老采空區上方建筑場地地基穩定性分析

張興輝

【摘 要】由于煤炭資源的大力開采，使我國中西部地區形成了大規模、大范圍的采空區。隨著國民經濟的快速發展，人口的快速增長，現有城鎮滿足不了人們的需求，一些工業廠房和住宅樓不得不建在老采空區上方。在建筑荷載作用下，老采空區易引起“活化”，地表會再次發生不均勻沉降，建筑物將遭受地表殘余變形的影響，甚至遭到嚴重破壞。

【關鍵詞】荷載；活化；地表殘余變形

【Abstract】Due to heavy coal mining，goafs of large-scale and wide range have formed in the central and western regions in our country.With the rapid development of national economy and the rapid growth of population，the existing towns can't satisfy peoples needs.As a result，some industrial buildings and residential building have to be built above old goafs. Under the construction load，“activation” is easy to be caused in the old goafs. Thus，uneven settlements will occur again to the earth surface.The buildings will suffer the influence of the earth surface residual deformation，and even severe damages.

【Key words】Load；Activation；The earth surface residual deformation

煤層采出后，采空區上覆巖層自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，經多年的壓實，在無外在因素作用下，采空區基本處于穩定狀態。當在其上方新建建筑物時，建筑荷載傳遞至冒落裂隙帶，引起的采空區殘余變形將破壞建筑場地地基的穩定性，危機人民的生命財產安全。因此，開展對老采空區上方建筑場地地基穩定性分析工作具有非常重要的意義[1]。

1 項目概況

建筑場地擬征地97.7畝，東西長約400m，南部寬約238m，為不規則多邊形，位于新密市白寨鎮。該區位于華溝井田的外圍，屬三李勘探區的南部外圍區域，地質構造為南升北降的高角度高莊正斷層，斷層面傾向20°，傾角80°，斷層落差約30m。據地質資料顯示，擬建場地下方以高莊斷層為界，分布有兩個二1煤層工作面，其中工作面1的開采結束時間已達13年，工作面2的開采結束時間已達20年，工作面采煤方法為炮采，頂板管理方法為全部跨落法。二1煤層厚約4m，上覆巖層為砂巖、泥巖、砂質泥巖、泥灰巖等，單軸抗壓強度小于20MPa，開采深度為30～140m。擬建工程為12層的住宅樓。

2 建筑場地采空區地基穩定性評價

騰永海等[2]提出了以建筑物荷載影響深度與采空區冒落裂隙帶發育高度是否重疊來判斷采空區地基的穩定性。

2.1 建筑物荷載影響深度

建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，一般地，當采空區地基中的建筑荷載產生的附加應力等于地基自重力10%位置處，可認為附加應力對該深度處的地基不產生多大影響。該深度即為建筑荷載影響深度（H影）。

假設擬建建筑物為條形單體樓，長60m，寬13m，剪力墻結構，基礎采用筏板基礎，基底埋深4.5m，建筑物的荷載考慮為18kN/m2（系單層建筑面積荷載大小），當地基附加應力相對于地基自重應力10%處深度，即為建筑荷載影響深度，經計算，12層條形建筑物的荷載影響深度（H影）為28.5m，見表1。

2.2 覆巖破壞高度估算

冒落裂隙帶的高度主要與煤層傾角，煤層上覆巖層性質、煤層厚度、開采尺寸、頂板管理方法等因素有關[4]。擬建場地下方二1煤層傾角15°，煤層累計最大采厚約20.0m，上覆巖層為砂巖、泥巖、砂質泥巖、泥灰巖等，單軸抗壓強度小于20MPa，屬軟巖，采用后退式炮采，頂板全部垮落的管理方法，因此，采用公式

根據勘查報告中鉆孔勘查成果，ZK01的冒落裂隙帶高度約28m，ZK02的冒落裂隙帶高度約35m。結合公式計算的經驗值和實際鉆孔揭露值確定，擬建場地下方采空區的冒落裂隙帶最大高度為35m。

