采空区新建建筑地基稳定性评价

张建军

（河南省煤田地质局物探测量队，河南 郑州 450009）

0 引言

煤矿矿山开采后，上覆岩层产生破坏、变形，使得地面出现沉降、塌陷等现象，而且地表的下沉将持续相当长的一段时间，在采空区上面进行工程建设，可能会出现安全隐患。因此计算地表可能发生位移、变形等参数，对采空区稳定性做出合理评价，对后期工程建设地基处理尤为重要。

1 工程概况

项目区位于焦作市中站区李封井田区范围内，是住宅项目，面积大约是一百多万平米，当前，项目正在规划阶段，预计建设的层数在27 层以下。项目区在太行山脉和豫北平原的交接处，从整体上来看，总体地势西北高，东南低，海拔在177～190m 之间，相对高差13m。根据当地的地质志来看，该项目区在中朝准地台（Ⅰ）、山西台隆、太行山拱断束（Ⅰ44）和华北坳陷济源开封坳陷（Ⅰ44），的交界地带。区域断层有凤凰岭断层和盘古寺断层，附近主要的断层有F6、F7、F8。其中，F6 断层未井田中部大断层之一，断层走向北东，南部下降北部相对上升，落差由西向东逐渐变大，一般在13～67m。F7 断层位于F6 断层和F8 断层中间，走向北东，北部下降南部相对上升，落差大约在8～137m。F8 断层在F7 断层以南和上白作村的西北方向，断层走向被动—南西，北部上升南部相对下降，落差由西向东逐渐变大，一般在40～70m。整体而言，场地地质结构相对比较复杂。

2 采空区建筑地基稳定性数值模拟评估

2.1 地表沉陷规律研究

在对采空区稳定性进行分析时，可以应用概率积分方法，将岩石看成是一种随机的介质，将岩石（地层）层看成是由介质组成的物体，再通过介质理论，将岩层转移看成是随机过程，再对移动值进行计算。从理论研究中可以发现，概率积分法所得出的地表移动、变形值比较接近实际采空区情况。当矿体在得到开采之后，地表就会根据固定的规律形成一个塌陷式的盆地地形，在这个盆地当中的不同位置上也会发生变形或沉降现象。若矿区内的资源都被开采空了之后，地表任意点的最大移动变形值就是Wmax=qmcosα；最大倾斜值为imax=Wmax/r；最大曲率变形值为kmax=±1.52Wmax/r2；最大水平移动数值为Umax=bWmax；最大水平变形数值为εmax=±1.52bWmax/r。

2.2 参数确定

通过对该采空区的地质、开采情况等进行调查，可以得到相关的参数，残余下沉参数是0.03；水平移动参数是0.32；影响角正切是2.1；开采影响传播参数是0.6；拐点的偏移距离参数是0.1h。把这些参数进行整合计算，并使用概率积分法加以预计，就可以得到采空区地表剩余沉降和南北面和东西面剩余倾斜变形、南北面和东西面的剩余水平变形情况。

2.3 计算结果

通过计算可以得出，采空区的地表残余沉降大约在10～200mm 之间；南北向倾斜变形大约在-2.1～2.4mm/m 之间；东西向倾斜变形大约在-2.1～3.3mm/m 之间；南北向水平变形值大约在-1.8～2.4mm/m 之间；东西向水平变形值是-1.5～1.8mm/m 之间。按照相关的规定表示，采空区新建建筑地基会受到一级采动的影响，因为考虑到采空区周围还有部分煤柱没有开采，情况比较复杂，所以为了建设的安全性和稳定性，需要按二级采动对建筑物进行保护。同时，如果要建立较高的楼层，就需要进行合理的规划、可行性分析，实现综合全面的建筑设计，还可以勘查采空区岩土工程，按照最终勘查得出的结果来采取措施。

2.4 附加应力影响深度分析

在采空区上方新建建筑物会使原本的应力发生改变，引起地面变形或沉降现象，通常情况下，如果建筑物荷载产生的附加应力是深度处地基层应力的20%时，就可以忽略不计，但由于地下地质条件复杂，采空区垮落、断裂等不稳定因素，因此，还需将附加应力控制在10%上，方可认为附加应力对该深度处的地基不产生多大影响。采空区新建建筑地基的自重应力公式如下：

在式（1）当中：r1、r2、…、rn-地基当中各层土和岩石的容重，单位为kN/m3；h1、h2、…、hn-地基当中各层土和岩石的厚度，单位为m。项目区的第四系表土层厚度是65m，而表土层的容重为20kN/m3，以下岩层容重为25kN/m3。新建地基的附加应力公式如下：

在式（2）中：k-荷载下的竖向附加应力系数，P0-基础底面平均附加压力。

通过计算可知，F6 断层和F7 断层中间，场地下采空区垮落断裂带顶部距离地表大约99m，而F7 断层和F8 断层之间其距离是42m。考虑到采空区塌陷外扩和老窑采空区等因素，把F7 断层以北采空区垮落断裂带顶部距离地表按25m 来计算，而F7 断层以南则按照42m 来计算。根据计算，建筑物采用桩基时，13～27 层楼房的建筑荷载附加应力影响深度最浅为44m，均不小于垮落断裂带的发育最大埋藏深度42m。因此，拟建场地新建13～27 层住宅楼的建筑是不可行的。综上所述，在整个场地13～27 层楼房建设对采空区的影响程度大；在F7 断裂以北场地3～12 楼房对采空区的影响程度中等，1～2 建筑对采空区的影响程度小；在F7 断裂以南场地7～12 楼房建设对采空区的影响程度中等，1～6 楼房建设对采空区的影响程度小。

3 结束语

在采空区上方新建建筑地基，必须对其稳定性加以分析，通过上述分析可以得知，采空区对于新建建筑地基的影响比较大。可以通过研究地表沉陷规律和确定相关参数，来对其稳定性加以评价，为了确保采空区上方不会出现明显的沉降情况，危及到建筑物的安全，应禁止在采空区的正下方和四周进行煤层开采或者复采，以保证建筑安全性。