葉 海 東

(山西省勘察設計研究院，山西 太原 030013)

離石區(qū)某老采空區(qū)在建筑物荷載作用下的穩(wěn)定性分析

葉 海 東

(山西省勘察設計研究院，山西 太原 030013)

結合離石區(qū)某煤礦的工程地質條件以及場地的采煤情況，探討了場地采空區(qū)的基本特征，對采空區(qū)地基“活化”進行了分析，通過臨界開采深度法、建筑物荷載影響深度計算法，評價了采空區(qū)地基的穩(wěn)定性，為采空區(qū)的后期治理提供了依據(jù)。

采空區(qū)，場地，穩(wěn)定性，評價

0 引言

地下固體礦產被開采后留下的空洞區(qū)及其圍巖變形失穩(wěn)產生位移、開裂、破碎垮落，直至上覆巖土層整體彎曲、下沉所引起的地表變形與破壞的地區(qū)，統(tǒng)稱為采空區(qū)。

呂梁市離石區(qū)是山西重要的煤炭能源基地，經(jīng)過不同時期的多次長期采掘，形成了大規(guī)模、大范圍的多層采空塌陷區(qū)。由于大部分采空區(qū)地表變形已基本完成，多屬老采空區(qū)。而在礦區(qū)的建設中老采空區(qū)在建筑物附加荷載作用下使冒落帶、裂隙帶的巖體發(fā)生再壓密，使尚未完全垮落的暗空場發(fā)生再冒落，導致地表產生附加變形和移動，進而使新建建筑物發(fā)生沉降、開裂、傾斜等問題。老采空區(qū)問題已成為礦區(qū)建設的重要制約因素。以下僅就離石區(qū)某煤礦老采空區(qū)在新建建筑物荷載作用下進行穩(wěn)定性分析，對其是否需要治理提出建議。

1 工程概況

呂梁市離石區(qū)某煤礦新建原煤原煤倉2座，直徑均為21 m，采用筏板基礎，單倉荷重為23 650 t，基底壓力約為680 kPa，室外場地整平標高為905.0 m。

2 場地工程地質條件

擬建場地位于晉西北黃土高原，屬呂梁山中段西側的中低山區(qū)、黃土丘陵區(qū)，地形起伏較大，場地沖溝發(fā)育。井田位于呂梁復背斜的次級構造王家會—王老婆山背斜西翼。受區(qū)域構造控制，井田內構造整體為一走向北東、傾向北西的單斜構造，地層傾角變化不大，基本在5°～8°之間。此外井田內未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱等構造現(xiàn)象。

根據(jù)該項目巖土工程勘察資料擬建場地地基土主要由人工填土、沖洪積相卵礫石及二疊系下統(tǒng)山西組泥巖、砂巖、石炭系上統(tǒng)太原組泥巖、砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、煤、石灰?guī)r等組成。

3 場地采空區(qū)地基穩(wěn)定性分析

3.1 場地采煤情況調查

該井田內可采煤層主要包括5號，8號，9號煤，具體采煤及采空區(qū)情況為：

1)5號煤。

2)8號煤層。

3)9號煤層。

3.2 場地采空區(qū)基本特征

擬建場地采空區(qū)屬于多層采空區(qū)，分別為5號，8號，9號煤層采空區(qū)，根據(jù)煤層開采時間各采空區(qū)均屬于老采空區(qū)。

5號煤層采空區(qū)根據(jù)采掘工程井上下對照圖，分布于場地內大部分地段，井田范圍內基本采空，系老采空區(qū)，開采時間為1958年前，采用以掘代采采煤方式進行開采，煤層開采厚度2.0 m左右，系小窯開采，資料缺乏，直接頂為粉砂巖，厚1.6m，頂板已冒落。采深約為20.0 m～25.0 m，采深采厚比約10.0～12.5，屬于淺層采空區(qū)，采空區(qū)上部巖層較為破碎，局部地段殘留煤線，由于開采年代久遠，地表變形基本結束。