2.3 建筑場地地基穩定性

煤層開采后，采空區的冒落裂隙帶不再因建筑荷載擾動而重新移動時，最小采深（H臨）應該大于冒落裂隙帶高度（H裂）與建筑荷載影響深度（H影）兩者之和[5]，即：

H臨>H裂+ H影

當實際采深大于H臨時，擬建建筑荷載不會使冒落裂隙帶重新移動，即采空區地基處于穩定狀態；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，采空區“活化”，采空區地基處于不穩定狀態冒落裂隙帶與建筑物荷載影響深度關系見圖1。

根據前面的計算，H裂=35.0m，擬建12層建筑物的荷載影響深度（H影）為28.5m，兩者之和63.5m。而該建筑場地煤層開采深度為32～140m，依據以上給出的判斷式，可以得出新建12層住宅樓，其荷載會破壞采深小于64m煤層采空區的地基穩定性，易導致采空區“活化”，地表將發生殘余變形。見圖2。

3 地表殘余變形預測

地表殘余變形計算方法有典型曲線法、負指數函數法、概率積分法和數值法等，其中概率積分法具有參數容易確定、實用性強等優點，在各礦區使用比較廣泛，是最常用的方法[4]。本次地表殘余變形即采用這種定量分析方法。

3.1 參數的選取

結合擬建場地所在礦區覆巖巖性、地質條件、開采情況等，選取參數見表2。

3.2 地表殘余變形預測結果

將上述確定的地表殘余變形參數輸入計算機，采用中國礦業大學開發的開采沉陷MSPS軟件[6]，預算采空區殘余變形，殘余變形值見表3，殘余變形下沉等值線見圖3。

4 建筑場地遭受地面塌陷危險性

依據文獻[4]中，長度或變形縫區段內長度小于20m的磚混結構建（構）筑物損害等級劃分表， 和文獻[7]，地表傾斜大于10mm/m，地表曲率大于0.6mm/㎡或地表水平變形大于6mm/m的地段為不宜作為建筑場地；地表傾斜為3～10mm/m，地表曲率為0.2～0.6mm/㎡或地表水平變形為2～6mm/m的地段作為建筑場地時，應評價其適宜性。

再依據文獻[8]中建筑物的地基變形允許值表示，對于大于24m小于等于60m建筑物高度，其傾斜允許值為3mm/m，基礎平均沉降量允許值為200mm。

依據以上規程、規范，將地面塌陷變形對建筑場地影響程度分為危險性大、中等、小等，見表4。

結合表2、表3，預測分析認為擬建場地南部厚煤層區及高莊斷層附近（A區、B區）采空區地表殘余變形強烈，地質災害危險性大，面積約31277m2；評估區南部及高莊斷層北部（C區）地表殘余變形較強烈，地質災害危險性呈中等，面積約184242m2；評估區北部（D區）地表殘余變形不強烈，地質災害危險性小，面積約32113m2。見圖4。

5 結論

1）新建建筑物對地面存在荷載力，當荷載傳遞到冒落裂隙帶，會導致基本穩定的采空區上覆巖層受壓負荷或受到震動，改變其內部的應力狀態，破壞其力學平衡，使采空區再次失穩活化，引起地表移動變形。

2）采空區開采后殘留較多煤柱，在外在因素影響下可導致煤柱失穩破壞，造成地表再次發生不穩定塌陷，對地表建筑物產生影響。

3）在采空區上方進行工程建設時，根據實際情況采取壓力灌溉地基處理措施、建筑物抗變形結構技術措施及禁采措施，確保建筑場地受采空區的影響達到最小。

【參考文獻】

[1]郭惟嘉，王勇義.采空區上方修建大型建筑物地基穩定性評價[J].巖土力學，2004，25（增刊）：57-59.

[2]騰永海，張俊英.老采空區地基穩定性評價[J].煤炭學報，1997，22（5）：504-508.

[3]華南工學院，南京工學院，浙江大學，等.地基及基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，1981：57-82.

[4]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000：226-229.

[5]張俊英，王金莊.采空區地表新建建筑地基穩定性評價技術研究[J].礦山測量，2003，9（3）：28-31.

[6]康建榮，王金莊，溫澤民.任意形多工作面多線段開采沉陷預計系統（MSPS） [J]. 礦山測量，2000，1：24-27.

[7]GB50021-2001 巖土工程勘察規范[S].

[8]GB50007-2011 建筑地基基礎設計規范[S].

[責任編輯：田吉捷]