张 来 鹏

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

沉陷区地表变形研究及施工建筑物可行性分析

张 来 鹏

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

对煤矿沉陷区形成、地表变形特点及稳定性进行了详细分析，阐述了沉陷区构筑建筑物的相关要求，并以山西某矿区沉陷区为例，对在沉陷区构筑建筑物的可行性进行了分析，该研究对于指导沉陷区构筑建筑物具有一定的借鉴意义。

沉陷区，地表变形，建筑物，可行性分析

人多地少是我国土地资源的基本国情，随着我国土地资源的不断开发和利用，国有建设用地供应日益减少。煤矿的无节制开采破坏了大量的可用土地，煤炭采出后，地表出现移动变形、沉陷和地下水位下降，尤其是山西、内蒙、淮南等部分矿区出现大面积沉陷区，且随着当前煤矿开采能力和强度的提高，沉陷区的发展规模仍呈扩大趋势，资料显示，我国因煤矿开采产生的沉陷区总面积已经超过10 000 km2，超过国土面积的千分之一[1，2]。对于沉陷区治理，目前采取的方式多是进行绿化和复垦，如淮南矿区、平顶山矿区等均采用绿化和复垦来治理沉陷区。但是，随着城市人口的发展和对土地资源的不断需求，通过治理沉陷区来构筑建筑物显得越来越有必要，但是建筑物设计和基础若选择和处理不当则会造成建筑物产生倾斜、开裂甚至坍塌，因此建筑物施工对沉陷区的地表稳定性要求相对较高。

1 煤矿沉陷区概述

1.1 沉陷区形成和地表变形特点

煤矿开采理论和实践表明，煤炭采出后，在采空区顶底板形成自由空间，遭到破坏的原岩应力重新分布促使顶板岩层出现变形破坏，我们根据其变形特点将采空区上部岩层分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。垮落带和裂隙带岩层整体性缺失，且二者无明显界限，其移动变形破坏特点无明显规律，而裂隙带之上的岩层完整性未遭到破坏，在自重作用下出现法向弯曲变形，对地表影响显著，即可形成我们所说的开采沉陷区。沉陷区研究成果表明，地表变形稳定后，其分布曲线形态与概率积分型分布具有相似性，具体特点是：1)下沉曲线特点：地表变形稳定后，塌陷区走向主断面下沉曲线一般位于采空区正上方，下沉曲线各点呈中心对称性，且其拐点向采空区偏移，若井下开采较为充分和均衡，地表下沉曲线出现平底现象，若井下开采不充分，下沉曲线呈现多个漏斗形；2)倾斜曲线特点：地表变形稳定后，沉陷区倾斜曲线上各点以走向主断面最大下沉点为中心呈对称分布，塌陷区左右呈对向倾斜状，对于所开采的呈倾斜状煤层而言，倾斜曲线因煤层开采深度的变化出现非对称分布，浅部煤层倾斜值要稍大于深部煤层；3)水平曲线特点：水平曲线分为移动曲线和变形曲线，其中沉陷区稳定后，水平移动曲线各点指向沉陷区中心，相比于最大下沉点对称分布，充分采动下在沉陷区中部形成水平区，否则是非水平区，对于倾斜煤层而言，水平移动曲线呈非对称状，浅部煤层开采相比于深部煤层开采其最大水平移动值相对要小；4)曲率曲线特点：沉陷区稳定后，充分采动条件下，走向主断面曲率曲线在沉陷区域有正、负两个曲率区，分别位于采空区两侧保护煤柱上方和采空区上方；非充分采动条件下，曲率曲线有两个正曲率区和一个负曲率区；在倾斜主断面上，曲率曲线呈非对称分布，非充分开采时，位于采空区上方最大负曲率值要高于两侧煤柱上方最大正曲率值；充分开采时，浅部煤层开采区域最大正、负曲率均大于深部煤层开采区域正、负曲率值。

1.2 沉陷区地表稳定性分析

沉陷区观测结果表明，当井下开采结束后，会一定程度的引起地表沉陷变形，这种变形随着时间的延续会逐渐变缓直至相对停止，如若对沉陷区地表不予施工任何工程时，此时的地表将会持续保持这种稳定。尽管我们认为沉陷区经过一定时间后地表发生变形基本可以忽略，但是实际上地表变形确是依然继续，即使是在开采后数十年后，地表也会一定程度的产生微量残余沉降变形。在沉陷区进行建筑物构筑时应考虑的也是受地表初期变形和残余变形两个方面的影响，我们认为，在沉陷区相对稳定条件下若将残余变形控制到一定程度，沉陷区建筑物不会受到地表变形的影响，构筑建筑物时期地基稳定性评价只需要考虑建筑物的载荷对沉陷区地表的作用力即可。

