采空區大型建筑地基沉降量監測技術研究

楊磊

摘要：近年來，隨著我國煤礦等資源開采力度的不斷加大，煤礦周邊逐漸出現了越來越多的采空區。這些采空區上部建筑物建設時，很容易出現嚴重的沉降問題，從而對建筑物的使用造成不良影響。所以，在煤礦開采過程中，應加強對大型建筑物地基沉降值監測的重視程度。對長壁開采覆巖破壞基本特征進行介紹，通過試驗分析的方式，對采空區大型建筑地基沉降值監測技術方法進行分析，根據分析結果提出相應建議，以此為采空區大型建筑物的建設提供支持。

關鍵詞：采空區；大型建筑；地基沉降；監測技術

0? ?引言

礦區內部通常需要建造大量的大型建筑，以為煤礦開采活動的開展提供支持。然而隨著礦區的不斷開采，沉陷范圍越來越大，導致礦區內部未受或將來也不受開采沉降影響的區域越來越少。這種情況下，很多建筑必須要建設在采空區的上方。

通過大量實踐研究可以發現，采空區上部建設的建筑物大多數相對安全，但仍有一小部分則會對建筑造成嚴重損傷，影響建筑的后續使用。采空區上方的覆巖較為堅硬，整體結構較為穩定，具有較高的承載力，但受到建筑施加應力的影響，依然會出現一定的地基沉降問題[1]。

目前，國內外均對采空區建筑基地沉降問題產生高度重視，并對此展開了大量研究，得到了諸多研究成果。但深入對這些研究分析后可以發現，其中依然存在一些缺陷，如盲目加固、提出的監測方法精確度較低等，在一定程度上影響這些研究成果的應用價值。鑒于此，本文以“采空區大型建筑地基沉降值監測技術”為課題展開了進一步分析，提出一種更加良好的監測方法，為采空區大型建筑地基沉降更好的監控打下了良好基礎。

1? ?長壁開采覆巖破壞的基本特征

現代煤礦開采過程中，常采用長壁采煤法，該方法具有成本較低，準備時間較短等優勢[2]。長壁開采結束后，會在采空區上方覆巖中形成垮落帶、斷裂帶與彎曲帶，各帶具有不同的特點，物理性質存在一定差異，需要根據各帶的具體情況，設計出最佳的建筑施工方案，以保證施工活動的順利進行。

在垮落帶處，覆巖存在一定的碎脹性，內部間隙較大，具有良好的連通性。由于其內部有很多孔隙，因而存在較強的可壓縮性。針對覆巖的具體情況，又可將其進一步將其劃分成兩種類型：一種為不規則帶，其中的巖塊隨機分布；另一種為規則帶，即巖塊規則的分布在區域內。在高度方面，一般為開采厚度的3～5倍，但對于不規則帶來說，高度則明顯降低，僅有開采厚度的0.7～1.2倍[3]。

對于斷裂帶來說，處于垮落帶的上方，巖層受力水平較高，很容易出現完全形變等問題。上部施加一定的荷載后，一方面會出現與層里面保持垂直的縫隙，另一方面還可產生順著層里面的離層裂縫。通常情況下，可將垮落帶與斷裂帶看作一體，共同稱之為垮落斷裂帶。該垮落斷裂帶為覆巖二次移動的主要發源區[4]。

斷裂帶與地表之間為彎曲帶，在開采區的邊緣處或周邊一定范圍內，可能出現大量裂縫，上部較寬一些。隨著裂縫深度的不斷變深，裂縫寬度也逐漸變窄，直到完全消失為止。如果彎曲帶覆土較薄，且裂縫問題較為嚴重，可導致裂縫深入到斷裂帶當中[5]。

2? ?試驗分析

2.1? ?模型構建

本研究當中，分別構建出了兩種采空區覆巖模型，分別設置成Q1與Q2，針對本研究需求，結合實驗室環境條件，設置模型的相似比例，具體為：線比A1為1/100；容重比Af為0.6；強度比AR為0.006。其剖面結構如圖1所示。其中，數字對應的不同材料性質如表1所示。

通過對某礦區巖體相關資料的查找可以發現，對礦井開采時，回采工作面推進距離對覆巖移動的影響最大，而時間的影響則相對較小。

對于本模型來說，主要研究的是采空區沉降穩定后，后續建設的大型建筑使地基產生的二次沉降。所以本研究當中，忽略了時間因素的影響，只是按照一定時間作為一個周期，逐漸完成煤礦開采工作。每個周期的開采距離控制在10cm左右，直到完成整個開采工作為止。

開采完成后，針對監測結果，判斷沉陷是否穩定，待沉陷穩定后，在模型上加載擬建建筑的荷載。

2.2? ?模型分析方法

向模型加載一定荷載后，通過小鋼尺法的方式，對地面沉降值予以測量。即按照相關規定要求，結合本研究需求，在模型適當位置處，懸掛一個精確的小鋼尺，之后，以Ni1型自動安平精密水準儀為主要工具，對模型沉降值進行測量[6]。

2.3? ?模型監測結果

構建出上述兩種模型后，分別選擇已知情況的礦區進行測試。通過測試可以發現，不論是在垮落斷裂帶分布方面，還是在地表移動變形方面，均與實際情況較為相似，誤差很小，可將其忽略不計。

由此表明，本模型模擬效果良好，可將其應用到實際當中。測試當中，模型1設置了5個監測點，編號記作S1、S2、S3、S4、S5，模型2設置了4個監測點，記作P1、P2、P3、P4，各點的監測結果如表2與表3所示。

