原伟强 杨武

摘要：煤矿开采形成了大片的采空区，为合理利用采矿区土地，以平顶山新华区褚庄小学建设场地为例，通过研究老空区地质条件及煤层开采情况，分析建设场地残余变形及建设工程诱发采空塌陷活化的可能性，认为在老采空区新建6层及以下建筑是可行的，对建筑物设计提出了防治措施，为工程建设提供了科学依据。

关键词：老空区；采空塌陷；建筑物

Analysis of foundation stability in GOAF

——Take the construction site of Chu Zhuang Primary School as an example

Yuan Wei-qiang， Yang Wu

No.4 Geology Team， Henan Coalfield Geology Bureau， Zhengzhou 450000

Abstract： Iarge area of GOAF has been formed in coal mining， In order to make rational use of the land in the mining area， taking the construction site of Chuzhuang School in as an example， through the research on geological condition of GOAF and mining conditions， analysis on residual deformation of Construction Site and possibility of Goaf Collapse activation induced by construction project； considered that it is feasible to build building not more than 6 floors； puts forward prevention measures for building design； provides scientific basis for construction.

Key words： Goaf； Mined-out subsidence； Building

1.前言

煤是我国重要的基础能源之一，对我国经济的发展起到了巨大的促进作用[1]。我国采煤沉陷区4500km2～5000km2涉及城乡建设用地[2]。地下煤层开采结束后，即使经过长期的自然塌实，但开采遗留的地下空洞及不规则的岩体裂隙等会长期存在，任何方式的扰动都有可能破坏覆岩中已经形成的平衡，导致采空区上覆岩层的再次变形和移动，从而导致地面建筑物发生沉陷、局部开裂、倾斜等破坏，造成人员严重伤亡和财产损失[3]。随着我国城镇化的快速发展，土地资源变得愈来愈珍贵，尤其是位于城建区的煤矿老采空区，逐渐被利用起来[4]。本文以平顶山新华区褚庄小学建设用地为例，分析残余变形影响下的采煤沉陷区地基稳定性，为项目建设的可行性提供科学的设计依据。

2.建设场地地质条件

建设场地位于三环公司采空塌陷区北部边缘地带，地势北高南低，高程175m左右，地形较平坦。地面上部为1.0m～2.5m的杂填土层，其构成的主要成分为建筑垃圾，结构较松散；下部为第四系中更新统冲洪积沉积层，岩性为粘土及卵石，厚度3.0m～13m。下伏基岩为二叠系的泥岩砂岩互层，厚度约150m。

1962年至1966年三环公司在该区开采己16-17组煤层，平均开采厚度4.0m，开采方法为走向长壁开采法，顶板为全部垮落，開采深度120m～130m，采空区面积2.37km2，塌陷区面积3.18km2，东西长3.13km，南北宽0.7km～1.42km，最大沉陷值3.6m。建设场地位于平煤集团三环公司采煤沉陷区边缘。

3.建设场地残余变形分析

采空区的残余变形对于老空区地基稳定性分析有着重要影响，在老采空区附近进行工程建设时，不仅需要考虑新建建筑物产生的附加荷载对采空区上覆岩层稳定性的影响，同时还需要考虑采空区上覆岩层残余变形[8]。建设场地下部采空区形成已有50多年，本次采用概率积分法[9]来分析建设场地采空区的残余变形。

结合建设场地下部煤层的覆岩岩性、煤层开采情况等，参考平顶山矿区的地表移动参数和“三下”采煤规程，选取参数如表1所示。

按照上述选取的地表移动参数进行计算，预测建设场地地表最大残余水平变形值0.55mm/m，最大残余曲率变形值0.028×10-3/m，最大倾斜残余变形值1.2mm/m。依据“三下采煤”评价指标，拟建建筑损坏等级为Ⅰ，损坏分类为极轻微。

4.建设工程诱发采空塌陷活化分析

煤炭科学研究总院唐山研究院腾永海等提出了附加应力分析法，即综合考虑建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带发育高度两者的和，来判断采空区垮落断裂带是否因新建建筑荷载扰动而重新移动，从而判断下伏空洞对建筑物地基的危害[5]。

