采空区新建建筑地基稳定性评价

2016-07-25辽宁有色勘察研究院辽宁沈阳110013

中国新技术新产品 2016年11期

庄岩（辽宁有色勘察研究院，辽宁沈阳 110013）

采空区新建建筑地基稳定性评价

庄岩
（辽宁有色勘察研究院，辽宁沈阳 110013）

摘要：本文从研究区地质环境条件入手，通过收集资料，阐述了采空区工程概况、地质环境条件、煤层发育特征及开采情况等；应用概率积分法，建立基本数学模型，选取合理的计算参数，揭示了地表移动及变形的规律，本文采用概率积分法计算采空区地表最大移动与变形值。研究成果对彩屯矿采空区今后的充填开采实践具有一定的参考价值。

关键词：采空区；地面沉陷；概率积分法；变形规律

开采矿山时岩体内部原有的力学平衡状态被破坏，使得岩层发生位移、变形等现象，岩土的完整性受到了破坏。当开采的面积达到一定范围之后，起始于采场附近的移动和破坏将扩展到地表，引起地面沉降、地面塌陷（统称地面沉陷）。在老采空区上方进行工程建设是诸多煤炭生产地愈来愈普遍的现象，采空区地基的稳定性研究也愈来愈体现出重要的经济和社会意义。在采空区进行工程建设，需要根据已知的地质采矿条件在开采之前预先计算出地表可能产生的移动和变形。此外还应考虑地震、地下水和岩石蠕变等“活化”因素的影响。钻探、物探是目前勘查采空区的基本手段。

本文根据所获取的彩屯矿区大量实测数据，研究了彩屯矿地表移动变形规律，获得该区域地质采矿条件下的地表移动的概率积分法预计参数。为矿区采煤方案设计与保护煤柱合理留设以及地表灾害防护提供了重要参考。

1 地质采矿条件

彩屯煤矿位于本溪巿区太子河西岸，北靠月牙岭，井下东起下一区绞车道，西至矿F3号断层，北起开采上限，南至950m煤层底扳等高线。矿区总面积7.3361km2。矿区位于本溪市区，太子河以西，北部和西部较高，向南、向东地势渐低，为起伏不大的低山地形地貌。矿区大地构造位于中朝准地台（I），胶辽台隆（I1），太子河～浑江台陷（I12）、辽阳～本溪凹陷（I12-1）内。地层发育，出露比较齐全，地层主要呈单斜构造，倾向187°～239°、倾角16°～21°；断裂构造发育，主要呈北东向，次为北西向；岩浆岩不发育，如图1所示。

图1 采区分布示意图

2 地表沉陷规律研究

2.1 概率积分法数学模型

概率积分法是把岩体当作一种随机介质，把岩层当作由大量松散的颗粒介质组成，通过随机介质理论，把岩层移动看作一种服从统计规律的随机过程，由此研究岩层与地表移动。经理论研究和实践证明，概率积分法预计的地表移动变形比较接近工程实际。（1）当采区内煤层全部开采后，地表任意点（x，y）处的下沉为：

m——采出煤层厚度；

q——地表下沉系数；

α——煤层倾角。

CX、CY分别为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；

l、L分别为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；

r，r1，r2分别为走向、下山、上山的主要影响半经；

（2）地表任意点倾斜值i（x，y）φ（沿指定的φ方向）

ix、iy分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m；

（3）地表任意点的曲率变形Kφ

Kx、Ky分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值。

（4）地表任意点沿指定方向φ的水平移动值uφ

ux、uy分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处迭加后的水平移动值，mm。

（5）地表任意点的水平变形εφ（沿指定方向）

εx、εy分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处迭加后的水平变形值，mm/m。

2.2 参数确定

彩屯矿区自1957年10月开始对地表沉陷进行观测，到1982年10月观测结束，26年期间获得了大量的地表沉陷实测数据。通过对观测资料的综合分析与研究，得出了符合本地区特定地质采矿技术条件下的地表移动与变形规律、各种角量参数以及概率积分法特定参数。其中边界角值见表1和表2，概率积分法特定参数值见表3。

2.3 计算结果

采用任意形状、多工作面地表沉陷计算与绘图软件对彩屯矿区地表沉陷进行计算，计算区域内地表最大残余下沉值为169.16mm，东西方向地表最大倾斜变形值为0.094mm/m，南北方向地表最大倾斜变形值为0.509mm/m，东西方向地表最大水平变形值为0.58mm/m，曲率变形最多变形值为0.005（×10-3/m）。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第十六条，采空区上建筑物地基允许变形为：倾斜变形小于3mm/m，曲率变形小于0.2×10-3/m，水平变形小于2mm/m。根据《建筑地基基础设计规范GB50007-2011》规定，该办公楼为7层，高度不超过30m，根据表2，其地基倾斜变形允许值为3mm/m。综上计算可知，采空区残余变形均小于上述允许值。