兖州矿区采煤塌陷区建筑物地基稳定性评价

郑 辉

（兖州煤业股份有限公司 ，山东 邹城 273500）

0 引言

在采煤塌陷区上方进行职工住宅建设，对地基稳定性评价具有极其重要的意义。以兖州矿区兴隆庄煤矿采煤塌陷区职工住宅建设为背景，分析了兴隆庄煤矿的概率积分法预计参数，构建了残余下沉系数与时间关系式。通过分析职工小区的地质采矿条件，选择合适的已沉降及残余沉降的概率积分法预测参数，计算了目前已经发生的沉降和今后残余的沉降；分析了建筑物荷载、地震、地下水对老采空区“活化”影响，同时分析了残余移动变形对建筑物的影响，得出职工住宅小区处于稳沉区域，残余沉降小于建筑物的允许变形量；对职工小区范围内建筑物提出了一些抗变形保护措施。

1 地表沉陷实测资料及地表沉陷规律研究

兴隆庄煤矿原设计生产能力为年产原煤300万t，服务年限97.87年。1974年上半年筹备，1975年2月破土动工，1981年12月建成投产。1985年12月达到设计生产能力。目前主要是开采厚度为8.29m左右的3#煤。主要开采方法为走向（或者倾向）长壁综采放顶煤一次采全厚采煤方法。兴隆庄矿位于兖州向斜的北翼的单斜构造，其地层自下而上为：奥陶系、石炭-二叠系、侏罗系、第四系。采区内煤、岩层产状比较平缓，倾角2°～15°，一般为3°～5°左右。

4326观测站分析 4326综放工作面的井下标高为-471m～-425m，工作面的开采深度为470m～517m，工作面的开采面积约为427230m2。工作面的走向长度为1410m，倾向长度为300m。工作面开采时间为2001年8月，结束时间为2002年9月。开采的3号煤层位于下二迭统山西组底部，平均煤厚为8.6m，煤层倾角平均6°。

根据实际情况，布设了2条观测测线：1条为走向线，1条为全伪倾向线。观测时间为2001年11月至2003年3月，观测站共计观测了30次。结合现场实际观测数据和地质采矿条件，经过综合对比分析，确定4326观测站现场实际观测数据处理的概率积分法求参结果如下：

下沉系数q为： 0.830

水平移动系数b为： 0.270

主要影响角正切tgβ为： 2.450

开采影响传播角θ为： 90°－0.5α

拐点偏距S平均为： 0.07H

2 开采沉陷现状及残余沉降预测分析

残余沉降参数分析。

基本原理：从最大下沉速度所对应时刻开始，求取之后任意时刻与此时刻之间的下沉差值，获得此后任意时刻与最大下沉时刻下沉差值与时间对应关系。根据各个区间下沉差值，反求其概率积分法预测参数。对各参数及对应时间进行分析，获取各参数的极限值。根据参数极限值与某时刻参数值，求取相应的地表移动变形，则两者之差为某时刻之后的残余移动变形量。分析模型参数与地质采矿条件关系，构建本地区残余沉降预测参数与地质采矿之间的预计模型。

