采空区大型建筑地基沉降量监测技术研究

杨磊

摘要：近年来，随着我国煤矿等资源开采力度的不断加大，煤矿周边逐渐出现了越来越多的采空区。这些采空区上部建筑物建设时，很容易出现严重的沉降问题，从而对建筑物的使用造成不良影响。所以，在煤矿开采过程中，应加强对大型建筑物地基沉降值监测的重视程度。对长壁开采覆岩破坏基本特征进行介绍，通过试验分析的方式，对采空区大型建筑地基沉降值监测技术方法进行分析，根据分析结果提出相应建议，以此为采空区大型建筑物的建设提供支持。

关键词：采空区；大型建筑；地基沉降；监测技术

0   引言

矿区内部通常需要建造大量的大型建筑，以为煤矿开采活动的开展提供支持。然而随着矿区的不断开采，沉陷范围越来越大，导致矿区内部未受或将来也不受开采沉降影响的区域越来越少。这种情况下，很多建筑必须要建设在采空区的上方。

通过大量实践研究可以发现，采空区上部建设的建筑物大多数相对安全，但仍有一小部分则会对建筑造成严重损伤，影响建筑的后续使用。采空区上方的覆岩较为坚硬，整体结构较为稳定，具有较高的承载力，但受到建筑施加应力的影响，依然会出现一定的地基沉降问题[1]。

目前，国内外均对采空区建筑基地沉降问题产生高度重视，并对此展开了大量研究，得到了诸多研究成果。但深入对这些研究分析后可以发现，其中依然存在一些缺陷，如盲目加固、提出的监测方法精确度较低等，在一定程度上影响这些研究成果的应用价值。鉴于此，本文以“采空区大型建筑地基沉降值监测技术”为课题展开了进一步分析，提出一种更加良好的监测方法，为采空区大型建筑地基沉降更好的监控打下了良好基础。

1   长壁开采覆岩破坏的基本特征

现代煤矿开采过程中，常采用长壁采煤法，该方法具有成本较低，准备时间较短等优势[2]。长壁开采结束后，会在采空区上方覆岩中形成垮落带、断裂带与弯曲带，各带具有不同的特点，物理性质存在一定差异，需要根据各带的具体情况，设计出最佳的建筑施工方案，以保证施工活动的顺利进行。

在垮落带处，覆岩存在一定的碎胀性，内部间隙较大，具有良好的连通性。由于其内部有很多孔隙，因而存在较强的可压缩性。针对覆岩的具体情况，又可将其进一步将其划分成两种类型：一种为不规则带，其中的岩块随机分布；另一种为规则带，即岩块规则的分布在区域内。在高度方面，一般为开采厚度的3～5倍，但对于不规则带来说，高度则明显降低，仅有开采厚度的0.7～1.2倍[3]。

对于断裂带来说，处于垮落带的上方，岩层受力水平较高，很容易出现完全形变等问题。上部施加一定的荷载后，一方面会出现与层里面保持垂直的缝隙，另一方面还可产生顺着层里面的离层裂缝。通常情况下，可将垮落带与断裂带看作一体，共同称之为垮落断裂带。该垮落断裂带为覆岩二次移动的主要发源区[4]。

断裂带与地表之间为弯曲带，在开采区的边缘处或周边一定范围内，可能出现大量裂缝，上部较宽一些。随着裂缝深度的不断变深，裂缝宽度也逐渐变窄，直到完全消失为止。如果弯曲带覆土较薄，且裂缝问题较为严重，可导致裂缝深入到断裂带当中[5]。

2   试验分析

2.1   模型构建

本研究当中，分别构建出了两种采空区覆岩模型，分别设置成Q1与Q2，针对本研究需求，结合实验室环境条件，设置模型的相似比例，具体为：线比A1为1/100；容重比Af为0.6；强度比AR为0.006。其剖面结构如图1所示。其中，数字对应的不同材料性质如表1所示。

通过对某矿区岩体相关资料的查找可以发现，对矿井开采时，回采工作面推进距离对覆岩移动的影响最大，而时间的影响则相对较小。

对于本模型来说，主要研究的是采空区沉降稳定后，后续建设的大型建筑使地基产生的二次沉降。所以本研究当中，忽略了时间因素的影响，只是按照一定时间作为一个周期，逐渐完成煤矿开采工作。每个周期的开采距离控制在10cm左右，直到完成整个开采工作为止。

开采完成后，针对监测结果，判断沉陷是否稳定，待沉陷稳定后，在模型上加载拟建建筑的荷载。

2.2   模型分析方法

向模型加载一定荷载后，通过小钢尺法的方式，对地面沉降值予以测量。即按照相关规定要求，结合本研究需求，在模型适当位置处，悬挂一个精确的小钢尺，之后，以Ni1型自动安平精密水准仪为主要工具，对模型沉降值进行测量[6]。

2.3   模型监测结果

构建出上述两种模型后，分别选择已知情况的矿区进行测试。通过测试可以发现，不论是在垮落断裂带分布方面，还是在地表移动变形方面，均与实际情况较为相似，误差很小，可将其忽略不计。

由此表明，本模型模拟效果良好，可将其应用到实际当中。测试当中，模型1设置了5个监测点，编号记作S1、S2、S3、S4、S5，模型2设置了4个监测点，记作P1、P2、P3、P4，各点的监测结果如表2与表3所示。

