叶 海 东

(山西省勘察设计研究院，山西 太原 030013)

离石区某老采空区在建筑物荷载作用下的稳定性分析

叶 海 东

(山西省勘察设计研究院，山西 太原 030013)

结合离石区某煤矿的工程地质条件以及场地的采煤情况，探讨了场地采空区的基本特征，对采空区地基“活化”进行了分析，通过临界开采深度法、建筑物荷载影响深度计算法，评价了采空区地基的稳定性，为采空区的后期治理提供了依据。

采空区，场地，稳定性，评价

0 引言

地下固体矿产被开采后留下的空洞区及其围岩变形失稳产生位移、开裂、破碎垮落，直至上覆岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形与破坏的地区，统称为采空区。

吕梁市离石区是山西重要的煤炭能源基地，经过不同时期的多次长期采掘，形成了大规模、大范围的多层采空塌陷区。由于大部分采空区地表变形已基本完成，多属老采空区。而在矿区的建设中老采空区在建筑物附加荷载作用下使冒落带、裂隙带的岩体发生再压密，使尚未完全垮落的暗空场发生再冒落，导致地表产生附加变形和移动，进而使新建建筑物发生沉降、开裂、倾斜等问题。老采空区问题已成为矿区建设的重要制约因素。以下仅就离石区某煤矿老采空区在新建建筑物荷载作用下进行稳定性分析，对其是否需要治理提出建议。

1 工程概况

吕梁市离石区某煤矿新建原煤原煤仓2座，直径均为21 m，采用筏板基础，单仓荷重为23 650 t，基底压力约为680 kPa，室外场地整平标高为905.0 m。

2 场地工程地质条件

拟建场地位于晋西北黄土高原，属吕梁山中段西侧的中低山区、黄土丘陵区，地形起伏较大，场地冲沟发育。井田位于吕梁复背斜的次级构造王家会—王老婆山背斜西翼。受区域构造控制，井田内构造整体为一走向北东、倾向北西的单斜构造，地层倾角变化不大，基本在5°～8°之间。此外井田内未发现断层、陷落柱等构造现象。

根据该项目岩土工程勘察资料拟建场地地基土主要由人工填土、冲洪积相卵砾石及二叠系下统山西组泥岩、砂岩、石炭系上统太原组泥岩、砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、煤、石灰岩等组成。

3 场地采空区地基稳定性分析

3.1 场地采煤情况调查

该井田内可采煤层主要包括5号，8号，9号煤，具体采煤及采空区情况为：

1)5号煤。

2)8号煤层。

3)9号煤层。

3.2 场地采空区基本特征

拟建场地采空区属于多层采空区，分别为5号，8号，9号煤层采空区，根据煤层开采时间各采空区均属于老采空区。

5号煤层采空区根据采掘工程井上下对照图，分布于场地内大部分地段，井田范围内基本采空，系老采空区，开采时间为1958年前，采用以掘代采采煤方式进行开采，煤层开采厚度2.0 m左右，系小窑开采，资料缺乏，直接顶为粉砂岩，厚1.6m，顶板已冒落。采深约为20.0 m～25.0 m，采深采厚比约10.0～12.5，属于浅层采空区，采空区上部岩层较为破碎，局部地段残留煤线，由于开采年代久远，地表变形基本结束。

8号煤层采空区勘察物探测试结果平面分布呈不规则状，其开采时间为2003年～2004年，采用巷柱式开采，顶板管理方式为全部垮落法，放顶后地面曾出现过塌陷，直接顶为石灰岩，厚2.5 m。采煤厚度约3.0 m，采煤深度为61.70 m～79.85 m，采深采厚比为20.6～26.6，属于浅层采空区。

9号煤层开采方式为长壁式炮采采煤方法，工作面长度80 m，顶板管理方式为自由垮落法，属于非充分开采，开采时间为2004年～2005年，采煤厚度约3.0 m，采煤深度为72.5 m～92.0 m，采深采厚比为24.1～30.7，属于浅层采空区。

根据现场调查资料目前场地内以上各煤层采空区引起的地表移动和变形在空间上和时间上是不连续的，地表移动和变形没有严格的规律性，地表出现较大的裂缝和台阶状塌陷坑或塌陷盆地，该多层采空区引起的地表变形属于非充分开采条件下非连续的地表变形。

3.3 场地采空区地基稳定性分析

3.3.1 采空区地基“活化”分析

地下煤层开采结束后，经过一定时间，地表变形引起的沉陷会逐渐减小，但采空区冒落后产生的暗空场(地下空洞)、上部地层的离层、裂隙以及冒落带的欠压密等残余变形现象仍将长期存在，在没有外部荷载的影响下老采空区地表仍会有部分残余沉降变形，但若在采空区上方地表新建建筑物时，由于上部结构荷载通过基础在地下一定深度范围内产生附加应力，当这个深度与老采空区的冒落带、裂隙带相互交叠时，就会破坏冒落带、裂隙带业已平衡的应力状态，使岩层重新发生沉降移动，发生老采空区的“活化”，进而使建筑物沉降、局部开裂、倾斜甚至倒塌。同时也可能使场地内尚未完全垮落的采空区(暗空场)在附加荷载的作用下垮落，致使岩体内部再次沉降、移动，进而影响新建建筑物的稳定性和安全。