上述理论中完全稳定时刻的时间无法确定，因此将上述理论进行改正如下：

1）从最大下沉速度所对应时刻开始，求取之后任意时刻与此时刻之间的下沉差值，获得此后任意时刻与最大下沉时刻下沉差值与时间对应关系。

2）根据各个区间下沉差值，反求其概率积分法预测参数。

3）对各参数及对应时间进行分析，获取各参数的极限值。

4）根据参数极限值与某时刻参数值，求取相应的地表移动变形，则两者之差为某时刻之后的残余移动变形量。

5）分析模型参数与地质采矿条件关系，构建本地区残余沉降预测参数与地质采矿之间的预计模型。

图1 模型原理图

由中国矿业大学开采损害及防护研究所所研制的“矿区开采沉陷预测预报系统”，反演求参获得下沉系数见表1：

表1 下沉系数

下沉速度与时间（从最大下沉速度时刻之后）关系满足乘幂关系。其数学关系式为：

图2 残余下沉系数与时间关系图

由观测站数据所求得的残余变形下沉系数与时间关系式可以进一步总结为：

式中：a、b为地质采矿系数。

3 老采空区地基稳定性分析

老采空区二次移动主要因为离层裂隙的闭合、岩石压缩与空洞空隙压密。主要原因如下：

1）在采空区上方的上覆岩层载荷长期压力作用情况下，破碎岩体发生长期地、渐变地、缓慢地流变及蠕变变形。

2）在空气、地下水等因素的作用下，导致破碎岩体的风化，从而引起岩石强度的衰减，在采空区上方的上覆岩层载荷长期压力作用情况下产生再次压实。

3）由于地震、邻近爆破作业或工作面开采造成的扰动作用力、地面建筑物附加荷载、构造应力等外部因素作用情况下，引起采空区上覆岩体结构的再次失稳。

利用预测参数，通过MSPS系统进行地表移动变形预计计算，截止到2011年4月为止，根据预计计算结果，职工住宅小区地面已经产生的移动变形最大值见表2：

表2 职工住宅小区已产生的移动变形最大值

表3 职工小区地表最大残余移动变形值

建筑物载荷对老采空区二次移动变形的影响分析：该区域导水裂缝带顶端距离地表的深度为243.6m（采深310-导水裂缝带66.4m），6层楼引起的附加应力影响深度小于40m，不会直接引起老采空区的二次移动变形。根据废弃老采空区地表残余移动变形预计分析结果，并对照建筑物评定标准，本区域废弃采空区的残余移动变形量基本不会导致建筑物损害。兴隆庄煤矿职工住宅小区区域处于稳沉区域。在稳沉区域内，地表的废弃采空区残余移动变形量较小，没有超出国家规定的建（构）筑物允许变形范围，因而其不会引起本范围内的建（构）筑物损害。计算的残余移动变形量是废弃采空区产生的最大残余移动变形量，这一残余移动变形量将在今后很长一段时间内缓慢地、逐渐地发生，若不受到特殊因素影响（如地震等），不会集中突然出现，因此，在兴隆庄煤矿职工住宅小区范围内进行建（构）筑物的建设是安全、可行的。但需要注意的是，由于兴隆庄煤矿二采区的地层潜水位较高，对今后兴隆庄煤矿职工住宅小区的工程建设带来一定的不利影响，应根据实际情况采取相应的技术方法、措施。

4 采空区地基处理和建筑结构抗变形措施研究

通过废弃采空区残余沉降预测分析与地基稳定性分析，该区域3号煤层采深较大（310m左右），均采取采出率高的长壁分层综采或综采开采，开采后上覆岩层结构破坏充分。虽在地应力、长期的地下水弱化、附近开采影响下，此处采空区可能二次移动变形，其主要表现为破裂岩体的缓慢蠕变与流变、再次压密，进而引起上方地表可能发生一定的残余移动变形，除采空区边界可能存在的空洞空隙对废弃采空区二次移动变形影响较大外，根据国内外研究，一般在职工住宅小区的地质采矿条件下，这种残余移动变形的发生将是一个渐变的、大范围与长期的缓慢过程。依据该区域废弃采空区赋存特征、岩体岩性与结构、地表残余移动变形预测结果，并结合建筑物载荷及结构特征情况，不需要对废弃采空区内部的破裂、破碎等不良岩体采取进一步加固处理等措施，即不需要进行特殊的地下采空区处理，而应该重点考虑在为兴隆庄煤矿职工住宅小区建（构）筑物的抗变形地面保护方法与措施。

1）对于长度较长的建筑物应设置变形缝，第一各个独立单元的长度（即变形缝的间距）在35米以内为宜；第二变形缝必须从楼顶向下到基础设置成一条贯通缝，使其两边不能相互影响；第三是不同类型建筑物的连接处、高低变化较大处、基础不同处等位置都应设置沉降变形缝。

2）对位于工作面上方的建筑物进行适当调整，尽量不使建筑物跨越采空区边界，以减小不均匀变形对建筑物的影响。

3）各个高层建筑物的首层、二层结构与建筑物基础的配筋在计算时，除了应考虑建筑物地基持力层的正常工程地质条件外，还应该考虑废弃采空区二次移动变形引起的不均匀移动变形量。

职工住宅小区由于地面沉降积水，采用煤矸石回填，而根据本区建筑物地基采用阀板基础，地基承载力要求不小于150kPa，煤矸石地基难以满足该要求，必须进行处理。目前国内外对于地基处理主要采用三种方法：①深基坑，通过开挖深基坑寻求符合地基承载能力的地层；②桩基，通过灌注摩檫桩，达到地基设计能力；③强夯，通过强夯处理，满足地基能力要求。由于本区域煤矸石埋藏深度变化在8.8m～13.8m，采用深基坑方法需要开挖大量煤矸石，工程量大，不采用。对于桩基，也同样由于煤矸石摩檫能力较小，桩基要求深度大，费用高，不采用，因此本区设计采用强夯的方法处理煤矸石地基。

5 结 论

在对职工住宅小区下地质采矿资料分析基础上，基于大量观测站现场实测资料的整理与分析，进行了该区域地表现状地表移动变形与残余地表移动变形预计，分析了废弃采空区的建筑物地基稳定性，提出了职工住宅小区建设的结构措施和地基处理措施，主要结论如下：

1）分析了兴隆庄矿4326两个观测站的观测资料，建立了边界角、移动角与表土基岩厚度比之间的数学关系式，同时确定兴隆庄煤矿综放工作面情况下的概率积分法预测参数下沉系数q为0.830，水平移动系数b为0.270，主要影响角正切tgβ为2.450，开采影响传播角θ为90°－0.5α，拐点偏距S平均为0.07H。

2）根据最大下沉速度之后的观测数据，构建残余下沉系数与时间关系为，并通过多个不同矿区实测下沉速度与下沉关系证明了该关系的可靠性和正确性，为残余沉降预测参数选取提供方法。

3）根据本地区实际情况，确定合理参数，通过计算获得职工住宅小区区域已完成的地表沉降量在0～5000mm之间。最大残余地表移动变形量为：最大下沉量约为162mm，最大倾斜量约为0.850mm/m，最大曲率值约为0.004mm/m2，最大压缩变形值约为0.25mm/m，最大拉伸变形值约为0.40mm/m。

4）通过残余变形对建筑物影响分析、建（构）筑物载荷影响深度计算分析、地下水与地震活动的影响分析，职工住宅小区处于稳沉区域，可以其上方进行职工住宅建设。

5）针对该区域地质采矿、工程地质情况，提出了设置变形缝、调整建筑物位置、地基处理等抗变形保护措施，并对地基处理方法--强夯法的作业工艺、夯击能量、夯击点布置、处理范围、强夯施工及褥垫层施工要求进行了分析设计。