3   沉降值分析與讨论

3.1   沉降值差异分析

通过实验研究可以发现，若建筑物与采空区相对位置存在差异，所产生的沉降值也存在较大的差距。其中，建筑处于采动区时，产生的沉降值最高，其次为沉陷盆地处，最后为煤柱的上方。

由长壁采空区上方覆岩的破坏特点可知，在采空区的中心位置处，覆岩垮落破坏最为严重，内部结构存在大量缝隙，因而上部施加荷载后，很容易出现很大的沉降值。

在煤柱上方，开采过程中引起的地层变动，依然会对周边岩体造成一定干扰，使覆岩出现一定的沉降。但煤柱可提供一定的支撑力，加之内部缝隙较小，因而所产生的沉降值并不是很大。

而沉陷盆地处于采动区域煤柱之间，缝隙发育中等，因而所产生的沉降值也处于两者之间。覆岩内部裂缝越发育，与地表的距离越接近，上部大型建筑地基所产生的沉降值较高。

由此表明，建筑物建设或使用时，越靠近采空区，所产生的沉降值越高，特别是在边缘区域，这一情况更加显著。

煤矿开采工作的开展，可使不同区域出现不同的裂隙发育特点，受到这一因素的影响，导致建筑地基产生不均匀沉降问题。所以，在采空区建筑建设时，应根据现场具体情况，预留出一定的变形缝，以防止产生不均匀沉降的问题。

3.2   沉降值计算

通过对各测点的测量结果进行观察能够发现，向模型施加一定的荷载后，沉降会在第一时间出现，并在较短的时间内，使沉降速度提升至峰值，之后不断降低。荷载施加的第1年，沉降变化非常活跃，沉降值超过总沉降值的80%，之后沉降速度开始变缓，且维持很长一段时间。

以模型2为例，可根据实测结果值，构建出不同位置的沉降W（k）预测灰色GM（1，1）模型：

3.2.1   P1测点处沉降值

P1測点处位于采空区的上部，与边界相距55m，其计算公式为：

W（k）=4108.52exp[0.0521（k-1）]-3941.52    （1）

其中，k=t/4，t表示荷载施加的具体天数。通过后验差检验可知，该模型的方差比为0.11。按照该模型对数据还原可以发现，其与原始数据的关联度较高，具体值为0.652，表明其预测精度高，可将其应用到实际当中。

3.2.2   P2测点处沉降值

P2测点处位于采空区的上部，与边界相距30m，其计算公式为：

W（k）=2372.55exp[0.0536（k-1）]-2266.55    （2）

通过验差检验可知，该模型的方差比为0.175，关联度为0.729，表明其预测精度高，可将其应用到实际当中。

3.2.3   P4测点处沉降值

P4测点位于煤柱的上部，在边界外10m，其计算公式为：

W（k）=1585.5exp[0.08（k-1）]-1533.5        （3）

通过后验差检验可知，该模型的方差比为0.117，关联度为0.66，表明其预测精度高，可将其应用到实际当中。

3.3   沉降规律总结

通过模型分析开采过程能够发现，采用长壁采煤法时，矿区顶板可出现明显的垮落现象。在矿床边缘处，存在诸多孔洞与眼线。而在中心区域处，则无较大的孔洞。但在软硬岩层交界处，则存在明显的离层问题。

施加荷载后，在浅层处离层裂缝的宽度明显缩减，表明这一区域出现二次位移现象。在深度较大的孔洞处，未出现明显的位移现象，由此表明，开采作业面大大一定深度后，各孔洞与眼线较为稳定，施加较大的荷载后，很少出现较大的沉降问题。

4   结束语

由模拟实验分析可知，在特定的采深工况当中，可在采空区的上方构建大型建筑物。但在工程建设时，应设置变形缝等措施，以控制建筑地基的变形，提升整个建筑施工与后续使用时的安全性。当采煤层较浅，且覆岩破坏较为严重时，要根据地质特点设计出合理的加固措施，以提升地基的稳定性，避免出现大幅度沉降的问题。

采空区上方构建建筑物时，沉降值与三个因素有关：一是建筑所施加荷载的大小，二是与操控区的相对位置，三是岩土层采动破坏程度。其中，采动区中心产生的沉降值最大。沉陷盆地边缘处产生的沉降值相对较低，但沉降值变化幅度较大，对建筑造成的破坏最为严重，因而尽量不在该区域建设建筑物。煤柱的上部产生的沉降值最低，是建筑建设的最佳场所。

建筑地基沉降时，超过80%出现于施加荷载的1年以内，之后逐渐降低，因而应将项目建设后的第1年作为监测重点。

参考文献

[1] 苏敬强.高速铁路紧邻深厚煤矿采空区和地下水超采叠加影响规律研究[J].高速铁路技术，2022，13（3）：7-11+67.

[2] 李水平.铁路穿越盐岩采空区地面沉降预测及工程处理措施研究[J].铁道建筑技术，2022，30（9）：169-173.

[3] 田宏图，王杨.基于InSAR监测技术的隧道病害与采空区沉降相关性分析：以桃坪隧道为例[J].测绘标准化，2022，38（1）：22-24.

[4] 徐涌.浅析新增建筑荷载与下伏煤矿采空区之间的作用规律[J].居舍，2020，7（32）：179-180+164.

[5] 臧建军.采空区上覆地层处理对建筑沉降的影响研究[J].科技创新与应用，2020，11（24）：25-28.

[6] 马宇晶.煤矿采空区电子轻工厂房基础抗变形技术措施[J].石化技术，2020，27（2）：295-296.