老采區新城鎮建設地基穩定性評價

崔毅斌 周小雨

河南省煤田地質局物探測量隊 河南 鄭州 450009

一、工程概況

評價區位于安陽市銅冶鎮，規劃建設11層住宅樓。評價區位于白蓮坡煤礦礦區范圍內，本區域下方及附近白蓮坡煤礦曾開采過二1煤層，采厚0.97～5.46m，平均3.03m，煤層傾角8～10°，采深60～170m，開采時間為2009年以前，集中在上世紀80～90年代，短壁后退式炮采，全部垮落法管理頂板。

二、穩定性分析

圖1 地表下沉盆地示意圖

在煤層開采后，采空區域上方會形成垮落破碎帶，反應在地表上為出現一個比開采區范圍大的下沉盆地，如圖1所示。一般情況下用下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形等指標來描述地表移動和變形。下沉盆地內地表移動過程可分為三個時期，第一時期為初始期（從地表下沉值達到10mm時起，到下沉速度低于50mm/月止）、第二時期為活躍期（下沉速度高于50mm/月（急傾斜煤層下沉速度高于30mm/月）的一段時間）、第三時期為衰退期（從活躍期結束時開始，到六個月內下沉值低于30mm為止）。

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》（煤炭科學研究總院、中國煤炭學會煤礦開采損害技術鑒定委員會），地表移動延續時間（T）可根據T＝2.5H0（單位：天）計算，H0-工作面平均采深（m）。

擬建場地附近對擬建場地有影響的采空區的最大采深為170m，依據上式計算，地表移動的延續時間約425天，即1.16年，擬建場地附近的采空區最晚開采時間為2008年，因此，附近的采空區已基本穩定。

三、地表殘余沉陷變形預計計算

根據擬建項目區即銅冶鎮地區的地質條件及白寨煤礦煤層開采情況等，參考白寨礦區的地表移動參數，選取參數見下表：

此次變形預計計算采用概率積分法預計程序和等值線繪制程序進行計算，對可能產生的地表殘余沉陷變形進行了預計計算，此次計算結果為：預計地表下沉為20～310mm，南北方向的傾斜變形為-2mm/m～2mm/m，南北方向水平變形-0.5mm/m～1.5mm/m，東西方向的傾斜變形為-3mm/m～4.5mm/m，東西方向水平變形為-1.5mm/m～3mm/m，擬建項目區域均受到采空區殘余沉陷變形影響。

四、地基穩定性評價

1、 垮落斷裂帶高度計算

煤層開采的厚度、煤層開采傾角及開采尺寸、以及覆巖巖性和頂板管理方法等為老采空區垮落斷裂帶發育高度的影響因素，參照《三下采煤規范》，擬建工程區為中硬巖層，采用的計算公式如下：

其中，∑M指的是分層開采煤層累計采厚，單位為m。

評價區下方開采了二1煤層，采厚0.97～5.46m，按照采厚6.0m計算，評價區垮落斷裂帶的理論計算最高發育高度為51.1m。

2、 建筑物荷載影響深度計算

采空區上建設新的建筑物會使原有地基土的應力發生變化從而造成老采空區上方建筑物地基變形。新建建筑物荷載的影響深度深與建筑物荷載大小息息相關，荷載越大影響深度就越大。針對下方有高壓縮性土、采空區垮落斷裂帶等不穩定因素存在時，也就是本次計算所采用的計算方法，即取新建建筑在某深度所產生的附加應力小于該深度地基自重應力10%時，此時的深度即為本次計算所得的荷載影響深度（H影）。

根據巖土勘察相關鉆孔資料，新建項目區上層覆蓋土厚度平均為8.0m，計算容重取20kN/m3，根據此次勘察鉆孔化驗資料，表土層以下的基巖計算容重取25kN/m3，地下水位以下取浮容重。

地基附加應力的計算公式為：σZ=kP0，其中：k表示各種荷載下的豎向附加應力系數；P0指的是作用于基礎底面平均附加壓力，單位為kN/m2。

基礎底面平均附加壓力的計算公式為P0= P - r0D，其中：P指的是建筑物基礎底面處豎向均布荷載，單位為kN/m2；而r0則表示為基礎底面標高以上天然土層的容重；D為基礎埋深，單位為m。

老采空區上方規劃建設住宅樓，住宅樓設計長約60m，寬13m。考慮到今后新建住宅樓將設置變形縫，建筑物按長30m、寬15m為例進行計算，基底埋深4.5m，單層建筑面積荷載為18kN/m2，擬建層數考慮為2～11層。經計算，2～11層樓房的建筑荷載影響深度分別為12.5m、15.5m、17.5m、19.5m、21.5m、23.5m、24.5m、25.5m、26.5m、27.5m。

3、 采空區地基穩定性評價

煤層開采完成后形成的采空區存在不穩定狀態，其采空區的穩定性主要由垮落斷裂帶高度與建筑荷載影響深度之和與煤層開采的最小采深的大小有關，當滿足垮落斷裂帶高度值（H裂）+建筑荷載影響深度值（H影）＜最小采深值（H臨）此種情況，即H裂+H影＜H臨時，可以確定新增加建筑物的荷載不會影響采空區垮落斷裂帶的重新移動，使處于相對穩定的狀態（圖2）。

圖2 冒落裂隙帶與建筑物荷載影響深度的關系

根據計算結果將建筑場地進行建筑可行性分區，見圖3。Ⅰ區不適宜建筑住宅樓，建議改作它用。Ⅱ區地表殘余沉陷變形影響在Ⅱ級采動影響以內，為安全起見，建議按Ⅲ級采動影響對新建建筑物進行保護。Ⅲ區新建11層及以下住宅樓住宅樓是可行的，但新建樓房必須采取有效的抗變形技術措施。

為了保證評價區新建建筑物地基的長期穩定，今后應嚴禁在評價區下方及其周圍影響區域進行煤層的開采或復采活動，進而避免地表由于再次發生較大的不均勻沉陷而對地基產生較大破壞，影響建筑物地基穩定。

圖3 建筑可行性分區圖