8號煤層采空區(qū)勘察物探測試結果平面分布呈不規(guī)則狀，其開采時間為2003年～2004年，采用巷柱式開采，頂板管理方式為全部垮落法，放頂后地面曾出現(xiàn)過塌陷，直接頂為石灰?guī)r，厚2.5 m。采煤厚度約3.0 m，采煤深度為61.70 m～79.85 m，采深采厚比為20.6～26.6，屬于淺層采空區(qū)。

9號煤層開采方式為長壁式炮采采煤方法，工作面長度80 m，頂板管理方式為自由垮落法，屬于非充分開采，開采時間為2004年～2005年，采煤厚度約3.0 m，采煤深度為72.5 m～92.0 m，采深采厚比為24.1～30.7，屬于淺層采空區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)場調查資料目前場地內以上各煤層采空區(qū)引起的地表移動和變形在空間上和時間上是不連續(xù)的，地表移動和變形沒有嚴格的規(guī)律性，地表出現(xiàn)較大的裂縫和臺階狀塌陷坑或塌陷盆地，該多層采空區(qū)引起的地表變形屬于非充分開采條件下非連續(xù)的地表變形。

3.3 場地采空區(qū)地基穩(wěn)定性分析

3.3.1 采空區(qū)地基“活化”分析

地下煤層開采結束后，經(jīng)過一定時間，地表變形引起的沉陷會逐漸減小，但采空區(qū)冒落后產生的暗空場(地下空洞)、上部地層的離層、裂隙以及冒落帶的欠壓密等殘余變形現(xiàn)象仍將長期存在，在沒有外部荷載的影響下老采空區(qū)地表仍會有部分殘余沉降變形，但若在采空區(qū)上方地表新建建筑物時，由于上部結構荷載通過基礎在地下一定深度范圍內產生附加應力，當這個深度與老采空區(qū)的冒落帶、裂隙帶相互交疊時，就會破壞冒落帶、裂隙帶業(yè)已平衡的應力狀態(tài)，使巖層重新發(fā)生沉降移動，發(fā)生老采空區(qū)的“活化”，進而使建筑物沉降、局部開裂、傾斜甚至倒塌。同時也可能使場地內尚未完全垮落的采空區(qū)(暗空場)在附加荷載的作用下垮落，致使巖體內部再次沉降、移動，進而影響新建建筑物的穩(wěn)定性和安全。

老采空區(qū)“活化”引起的地表移動與變形主要包括兩種情況，一是老采空區(qū)冒落帶、裂隙帶巖石中在上部建筑物的附加荷載作用下再壓實引起地表的移動和變形，這種移動與變形的特點是變形較為均勻，變化較為平緩。根據(jù)資料其變形值約占已發(fā)生的地表沉陷量的5%～15%，因此新建建筑物應考慮一定的活化變形值，應采取相應的抗變形措施，才能保證建筑物的安全。二是在附加荷載的作用下尚未完全垮落的暗空場頂板重新垮落引起的地表移動和變形，這類地表變形處理不當會發(fā)生災難性事件。

3.3.2 采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價

1)臨界開采深度法。

本礦各煤層采深采厚比小，一般在10.0～30.7之間，均屬于淺層采空區(qū)，根據(jù)GB 50021-2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)，當采深采厚比小于30時，可根據(jù)建筑物基底壓力、采空區(qū)埋深、范圍和上覆巖層的性質等評價地基的穩(wěn)定性，按《工程地質手冊(第4版)》(工程地質手冊編委會)其計算公式：

其中，H0為開采臨界深度，m；B為巷道寬度，m；γ為巖石比重，t/m3；φ為巖石內摩擦角，(°)；P0為建筑物基底壓力，kN/m2。

具體判別標準為：

當H1.5H0時，地基穩(wěn)定，不需治理。

場地采空區(qū)臨界深度計算表見表1。

表1 場地采空區(qū)臨界深度計算表

根據(jù)以上計算結果，在不同寬度的巷道場地其臨界開采深度最小為90 m，而本場地5號，8號，9號煤采煤深度分別為20.0 m～25.0 m,61.70 m～79.85 m,72.35 m～92.00 m，基本上均小于臨界深度，因此其各層采空區(qū)地基不穩(wěn)定，需要重點治理。

