老采空区上方建筑场地地基稳定性分析

张兴辉

【摘 要】由于煤炭资源的大力开采，使我国中西部地区形成了大规模、大范围的采空区。随着国民经济的快速发展，人口的快速增长，现有城镇满足不了人们的需求，一些工业厂房和住宅楼不得不建在老采空区上方。在建筑荷载作用下，老采空区易引起“活化”，地表会再次发生不均匀沉降，建筑物将遭受地表残余变形的影响，甚至遭到严重破坏。

【关键词】荷载；活化；地表残余变形

【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

煤层采出后，采空区上覆岩层自下而上形成冒落带、裂隙带和弯曲带，经多年的压实，在无外在因素作用下，采空区基本处于稳定状态。当在其上方新建建筑物时，建筑荷载传递至冒落裂隙带，引起的采空区残余变形将破坏建筑场地地基的稳定性，危机人民的生命财产安全。因此，开展对老采空区上方建筑场地地基稳定性分析工作具有非常重要的意义[1]。

1 项目概况

建筑场地拟征地97.7亩，东西长约400m，南部宽约238m，为不规则多边形，位于新密市白寨镇。该区位于华沟井田的外围，属三李勘探区的南部外围区域，地质构造为南升北降的高角度高庄正断层，断层面倾向20°，倾角80°，断层落差约30m。据地质资料显示，拟建场地下方以高庄断层为界，分布有两个二1煤层工作面，其中工作面1的开采结束时间已达13年，工作面2的开采结束时间已达20年，工作面采煤方法为炮采，顶板管理方法为全部跨落法。二1煤层厚约4m，上覆岩层为砂岩、泥岩、砂质泥岩、泥灰岩等，单轴抗压强度小于20MPa，开采深度为30～140m。拟建工程为12层的住宅楼。

2 建筑场地采空区地基稳定性评价

腾永海等[2]提出了以建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带发育高度是否重叠来判断采空区地基的稳定性。

2.1 建筑物荷载影响深度

建筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降，一般地，当采空区地基中的建筑荷载产生的附加应力等于地基自重力10%位置处，可认为附加应力对该深度处的地基不产生多大影响。该深度即为建筑荷载影响深度（H影）。

假设拟建建筑物为条形单体楼，长60m，宽13m，剪力墙结构，基础采用筏板基础，基底埋深4.5m，建筑物的荷载考虑为18kN/m2（系单层建筑面积荷载大小），当地基附加应力相对于地基自重应力10%处深度，即为建筑荷载影响深度，经计算，12层条形建筑物的荷载影响深度（H影）为28.5m，见表1。

2.2 覆岩破坏高度估算

冒落裂隙带的高度主要与煤层倾角，煤层上覆岩层性质、煤层厚度、开采尺寸、顶板管理方法等因素有关[4]。拟建场地下方二1煤层倾角15°，煤层累计最大采厚约20.0m，上覆岩层为砂岩、泥岩、砂质泥岩、泥灰岩等，单轴抗压强度小于20MPa，屬软岩，采用后退式炮采，顶板全部垮落的管理方法，因此，采用公式

根据勘查报告中钻孔勘查成果，ZK01的冒落裂隙带高度约28m，ZK02的冒落裂隙带高度约35m。结合公式计算的经验值和实际钻孔揭露值确定，拟建场地下方采空区的冒落裂隙带最大高度为35m。

2.3 建筑场地地基稳定性

煤层开采后，采空区的冒落裂隙带不再因建筑荷载扰动而重新移动时，最小采深（H临）应该大于冒落裂隙带高度（H裂）与建筑荷载影响深度（H影）两者之和[5]，即：

H临>H裂+ H影

当实际采深大于H临时，拟建建筑荷载不会使冒落裂隙带重新移动，即采空区地基处于稳定状态；当实际采深小于H临时，覆岩和地表会再次发生较大的不均匀移动，采空区“活化”，采空区地基处于不稳定状态冒落裂隙带与建筑物荷载影响深度关系见图1。

根据前面的计算，H裂=35.0m，拟建12层建筑物的荷载影响深度（H影）为28.5m，两者之和63.5m。而该建筑场地煤层开采深度为32～140m，依据以上给出的判断式，可以得出新建12层住宅楼，其荷载会破坏采深小于64m煤层采空区的地基稳定性，易导致采空区“活化”，地表将发生残余变形。见图2。

3 地表残余变形预测

地表残余变形计算方法有典型曲线法、负指数函数法、概率积分法和数值法等，其中概率积分法具有参数容易确定、实用性强等优点，在各矿区使用比较广泛，是最常用的方法[4]。本次地表残余变形即采用这种定量分析方法。

3.1 参数的选取

结合拟建场地所在矿区覆岩岩性、地质条件、开采情况等，选取参数见表2。

3.2 地表残余变形预测结果

将上述确定的地表残余变形参数输入计算机，采用中国矿业大学开发的开采沉陷MSPS软件[6]，预算采空区残余变形，残余变形值见表3，残余变形下沉等值线见图3。

4 建筑场地遭受地面塌陷危险性

依据文献[4]中，长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构建（构）筑物损害等级划分表， 和文献[7]，地表倾斜大于10mm/m，地表曲率大于0.6mm/㎡或地表水平变形大于6mm/m的地段为不宜作为建筑场地；地表倾斜为3～10mm/m，地表曲率为0.2～0.6mm/㎡或地表水平变形为2～6mm/m的地段作为建筑场地时，应评价其适宜性。

再依据文献[8]中建筑物的地基变形允许值表示，对于大于24m小于等于60m建筑物高度，其倾斜允许值为3mm/m，基础平均沉降量允许值为200mm。

依据以上规程、规范，将地面塌陷变形对建筑场地影响程度分为危险性大、中等、小等，见表4。

结合表2、表3，预测分析认为拟建场地南部厚煤层区及高庄断层附近（A区、B区）采空区地表残余变形强烈，地质灾害危险性大，面积约31277m2；评估区南部及高庄断层北部（C区）地表残余变形较强烈，地质灾害危险性呈中等，面积约184242m2；评估区北部（D区）地表残余变形不强烈，地质灾害危险性小，面积约32113m2。见图4。

5 结论

1）新建建筑物对地面存在荷载力，当荷载传递到冒落裂隙带，会导致基本稳定的采空区上覆岩层受压负荷或受到震动，改变其内部的应力状态，破坏其力学平衡，使采空区再次失稳活化，引起地表移动变形。

2）采空区开采后残留较多煤柱，在外在因素影响下可导致煤柱失稳破坏，造成地表再次发生不稳定塌陷，对地表建筑物产生影响。

3）在采空区上方进行工程建设时，根据实际情况采取压力灌溉地基处理措施、建筑物抗变形结构技术措施及禁采措施，确保建筑场地受采空区的影响达到最小。

【参考文献】

[1]郭惟嘉，王勇义.采空区上方修建大型建筑物地基稳定性评价[J].岩土力学，2004，25（增刊）：57-59.

[2]腾永海，张俊英.老采空区地基稳定性评价[J].煤炭学报，1997，22（5）：504-508.

[3]華南工学院，南京工学院，浙江大学，等.地基及基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1981：57-82.

[4]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000：226-229.

[5]张俊英，王金庄.采空区地表新建建筑地基稳定性评价技术研究[J].矿山测量，2003，9（3）：28-31.

[6]康建荣，王金庄，温泽民.任意形多工作面多线段开采沉陷预计系统（MSPS） [J]. 矿山测量，2000，1：24-27.

[7]GB50021-2001 岩土工程勘察规范[S].

[8]GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S].

[责任编辑：田吉捷]