老采空区“活化”引起的地表移动与变形主要包括两种情况，一是老采空区冒落带、裂隙带岩石中在上部建筑物的附加荷载作用下再压实引起地表的移动和变形，这种移动与变形的特点是变形较为均匀，变化较为平缓。根据资料其变形值约占已发生的地表沉陷量的5%～15%，因此新建建筑物应考虑一定的活化变形值，应采取相应的抗变形措施，才能保证建筑物的安全。二是在附加荷载的作用下尚未完全垮落的暗空场顶板重新垮落引起的地表移动和变形，这类地表变形处理不当会发生灾难性事件。

3.3.2 采空区地基稳定性评价

1)临界开采深度法。

本矿各煤层采深采厚比小，一般在10.0～30.7之间，均属于浅层采空区，根据GB 50021-2001岩土工程勘察规范(2009年版)，当采深采厚比小于30时，可根据建筑物基底压力、采空区埋深、范围和上覆岩层的性质等评价地基的稳定性，按《工程地质手册(第4版)》(工程地质手册编委会)其计算公式：

其中，H0为开采临界深度，m；B为巷道宽度，m；γ为岩石比重，t/m3；φ为岩石内摩擦角，(°)；P0为建筑物基底压力，kN/m2。

具体判别标准为：

当H1.5H0时，地基稳定，不需治理。

场地采空区临界深度计算表见表1。

表1 场地采空区临界深度计算表

根据以上计算结果，在不同宽度的巷道场地其临界开采深度最小为90 m，而本场地5号，8号，9号煤采煤深度分别为20.0 m～25.0 m,61.70 m～79.85 m,72.35 m～92.00 m，基本上均小于临界深度，因此其各层采空区地基不稳定，需要重点治理。

2)建筑物荷载影响深度计算法。

采动稳定后的垮落带和裂隙带处于相对平衡状态，在受到建筑物荷载作用后其平衡状态将被破坏，从而引起采动破损岩体的二次或多次移动及变形，即“活化”，继而导致地基沉陷和变形的加剧，因此因建筑物荷载作用引起的采动破碎岩土体的活化的临界深度至少为建筑物荷载影响深度和垮裂带最大高度之和。当实际采深大于HC时，建筑荷载不会使垮落断裂带重新移动；当实际采深小于HC时，覆岩和地表会再次发生较大的不均匀移动。

计算公式为：

HC≥HDZ+Hmax。

σZ=αP0。

其中，HC为建筑物荷载作用引起的采动破碎岩土体的活化的临界深度，m；HDZ为建筑物荷载影响深度，m；Hmax为垮裂带最大高度，m；σZ为地基附加应力，kPa；σC为上覆地基土总重量，kPa；γi为地基中各层土、岩石的容重，kN/m3；hi为地基中各层土、岩石的厚度，m，该场地上部土层厚取10 m，土层计算容重取18 kN/m3，以下岩层容重取25 kN/m3；α为竖向附加应力系数；P0为作用于基础底面平均附加压力，kN/m2；本工程按均布圆形荷载计算地基附加应力。考虑到岩土的复杂性及安全性，采用地基附加应力相当于地基自重应力10%处深度作为建筑荷载影响深度。具体计算过程见表2。

表2 建筑物荷载影响深度计算表

根据以上计算拟建建筑物荷载影响深度可按55.0 m考虑，根据以上计算场地内采空区冒裂带高度为25.0 m～30.0 m，按此考虑时，HDZ+Hmax=80.0 m～85.0 m，而本场地各煤层采深为20.0 m～92.0 m，大部分地段采煤深度小于建筑物荷载作用引起的采动破碎岩土体的活化的临界深度，因此拟建建筑物当然会引起场地内老采空区的“活化”。

4 结语

根据以上分析拟建场地内采空区为地表稳定性较差的采空区，采空区地下空洞率较大，采动破坏严重，同时拟建建筑物荷载较大，对沉降要求敏感，需要采取专门的治理措施。根据采空区的特征可考虑采用全充填压力注浆法进行处理，注浆材料可选用水泥、粉煤灰等浆材。由于老采空区的残余变形的影响，新建建筑物同时也要采取能够抵抗地表残余沉陷变形的抗变形结构技术措施，才能确保新建建筑物的安全。

由于目前对老采空区在建筑物荷载作用下的稳定性评价及地表移动、变形规律研究不是很多，这就造成在采空区建筑地基处理设计中可能忽视了老采空区在附加荷载作用下可能“活化”的影响，为工程建设留下了安全隐患；也可能是对老采空区的稳定性评价及活化的影响认识不全面使得在采空区建筑地基处理设计过于保守，增大了工程建设的费用。开展对老采空区在建筑物荷载作用下的活化分析、稳定性评价研究工作，对避免后期的治理留下隐患或造成过大浪费具有重要的指导作用。

[1] 山西省勘察设计研究院.山西煤炭运销集团某煤业有限责任公司原煤仓采空区勘察报告[R].2012.

[2] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3] GB 50021-2001，岩土工程勘察规范(2009年版)[S].

[4] 张永波.老采空区建筑地基稳定性评价理论与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

Stability analysis on building load in the old mined-out area of Lishi region

YE Hai-dong

(ShanxiAcademyofSurvey&Design,Taiyuan030013,China)

Combining with an Lishi mine engineering geology conditions and minding conditions, the paper explores basic mined-out area features, analyzes the mined-out foundation activity, and evaluates the mined-out area foundation stability with critical mining depth and building load influencing depth calculation method, which has provided some guidance for post mined-out area treatment.

mined area, field, stability, assessment

1009-6825(2014)34-0084-03

2014-09-23

叶海东(1975- )，男，工程师

TU312

A