3? ?沉降值分析與討論

3.1? ?沉降值差異分析

通過實驗研究可以發現，若建筑物與采空區相對位置存在差異，所產生的沉降值也存在較大的差距。其中，建筑處于采動區時，產生的沉降值最高，其次為沉陷盆地處，最后為煤柱的上方。

由長壁采空區上方覆巖的破壞特點可知，在采空區的中心位置處，覆巖垮落破壞最為嚴重，內部結構存在大量縫隙，因而上部施加荷載后，很容易出現很大的沉降值。

在煤柱上方，開采過程中引起的地層變動，依然會對周邊巖體造成一定干擾，使覆巖出現一定的沉降。但煤柱可提供一定的支撐力，加之內部縫隙較小，因而所產生的沉降值并不是很大。

而沉陷盆地處于采動區域煤柱之間，縫隙發育中等，因而所產生的沉降值也處于兩者之間。覆巖內部裂縫越發育，與地表的距離越接近，上部大型建筑地基所產生的沉降值較高。

由此表明，建筑物建設或使用時，越靠近采空區，所產生的沉降值越高，特別是在邊緣區域，這一情況更加顯著。

煤礦開采工作的開展，可使不同區域出現不同的裂隙發育特點，受到這一因素的影響，導致建筑地基產生不均勻沉降問題。所以，在采空區建筑建設時，應根據現場具體情況，預留出一定的變形縫，以防止產生不均勻沉降的問題。

3.2? ?沉降值計算

通過對各測點的測量結果進行觀察能夠發現，向模型施加一定的荷載后，沉降會在第一時間出現，并在較短的時間內，使沉降速度提升至峰值，之后不斷降低。荷載施加的第1年，沉降變化非常活躍，沉降值超過總沉降值的80%，之后沉降速度開始變緩，且維持很長一段時間。

以模型2為例，可根據實測結果值，構建出不同位置的沉降W（k）預測灰色GM（1，1）模型：

3.2.1? ?P1測點處沉降值

P1測點處位于采空區的上部，與邊界相距55m，其計算公式為：

W（k）=4108.52exp[0.0521（k-1）]-3941.52? ? （1）

其中，k=t/4，t表示荷載施加的具體天數。通過后驗差檢驗可知，該模型的方差比為0.11。按照該模型對數據還原可以發現，其與原始數據的關聯度較高，具體值為0.652，表明其預測精度高，可將其應用到實際當中。

3.2.2? ?P2測點處沉降值

P2測點處位于采空區的上部，與邊界相距30m，其計算公式為：

W（k）=2372.55exp[0.0536（k-1）]-2266.55? ? （2）

通過驗差檢驗可知，該模型的方差比為0.175，關聯度為0.729，表明其預測精度高，可將其應用到實際當中。

3.2.3? ?P4測點處沉降值

P4測點位于煤柱的上部，在邊界外10m，其計算公式為：

W（k）=1585.5exp[0.08（k-1）]-1533.5? ? ? ? （3）

通過后驗差檢驗可知，該模型的方差比為0.117，關聯度為0.66，表明其預測精度高，可將其應用到實際當中。

3.3? ?沉降規律總結

通過模型分析開采過程能夠發現，采用長壁采煤法時，礦區頂板可出現明顯的垮落現象。在礦床邊緣處，存在諸多孔洞與眼線。而在中心區域處，則無較大的孔洞。但在軟硬巖層交界處，則存在明顯的離層問題。

施加荷載后，在淺層處離層裂縫的寬度明顯縮減，表明這一區域出現二次位移現象。在深度較大的孔洞處，未出現明顯的位移現象，由此表明，開采作業面大大一定深度后，各孔洞與眼線較為穩定，施加較大的荷載后，很少出現較大的沉降問題。

4? ?結束語

由模擬實驗分析可知，在特定的采深工況當中，可在采空區的上方構建大型建筑物。但在工程建設時，應設置變形縫等措施，以控制建筑地基的變形，提升整個建筑施工與后續使用時的安全性。當采煤層較淺，且覆巖破壞較為嚴重時，要根據地質特點設計出合理的加固措施，以提升地基的穩定性，避免出現大幅度沉降的問題。

采空區上方構建建筑物時，沉降值與三個因素有關：一是建筑所施加荷載的大小，二是與操控區的相對位置，三是巖土層采動破壞程度。其中，采動區中心產生的沉降值最大。沉陷盆地邊緣處產生的沉降值相對較低，但沉降值變化幅度較大，對建筑造成的破壞最為嚴重，因而盡量不在該區域建設建筑物。煤柱的上部產生的沉降值最低，是建筑建設的最佳場所。

建筑地基沉降時，超過80%出現于施加荷載的1年以內，之后逐漸降低，因而應將項目建設后的第1年作為監測重點。

參考文獻

[1] 蘇敬強.高速鐵路緊鄰深厚煤礦采空區和地下水超采疊加影響規律研究[J].高速鐵路技術，2022，13（3）：7-11+67.

[2] 李水平.鐵路穿越鹽巖采空區地面沉降預測及工程處理措施研究[J].鐵道建筑技術，2022，30（9）：169-173.

[3] 田宏圖，王楊.基于InSAR監測技術的隧道病害與采空區沉降相關性分析：以桃坪隧道為例[J].測繪標準化，2022，38（1）：22-24.

[4] 徐涌.淺析新增建筑荷載與下伏煤礦采空區之間的作用規律[J].居舍，2020，7（32）：179-180+164.

[5] 臧建軍.采空區上覆地層處理對建筑沉降的影響研究[J].科技創新與應用，2020，11（24）：25-28.

[6] 馬宇晶.煤礦采空區電子輕工廠房基礎抗變形技術措施[J].石化技術，2020，27（2）：295-296.