φ的水平移動值uφ

ux、uy分別為待求點沿走向和傾向在主斷面投影點處迭加后的水平移動值，mm。

（5）地表任意點的水平變形εφ（沿指定方向）

εx、εy分別為待求點沿走向和傾向在主斷面投影點處迭加后的水平變形值，mm/m。

2.2 參數確定

彩屯礦區自1957年10月開始對地表沉陷進行觀測，到1982年10月觀測結束，26年期間獲得了大量的地表沉陷實測數據。通過對觀測資料的綜合分析與研究，得出了符合本地區特定地質采礦技術條件下的地表移動與變形規律、各種角量參數以及概率積分法特定參數。其中邊界角值見表1和表2，概率積分法特定參數值見表3。

2.3 計算結果

采用任意形狀、多工作面地表沉陷計算與繪圖軟件對彩屯礦區地表沉陷進行計算，計算區域內地表最大殘余下沉值為169.16mm，東西方向地表最大傾斜變形值為0.094mm/m，南北方向地表最大傾斜變形值為0.509mm/m，東西方向地表最大水平變形值為0.58mm/m，曲率變形最多變形值為0.005（×10-3/m）。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》第十六條，采空區上建筑物地基允許變形為：傾斜變形小于3mm/m，曲率變形小于0.2×10-3/m，水平變形小于2mm/m。根據《建筑地基基礎設計規范GB50007-2011》規定，該辦公樓為7層，高度不超過30m，根據表2，其地基傾斜變形允許值為3mm/m。綜上計算可知，采空區殘余變形均小于上述允許值。

表1彩屯礦區各觀測線實測地表移動邊界角值統計表

表2彩屯礦區地表移動邊界角綜合分析成果

表3彩屯礦區概率積分法特定參數表

結論

（1）本文從研究區地質環境條件入手，通過收集資料，闡述了采空區工程概況、地質環境條件、煤層發育特征及開采情況等。

（2）概率積分法函數形式簡單，推導方便，計算速度很快，對于大型預測來說，可節省大量的時間和費用。

參考文獻

［1］張悼元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理（第二版）［M］.北京：地質出版社，1993.

［2］蔡美峰.巖體力學與工程IML［M］.北京：科學出版社，2002.

［3］郭廣禮.老采空區上方建筑地基變形機理及其控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2001.

［4］馬金榮，劉輝，季翔，等.煤礦廢棄采空區建筑場地穩定性研究［J］.建筑科學，2006，22（4）：21-24.

中圖分類號：X752

文獻標識碼：A