老采空区上方拟建高层建筑物稳定性评估

刘书杰

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

老采空区上方拟建高层建筑物稳定性评估

刘书杰1,2

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

针对老采空区建设高层建筑物稳定性差的难题，利用理论分析和数值模拟对老采空区拟建高层建筑物稳定性进行评估，得出9#煤层垮落带最大高度为12.4 m，导水裂缝带高度为54.4 m。10-2#煤层垮落带最大高度为9.2 m，导水裂缝带高度为35 m。高层建筑物建成后会造成9#煤层采空区二次活化，10-2#煤层采空区也会受到叠加活化效应的影响；待建立18F高层建筑物后，地表发生二次沉降，地基下沉最大值为56.5 mm；9#煤层、10-2#煤层采空区注浆充填后，地表沉降减小至6.58 mm左右，表明采用地面预注浆工艺能够保证18F高层建筑物的稳定。

老采空区 高层建筑物 稳定性评估 地面预注浆

AbstractAiming at the poor stability of high-rise buildings above old gobs, the stability evaluation of proposed high-rise buildings above old gobs was studied by theoretical analysis and numerical simulation, which concluded that the maximum height of caving zone and water flowing fractured zone of No. 9 coal seam were 12.4 m and 54.4 m respectively, while that of No. 10-2 coal seam were 9.2 m and 35 m respectively. The gobs of No. 9 coal seam would reactivate after the completion of high-rise buildings, so that the gobs of No. 10-2 coal seam would be affected by superposition activation; the ground secondary settlement would be observed, and the foundation's maximum subsidence was 56.5 mm; after grouting in gobs of No. 9 coal seam and No. 10-2 coal seam, the maximum subsidence of foundation reduced to 6.58 mm. The results showed that ground pre-grouting technique could ensure the stability of the 18F high-rise buildings.

Keywordsold gobs, high-rise building, stability evaluation, ground pre-grouting

随着我国城镇化建设不断发展，老矿区改造为生活区的工程逐渐增多。在自重应力作用下老采空区上覆岩层沉降变形已经趋于稳定。但是，在老采空区上方建设高层建筑会产生新的附加应力，很可能会发生采空区上覆岩层的二次沉降与压密，使地表发生竖向沉降与水平变形，从而导致高层建筑物地基的倾斜、曲率和水平变形，最终造成建筑物倒塌等事故。所以在老采空区上方建设高层建筑物之前，需要针对老采空区拟建高层建筑物稳定性进行评估。

以山东省济南市章丘区某拟开发住宅小区为背景，利用理论分析与数值模拟手段，对浅部老采空区上方拟建高层建筑物稳定性进行评估。为老采空区改造生活区推广和安全保障提供技术支撑。

1 工程背景

山东省济南市章丘区某拟开发住宅小区地处于原圣井煤矿老采空区上方。该煤矿只开采3#煤层、9#煤层、10-2#煤层，采煤方法为走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板，煤层倾角平均为7°。3#煤层埋藏深度为35 m，厚度为1.21 m；9#煤层埋藏深度为125 m，厚度为1.9 m；10-2#煤层埋藏深度为170 m，厚度为2.12 m。

老采空区上方拟建设18层高层建筑物，拟建场地正下方为3#煤层、9#煤层、10-2#煤层采空区，其中3#煤层已经利用地面预注浆充填完毕。

2 拟建高层建筑物对老采空区覆岩稳定性影响评估

2.1 拟建建筑物荷载影响深度计算

煤层回采后，上覆岩层会形成破裂带、垮落带、裂隙带。虽然覆岩经过长时间的自然下沉，但仍不可避免地存在区域裂缝、离层，使老采空区的覆岩抗压、抗剪强度远低于原始岩层。处于相对稳定状态的上覆岩层如果受到了附加力，则很容易发生二次沉降，从而导致建筑物倾斜，影响建筑物安全。

根据《建筑地基基础设计规范》规定，一般当地基中附加应力等于相应位置处自重应力的10%时，可以认为该深度处建筑物荷载产生的影响可以忽略不计。根据均布荷载作用下条形地基附加应力的计算方法，可得下式：