2)建筑物荷載影響深度計算法。

采動穩(wěn)定后的垮落帶和裂隙帶處于相對平衡狀態(tài)，在受到建筑物荷載作用后其平衡狀態(tài)將被破壞，從而引起采動破損巖體的二次或多次移動及變形，即“活化”，繼而導致地基沉陷和變形的加劇，因此因建筑物荷載作用引起的采動破碎巖土體的活化的臨界深度至少為建筑物荷載影響深度和垮裂帶最大高度之和。當實際采深大于HC時，建筑荷載不會使垮落斷裂帶重新移動；當實際采深小于HC時，覆巖和地表會再次發(fā)生較大的不均勻移動。

計算公式為：

HC≥HDZ+Hmax。

σZ=αP0。

其中，HC為建筑物荷載作用引起的采動破碎巖土體的活化的臨界深度，m；HDZ為建筑物荷載影響深度，m；Hmax為垮裂帶最大高度，m；σZ為地基附加應力，kPa；σC為上覆地基土總重量，kPa；γi為地基中各層土、巖石的容重，kN/m3；hi為地基中各層土、巖石的厚度，m，該場地上部土層厚取10 m，土層計算容重取18 kN/m3，以下巖層容重取25 kN/m3；α為豎向附加應力系數(shù)；P0為作用于基礎底面平均附加壓力，kN/m2；本工程按均布圓形荷載計算地基附加應力?？紤]到巖土的復雜性及安全性，采用地基附加應力相當于地基自重應力10%處深度作為建筑荷載影響深度。具體計算過程見表2。

表2 建筑物荷載影響深度計算表

根據(jù)以上計算擬建建筑物荷載影響深度可按55.0 m考慮，根據(jù)以上計算場地內采空區(qū)冒裂帶高度為25.0 m～30.0 m，按此考慮時，HDZ+Hmax=80.0 m～85.0 m，而本場地各煤層采深為20.0 m～92.0 m，大部分地段采煤深度小于建筑物荷載作用引起的采動破碎巖土體的活化的臨界深度，因此擬建建筑物當然會引起場地內老采空區(qū)的“活化”。

4 結語

根據(jù)以上分析擬建場地內采空區(qū)為地表穩(wěn)定性較差的采空區(qū)，采空區(qū)地下空洞率較大，采動破壞嚴重，同時擬建建筑物荷載較大，對沉降要求敏感，需要采取專門的治理措施。根據(jù)采空區(qū)的特征可考慮采用全充填壓力注漿法進行處理，注漿材料可選用水泥、粉煤灰等漿材。由于老采空區(qū)的殘余變形的影響，新建建筑物同時也要采取能夠抵抗地表殘余沉陷變形的抗變形結構技術措施，才能確保新建建筑物的安全。

由于目前對老采空區(qū)在建筑物荷載作用下的穩(wěn)定性評價及地表移動、變形規(guī)律研究不是很多，這就造成在采空區(qū)建筑地基處理設計中可能忽視了老采空區(qū)在附加荷載作用下可能“活化”的影響，為工程建設留下了安全隱患；也可能是對老采空區(qū)的穩(wěn)定性評價及活化的影響認識不全面使得在采空區(qū)建筑地基處理設計過于保守，增大了工程建設的費用。開展對老采空區(qū)在建筑物荷載作用下的活化分析、穩(wěn)定性評價研究工作，對避免后期的治理留下隱患或造成過大浪費具有重要的指導作用。

[1] 山西省勘察設計研究院.山西煤炭運銷集團某煤業(yè)有限責任公司原煤倉采空區(qū)勘察報告[R].2012.

[2] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3] GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S].

[4] 張永波.老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性評價理論與方法[M].北京：中國建筑工業(yè)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

葉海東(1975- )，男，工程師

TU312

A