2 沉陷区构筑建筑物要求

事实证明，将沉陷区作为建设用地是相对较好的土地利用途径，不仅可以缓解沉陷区外建筑用地的需求，减少耕地使用量，还可以避免沉陷区土地复垦所需的大量投入；同时，在沉陷区构筑建筑物还可以改善矿区职工生活水平，符合城镇化发展趋势，且沉陷区土地费用相对低廉，有利于降低投资成本。但是，在沉陷区条件下构筑建筑物需要遵循一定的技术条件，尽管尚未有系统性的规范形成，但是如《岩土工程勘察规范》《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》等文件对沉陷区建设场地的勘察和建筑物平面布置、设计等进行了相关阐述[3-5]。同时借鉴国外经验，认为在沉陷区构筑建筑物除了需要特殊勘察外，遵循的主要是地基稳定性评价和建筑物抗采动影响设计和施工等。国内外有的资料中也给出了沉陷区适宜构筑建筑物的条件，某些情况下甚至不需要做评价，如地表倾斜小于3 mm/m，地表曲率小于0.2/m的地段等。

3 沉陷区构筑建筑物可行性实例分析

3.1 沉陷区概况

山西某矿区井田走向和倾斜长度分别为4.2 km和1.2 km，井田面积为4.5 km2，所采煤层采深为575 m～698 m，平均为630 m，煤层厚度为3.6 m，工作面上覆岩层以砂岩、石灰岩和页岩为主，开采方式为分区式开采，由于矿区井田范围内煤层赋存条件较好，井下煤层开采较为充分，矿井闭坑时间为1986年，根据地表沉陷观测数据可知，1996年之后地表变形基本可以忽略。

3.2 构筑建筑物可行性分析

理论认为，在沉陷区构筑建筑物应满足两个基本条件，即选取构筑物施工时间要合理和建筑物地基载荷传播深度应处于稳定岩层。构筑建筑物时间要合理是指建筑物构筑时应保证沉陷区地表处于稳定状态，即自沉陷区地表变形至构筑建筑物的时间T1要大于地表变形直至稳定的时间T2。建筑物有一定的自重，其自身载荷会向下传递，如果载荷传递至稳定岩层，则地表建筑物不会出现下沉，如若载荷传递至裂隙带或者垮落带等不稳定岩层，则会造成采空区上方覆岩继续出现下沉、移动等变形，故建筑物地基产生的载荷传播深度不应超过弯曲下沉带。

从时间角度出发，该沉陷区自1986年开始形成，直至1996年基本稳定，距今已近20年，由此可知满足T1>T2，故从时间上满足构筑建筑物的要求。该矿区采深为575 m～698 m，平均为630 m，属于煤层埋深相对较大的矿区。假设建筑物为一矩形构筑物，按照矩形截面竖向均布载荷作用机理可知，其载荷传播深度与传播系数Kc密切相关，引入相关数据同时结合沉陷区实际情况，认为建筑物载荷传播深度不会超过弯曲下沉带。另外，国内外实践认为对于采深较大的矿区，即埋深H/煤厚h>30的沉陷区地表稳定后残余变形较小，一般不会对建筑物造成影响，该矿区平均埋深630 m，煤厚3.6 m，H/h=175>30。综上所述，可以在该矿区沉陷区上方构筑建筑物，但构筑物规模具体还需进一步探讨。

4 结语

煤矿沉陷区占有我国大量的国土面积，是重要的潜在可利用土地。在沉陷区上构筑建筑物应掌握沉陷区地表变形的规律及相关影响因素，同时也要了解构筑物对地表变形的影响，确保稳定地表残余变形满足建筑物稳定要求，只有这样才能有针对性的构筑建筑物，避免因地表变形引起的建筑物出现裂纹、倾斜和坍塌等现象。本文仅是对沉陷区表面变形规律及建筑物施工可行性进行初探，在沉陷区如何施工建筑物、地基加固方式的选择及建筑物规模的确定还需详细探讨。

[1] 王明立,胡炳南,赵有星.采煤沉陷区工程建筑物地基的稳定性分析[J].煤炭科学技术,2006，34(4):72-75.

[2] 张贵双.开采沉陷区建设大型厂房地基基础的处理[J].河北煤炭,2005(1):47-48.

[3] 张建涛,种丽丽.煤矿开采沉陷区地表与建筑物变形探讨[J].山西建筑,2012，38(9):83-84.

[4] 张洪波,陈桂海.鹤岗市盘活沉陷区土地利用情况分析[J].黑龙江国土资源,2017(1):50.

[5] 张雅琼,白新密.平顶山采煤沉陷区综合治理工程规划[J].中州煤炭,2012(9):48-49.

Study on surface deformation in subsidence area and feasibility analysis of construction building

Zhang Laipeng

(TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030001,China)

Analyzed the formation of coal mine subsidence area, surface deformation characteristics and stability in detail, gave the relevant requirements in subsidence area of constructing a building, take a Shanxi mining subsidence zone as an example to analysis of the feasibility of building a building in a settlement area, the research has certain reference significance for guiding the construction of buildings in subsidence area.

subsidence area, ground deformation, building, feasibility analysis

1009-6825(2017)20-0055-02

2017-04-24

张来鹏(1984- ),男,工程师

P624

A