(1)

式中：H——建筑物荷载对地基影响深度，m；

p——基础地面均布荷载值，kPa；

γ——岩层平均容重， kN/m3。

18层建筑物基础地面均布荷载值为4121 kPa，冲积层平均容重取19 kN/m3，底界深度取15 m，下部基岩层平均容重取21 kN/m3。带入到式(1)中，求得拟建18层建筑物荷载对地基的计算影响深度取50 m。

2.2 采空区上覆岩层破坏高度计算

圣井煤矿采用走向长壁式采煤方法，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》，岩层垮落带和裂隙带高度可根据岩层性质进行计算。9#煤层、10-2#煤层上覆岩层以灰岩为主，砂岩、泥岩砂质为辅，垮落带、导水裂隙带高度按中硬岩层计算。

式中：Hm——垮落带厚度，m；

Hi——导水裂隙带厚度，m；

∑M——累计采厚， 9#煤层累计采厚不大于8 m，10-2#煤层采厚不大于5 m。

带入公式(2)、(3)可得9#煤层垮落带最大高度为14.3～19.34 m，导水裂隙带高度为65.17～82.9 m。10-2#煤层垮落带最大高度为16.3～21.3 m，导水裂隙带高度为37 m。

2.3 拟建高层建筑物对老采空区覆岩稳定性影响

将采空区顶板埋深H与垮落带高度Hm、导水裂隙带高度Hi、18层建筑物附加荷载影响深度H0、荷载影响深度的安全距离Hs之和进行对比。H≤Hm+Hi+H0+Hs，表明高层建筑物建成后会造成采空区二次活化。

9#煤层采空区顶板埋深为125～156 m，10-2#煤层采空区顶板埋深为170～185 m。可知，高层建筑物建成后会造成9#煤层采空区二次活化，但不会对10-2#煤层采空区产生影响。

9#煤层和10-2#煤层之间最小距离约26.4 m，小于10-2#煤层采空区垮落带高度。因此，两煤层之间的叠加效应很大，必须考虑9#煤层和10-2#煤层采空区活化叠加效应。由于叠加活化效应计算非常复杂，本文采用数值模拟软件进行计算。

3 老采空区拟建高层建筑物稳定性分析及地表沉降治理效果预测

3.1 数值计算模型的建立

选取ANSYS数值模拟软件，以原圣井煤矿矿区东部已开采的3#煤层、9#煤层、10-2#煤层工作面为地质原型。3#煤层完成注浆后，对采空区上方建设18层高层建筑后的覆岩沉陷规律进行数值模拟。旨在分析老采空区拟建高层建筑物稳定性，预测9#煤层、10-2#煤层注浆后地表沉降治理效果。

按照工程背景建立模型，如图1所示，模型尺寸200 m×200 m×200 m(长×宽×高)，共计16800个单元、19393个节点。将18层楼简化为46 m×12.1 m×60 m(长×宽×高)的立方体。两栋18层建筑的楼间距为14 m。模型计算采用Drucker-Prager准则计算。

图1 数值计算模型

3.2 岩石力学参数及边界条件

数值模拟计算所用煤岩物理力学参数主要来自于实验室数据，具体岩层力学基本参数见表1。

模型四周和底部为位移边界，重力加速度取9.8 m/s2，计算采用了自适应阻尼。

3.3 老采空区拟建高层建筑物稳定性分析

建立18层建筑物后，地面垂直位移和水平位移如图2、图3所示。

图2 垂直位移云图

表1 岩层力学基本参数

图3 水平位移云图

由图2、图3可知，待建立18层建筑物后，地表发生二次沉降。9#煤层、10-2#煤层采空区二次活化导致高层建筑物地基下沉最大值为56.5 mm。地表沿地层倾斜方向有15 mm的水平位移，严重威胁18层建筑物地基的稳定性。两个高层建筑物之间的地表向上隆起36 mm，左侧建筑物向左水平位移为16.4 mm，右侧建筑物向右水平位移为15.1 mm。超过了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中关于建筑物损坏的3 mm规定。可见两楼层将会出现不均匀沉降，极有可能会出现相向倾斜的现象。

