張 來 鵬
(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院,山西 太原 030001)
沉陷區(qū)地表變形研究及施工建筑物可行性分析
張 來 鵬
(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院,山西 太原 030001)
對煤礦沉陷區(qū)形成、地表變形特點及穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)分析,闡述了沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物的相關(guān)要求,并以山西某礦區(qū)沉陷區(qū)為例,對在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物的可行性進(jìn)行了分析,該研究對于指導(dǎo)沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物具有一定的借鑒意義。
沉陷區(qū),地表變形,建筑物,可行性分析
人多地少是我國土地資源的基本國情,隨著我國土地資源的不斷開發(fā)和利用,國有建設(shè)用地供應(yīng)日益減少。煤礦的無節(jié)制開采破壞了大量的可用土地,煤炭采出后,地表出現(xiàn)移動變形、沉陷和地下水位下降,尤其是山西、內(nèi)蒙、淮南等部分礦區(qū)出現(xiàn)大面積沉陷區(qū),且隨著當(dāng)前煤礦開采能力和強度的提高,沉陷區(qū)的發(fā)展規(guī)模仍呈擴大趨勢,資料顯示,我國因煤礦開采產(chǎn)生的沉陷區(qū)總面積已經(jīng)超過10 000 km2,超過國土面積的千分之一[1,2]。對于沉陷區(qū)治理,目前采取的方式多是進(jìn)行綠化和復(fù)墾,如淮南礦區(qū)、平頂山礦區(qū)等均采用綠化和復(fù)墾來治理沉陷區(qū)。但是,隨著城市人口的發(fā)展和對土地資源的不斷需求,通過治理沉陷區(qū)來構(gòu)筑建筑物顯得越來越有必要,但是建筑物設(shè)計和基礎(chǔ)若選擇和處理不當(dāng)則會造成建筑物產(chǎn)生傾斜、開裂甚至坍塌,因此建筑物施工對沉陷區(qū)的地表穩(wěn)定性要求相對較高。
1.1 沉陷區(qū)形成和地表變形特點
煤礦開采理論和實踐表明,煤炭采出后,在采空區(qū)頂?shù)装逍纬勺杂煽臻g,遭到破壞的原巖應(yīng)力重新分布促使頂板巖層出現(xiàn)變形破壞,我們根據(jù)其變形特點將采空區(qū)上部巖層分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶??迓鋷Ш土严稁r層整體性缺失,且二者無明顯界限,其移動變形破壞特點無明顯規(guī)律,而裂隙帶之上的巖層完整性未遭到破壞,在自重作用下出現(xiàn)法向彎曲變形,對地表影響顯著,即可形成我們所說的開采沉陷區(qū)。沉陷區(qū)研究成果表明,地表變形穩(wěn)定后,其分布曲線形態(tài)與概率積分型分布具有相似性,具體特點是:1)下沉曲線特點:地表變形穩(wěn)定后,塌陷區(qū)走向主斷面下沉曲線一般位于采空區(qū)正上方,下沉曲線各點呈中心對稱性,且其拐點向采空區(qū)偏移,若井下開采較為充分和均衡,地表下沉曲線出現(xiàn)平底現(xiàn)象,若井下開采不充分,下沉曲線呈現(xiàn)多個漏斗形;2)傾斜曲線特點:地表變形穩(wěn)定后,沉陷區(qū)傾斜曲線上各點以走向主斷面最大下沉點為中心呈對稱分布,塌陷區(qū)左右呈對向傾斜狀,對于所開采的呈傾斜狀煤層而言,傾斜曲線因煤層開采深度的變化出現(xiàn)非對稱分布,淺部煤層傾斜值要稍大于深部煤層;3)水平曲線特點:水平曲線分為移動曲線和變形曲線,其中沉陷區(qū)穩(wěn)定后,水平移動曲線各點指向沉陷區(qū)中心,相比于最大下沉點對稱分布,充分采動下在沉陷區(qū)中部形成水平區(qū),否則是非水平區(qū),對于傾斜煤層而言,水平移動曲線呈非對稱狀,淺部煤層開采相比于深部煤層開采其最大水平移動值相對要?。?)曲率曲線特點:沉陷區(qū)穩(wěn)定后,充分采動條件下,走向主斷面曲率曲線在沉陷區(qū)域有正、負(fù)兩個曲率區(qū),分別位于采空區(qū)兩側(cè)保護(hù)煤柱上方和采空區(qū)上方;非充分采動條件下,曲率曲線有兩個正曲率區(qū)和一個負(fù)曲率區(qū);在傾斜主斷面上,曲率曲線呈非對稱分布,非充分開采時,位于采空區(qū)上方最大負(fù)曲率值要高于兩側(cè)煤柱上方最大正曲率值;充分開采時,淺部煤層開采區(qū)域最大正、負(fù)曲率均大于深部煤層開采區(qū)域正、負(fù)曲率值。
1.2 沉陷區(qū)地表穩(wěn)定性分析
沉陷區(qū)觀測結(jié)果表明,當(dāng)井下開采結(jié)束后,會一定程度的引起地表沉陷變形,這種變形隨著時間的延續(xù)會逐漸變緩直至相對停止,如若對沉陷區(qū)地表不予施工任何工程時,此時的地表將會持續(xù)保持這種穩(wěn)定。盡管我們認(rèn)為沉陷區(qū)經(jīng)過一定時間后地表發(fā)生變形基本可以忽略,但是實際上地表變形確是依然繼續(xù),即使是在開采后數(shù)十年后,地表也會一定程度的產(chǎn)生微量殘余沉降變形。在沉陷區(qū)進(jìn)行建筑物構(gòu)筑時應(yīng)考慮的也是受地表初期變形和殘余變形兩個方面的影響,我們認(rèn)為,在沉陷區(qū)相對穩(wěn)定條件下若將殘余變形控制到一定程度,沉陷區(qū)建筑物不會受到地表變形的影響,構(gòu)筑建筑物時期地基穩(wěn)定性評價只需要考慮建筑物的載荷對沉陷區(qū)地表的作用力即可。