4.1冒落带、裂隙带高度

煤层开采后的产生的垮落带、垮落裂隙带的发育高度选取计算公式[6]如下：

根据己组煤层厚度与分层层数（n取1），代入上述公式，计算得出己组煤层回采垮落带高度为12m～16m，垮落裂隙带高度为62m。

4.2建筑物荷载影响深度

（1）土的自重应力

建造建筑物之前，构成地基土体本身的有效重量引起的应力为土的自重应力。我们可以将土体概化为半无限空间弹性体，可以认为土体在水平方向与及地面以下深度z（m）方向均为无限场。位于地面之下z（m）深度处由土的自重所引起的竖向应力应等于单位土体的重力。地基中自重应力用下式计算[7]：

本次假设拟建项目区建筑物按长30m、宽15m，拟建层数按照实际情况考虑2层～6层，基础埋深取3.0m，建筑物单层建筑面积荷载预计为18kN/m2。

同时，本次我们假设建筑荷载作用在建筑平面等同大小的矩形基础上，依据均布矩形荷载进行计算地基附加应力。式中的竖向附加应力系数k可通过查表获取。地基附加应力分布规律为随深度增加而减小，而地基中自重应力分布规律为随深度增加而增大。当地基附加应力相当于地基自重應力百分之十的深度时，该处即为建筑荷载影响深度。本次计算地基附加应力从基础底面开始算起，地基自重应力从地面开始算起，两者相差基础埋深，即3.0m，建筑物荷载影响深度亦是从地面算起。通过本次计算，拟建2层～6层建筑物的荷载影响深度依次为19.5m、22m、24m，见表2。

4.3采空区地基稳定性分析

在煤层开采后，采空区形成的垮落断裂带不受新建建筑物的建筑荷载扰动而重新移动时，最小临界采深（H临）应该大于最大垮落裂隙带高度（H裂）与建筑荷载影响深度（H影）之和，即：H临>H裂+H影。依据前面计算，拟建区垮落裂隙带高度为62m，拟建6层建筑物的荷载影响深度为24m，两者之和为86m，而建设场地下伏煤层最小开采深度120m。因此，建设场地新建6层及以下建筑的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降，但新建建筑物需采取有效抗变形技术措施。

5.防治措施

新建建筑物采取的抗变形结构技术措施多样，主要有合理设置预留变形缝；避免单体体型应力过于复杂，力求立面和平面平整；建设前应对地基进行加固处理，尽量采用一体式筏板基础；建筑物的基础应设置钢筋混凝土基础梁，且同一单体的钢筋混凝土基础梁应设计成闭合箍，形成一个整体；基础应浅埋，在基础下设置水平滑动层，且同一单体水平滑动层应设置在同一标高上，减轻水平变形造成的破坏；提高墙壁梁、构造柱等加大上部结构刚度与整体性。

6.主要结论及建议

通过对建设场地地质条件与采空影响的分析，确定了建设场地新建6层及以下建筑物是可行的，但新建建筑物需采取合理而有效的抗变形技术措施。

参考文献：

[1]李凤明.我国采煤沉陷区治理技术现状及发展趋势[J].煤矿开采， 2011， 16（03）： 8-10.

[2]胡炳南，郭文砚.我国采煤沉陷区现状、综合治理模式及治理建议[J].煤矿开采， 2018， 23（02）： 1-4.

[3]翟淑花，王翊虹，冒建，刘欢欢.老旧采煤塌陷区动态监测及其稳定性初步分析[J].城市地质， 2017， 12（04）： 53-57.

[4]李昌存，苑永健，等.采空区建高层可行性分析[J].四川建筑科学研究， 2012， 38（02）： 134-138.

[5]孙占法.老采空区埋深对其上方建筑地基稳定性影响的数值模拟研究[D].太原理工大学硕士学位论文， 2002： 16-17.

[6]煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准[S]. MT/ T1091-2008.

[7]高大钊.土力学与基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社， 1998： 43-44.

[8]解陈.老采空区地表残余变形预测理论及应用研究[D].沈阳大学硕士学位论文， 2013： 7-8.

[9]国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版社， 2000.

[10]工程地质手册[S].北京：中国建筑工业出版社， 2007.