高层建筑物mise应力云图和水平位移云图见图4、图5。

由图4、图5可知，高层建筑物地基部分的等效应力达到43.2 MPa，超过地基基础混凝土抗压强度。表明如不注浆充填9#煤层、10-2#煤层采空区，建设的18层高层建筑物将会相向倾斜，基础破裂，严重威胁距离较近的18层建筑物的安全。

图4 18F mise应力云图

图5 18F水平位移云图

3.4 地表沉降治理效果预测

对9#煤层、10-2#煤层采空区进行注浆充填后地表垂直位移情况如图6所示。

图6 注浆后垂直位移云图

由图6可知，当对9#煤层、10-2#煤层采空区进行注浆充填后，地表自然沉降约为1 mm，可以忽略不计。表明9#煤层、10-2#煤层采空区注浆充填能够有效防治地表沉陷。

采空区注浆充填前后建筑物和地表位移对比情况如表1所示。

表1 采空区注浆充填前后对比表

由表1可知，9#煤层、10-2#煤层采空区注浆充填，建设18层高层建筑物后地表沉降减小至6.58 mm左右，远小于地表沉降控制在30 mm范围以内的施工要求；地表沿地层倾斜方向有0.52 mm的水平位移，可以忽略不计。

18层高层建筑物地基部分的等效应力减小至9.17 MPa，小于混凝土的抗拉强度；左侧建筑物的桩基向左水平位移减小至2.28 mm，右侧建筑物的桩基向右水平位移减小至1.6 mm。表明采用地面预注浆工艺充填9#煤层、10-2#采空区能够有效减小高层建筑物修建后导致的地表沉降值，保证18层高层建筑物的稳定。

4 结论

本文通过理论分析与数值模拟，对浅部老采空区上方拟建高层建筑物稳定性进行评估，得出有以下几个结论：

(1)根据均布荷载作用下条形地基附加应力的计算方法，求得拟建18层建筑物荷载对地基的计算影响深度约为50 m。

(2)利用理论分析求得9#煤层垮落带最大高度为19.34 m，导水裂隙带高度为82.9 m。10-2#煤层垮落带最大高度为21.3 m，导水裂缝带高度为37 m。根据松散层及其中粘性土层厚度，保护岩层的安全距离为10 m。高层建筑物建成后会造成9#煤层采空区二次活化，不会对10-2#煤层采空区产生影响，但要考虑采空区叠加活化效应。

(3)由数值模拟可知，待建立18层高层建筑物后，地表发生二次沉降。地基下沉最大值为56.5 mm。两个18层高层建筑物之间的地表向上隆起36 mm，左侧建筑物水平位移向左为16.4 mm，右侧建筑物水平位移向右为15.1 mm。地基部分的等效应力达到43.2 MPa，均超过了规范，严重威胁距离较近的18层建筑物的安全。

(4)由数值模拟可知，9#煤层、10-2#煤层采空区注浆充填后，建立高层建筑物，地表沉降减小至6.58 mm左右，左侧建筑物的桩基向左水平位移减小至2.28 mm，右侧建筑物的桩基向右水平位移减小至1.6 mm。表明采用地面预注浆工艺充填9#煤层、10-2#煤层采空区能够有效减小高层建筑物修建后导致的地表沉降值，保证18层高层建筑物的稳定。

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(责任编辑 郭东芝)

Stabilityevaluationofproposedhigh-risebuildingsaboveoldgobs

Liu Shujie1,2

(1. Mines Construction Research Branch of China Coal Science Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2.Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

TD353

A

刘书杰. 老采空区上方拟建高层建筑物稳定性评估[J]. 中国煤炭，2017，43(9)：68-72. Liu Shujie. Stability evaluation of proposed high-rise buildings above old gobs[J]. China Coal, 2017, 43(9)：68-72.

刘书杰(1981-)，男，河北保定人，硕士研究生，副研究员，主要从事注浆及钻探技术研究。