事實證明,將沉陷區(qū)作為建設(shè)用地是相對較好的土地利用途徑,不僅可以緩解沉陷區(qū)外建筑用地的需求,減少耕地使用量,還可以避免沉陷區(qū)土地復(fù)墾所需的大量投入;同時,在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物還可以改善礦區(qū)職工生活水平,符合城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢,且沉陷區(qū)土地費用相對低廉,有利于降低投資成本。但是,在沉陷區(qū)條件下構(gòu)筑建筑物需要遵循一定的技術(shù)條件,盡管尚未有系統(tǒng)性的規(guī)范形成,但是如《巖土工程勘察規(guī)范》《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》等文件對沉陷區(qū)建設(shè)場地的勘察和建筑物平面布置、設(shè)計等進(jìn)行了相關(guān)闡述[3-5]。同時借鑒國外經(jīng)驗,認(rèn)為在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物除了需要特殊勘察外,遵循的主要是地基穩(wěn)定性評價和建筑物抗采動影響設(shè)計和施工等。國內(nèi)外有的資料中也給出了沉陷區(qū)適宜構(gòu)筑建筑物的條件,某些情況下甚至不需要做評價,如地表傾斜小于3 mm/m,地表曲率小于0.2/m的地段等。
3.1 沉陷區(qū)概況
山西某礦區(qū)井田走向和傾斜長度分別為4.2 km和1.2 km,井田面積為4.5 km2,所采煤層采深為575 m~698 m,平均為630 m,煤層厚度為3.6 m,工作面上覆巖層以砂巖、石灰?guī)r和頁巖為主,開采方式為分區(qū)式開采,由于礦區(qū)井田范圍內(nèi)煤層賦存條件較好,井下煤層開采較為充分,礦井閉坑時間為1986年,根據(jù)地表沉陷觀測數(shù)據(jù)可知,1996年之后地表變形基本可以忽略。
3.2 構(gòu)筑建筑物可行性分析
理論認(rèn)為,在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物應(yīng)滿足兩個基本條件,即選取構(gòu)筑物施工時間要合理和建筑物地基載荷傳播深度應(yīng)處于穩(wěn)定巖層。構(gòu)筑建筑物時間要合理是指建筑物構(gòu)筑時應(yīng)保證沉陷區(qū)地表處于穩(wěn)定狀態(tài),即自沉陷區(qū)地表變形至構(gòu)筑建筑物的時間T1要大于地表變形直至穩(wěn)定的時間T2。建筑物有一定的自重,其自身載荷會向下傳遞,如果載荷傳遞至穩(wěn)定巖層,則地表建筑物不會出現(xiàn)下沉,如若載荷傳遞至裂隙帶或者垮落帶等不穩(wěn)定巖層,則會造成采空區(qū)上方覆巖繼續(xù)出現(xiàn)下沉、移動等變形,故建筑物地基產(chǎn)生的載荷傳播深度不應(yīng)超過彎曲下沉帶。
從時間角度出發(fā),該沉陷區(qū)自1986年開始形成,直至1996年基本穩(wěn)定,距今已近20年,由此可知滿足T1>T2,故從時間上滿足構(gòu)筑建筑物的要求。該礦區(qū)采深為575 m~698 m,平均為630 m,屬于煤層埋深相對較大的礦區(qū)。假設(shè)建筑物為一矩形構(gòu)筑物,按照矩形截面豎向均布載荷作用機理可知,其載荷傳播深度與傳播系數(shù)Kc密切相關(guān),引入相關(guān)數(shù)據(jù)同時結(jié)合沉陷區(qū)實際情況,認(rèn)為建筑物載荷傳播深度不會超過彎曲下沉帶。另外,國內(nèi)外實踐認(rèn)為對于采深較大的礦區(qū),即埋深H/煤厚h>30的沉陷區(qū)地表穩(wěn)定后殘余變形較小,一般不會對建筑物造成影響,該礦區(qū)平均埋深630 m,煤厚3.6 m,H/h=175>30。綜上所述,可以在該礦區(qū)沉陷區(qū)上方構(gòu)筑建筑物,但構(gòu)筑物規(guī)模具體還需進(jìn)一步探討。
煤礦沉陷區(qū)占有我國大量的國土面積,是重要的潛在可利用土地。在沉陷區(qū)上構(gòu)筑建筑物應(yīng)掌握沉陷區(qū)地表變形的規(guī)律及相關(guān)影響因素,同時也要了解構(gòu)筑物對地表變形的影響,確保穩(wěn)定地表殘余變形滿足建筑物穩(wěn)定要求,只有這樣才能有針對性的構(gòu)筑建筑物,避免因地表變形引起的建筑物出現(xiàn)裂紋、傾斜和坍塌等現(xiàn)象。本文僅是對沉陷區(qū)表面變形規(guī)律及建筑物施工可行性進(jìn)行初探,在沉陷區(qū)如何施工建筑物、地基加固方式的選擇及建筑物規(guī)模的確定還需詳細(xì)探討。
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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
張來鵬(1984- ),男,工程師
P624
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