采煤塌陷区上方大型厂房建设技术研究_徐起.pdf

采煤塌陷区上方大型厂房建设技术研究 徐起 1 朱伟 2 滕永海 2 唐志新 21 （1. 山东高速信联支付有限公司， 山东 济南 250000； 2. 中煤科工集团唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012） 摘要针对采煤塌陷地上建设大型厂房的安全技术问题， 以平顶山市某机械制造公司拟建厂区为例， 在分 析地下采空区特征及分布情况的基础上， 通过选取合理的计算参数， 采用概率积分法计算了建设场地后续的地表 残余沉陷变形。采用经验公式计算了老采空区垮落裂隙带高度， 并对比建筑荷载影响深度评价了地基稳定性， 分 析了老采空区 “活化” 的可能性。研究表明 新建厂房下方存在3层煤采空区， 建筑物后续将承受Ⅰ级残余沉陷变 形， 由于采空区采深较大不会导致 “活化” 情况发生。根据地表水平变形这一影响大型钢结构厂房安全性的主要因 素的量级情况， 提出了针对大型厂房结构特征的抗变形技术措施。工程实践表明， 老采空区上建设大型建 （构） 筑 物是安全可行的， 可以兼顾功能需要和安全性能， 具有较好的技术经济效益。 关键词开采沉陷采煤塌陷区大型厂房概率积分法地基稳定性评价抗变形技术 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-153-05 DOI10.19614/ki.jsks.201910024 Study on the Construction Technique of Large-scale Factory Building above Coal Mining Subsidence Area Xu Qi1Zhu Wei2Teng Yonghai2Tang Zhixin22 （1. Shandong High Speed Union Payment Co. Ltd.， Jinan 250000， China； 2. Tangshan Research Institute Co.， Ltd. of China Coal Technology Engineering Group， Tangshan 063012， China） AbstractAiming at the safety technical problems of constructing large-scale plant on coal mining subsidence grounds， taking the proposed factory district of a machinery manufacturing company in Pingdingshan City as the study example， the characteristics and distribution of underground goaf are analyzed， the residual surface subsidence deation was calculated by using the probability integral by selecting reasonable calculation parameters. The empirical ula is used to cal- culate the height of the fissure zone，and the stability of the foundation is uated by comparing the depth of the building load.The possibility of “activation“ of the old goaf is analyzed. The study results show that there are three layers of coal goaf be- low the newly built factory， the building will be subject to class I residual subsidence deation， and the stability uation of the foundation indicates that the deep mining depth of the goaf will not cause “activation“.According to the magnitude of the main factors affecting the safety of large-scale steel structure workshops， the anti-deation technical measures for the struc- tural characteristics of large-scale plants are proposed.The engineering parctice results show that it is safe and feasible to build large-scale buildings（structures） on the old goaf， which can balance the functional needs and safety perance， and has good technical and economic benefits. KeywordsMining subsidence， Coal mining subsidence area， Large-scale factory building， Probability integral ， Foundation stability uation， Anti-deation technique 收稿日期2019-08-15 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51474129） 。 作者简介徐起 （1990） ， 男， 统计师， 硕士。通讯作者朱伟 （1984） ， 男， 副研究员， 硕士。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 近年来， 我国矿区城市工程建设发展迅猛， 建 设用地日趋紧张， 合理利用塌陷区土地进行工程建 设成为缓解城市工程建设用地紧张局面的重要途 径 ［1-3］。为确保采空区上方的建筑物安全， 开展采空 区稳定性评价与抗变形技术研究十分必要 ［4-6］。贾新 果 ［7］针对采空区上方土地利用中地表残余变形对建 筑物地基稳定性的影响， 建了基于时间的地表残余 下沉时间函数， 并给出了参数求解和确定方法； 文献 ［8-10］ 对老采空区残余沉陷变形规律进行了研究， 为 老采空区地表残余沉陷变形计算提供了科学依据； 153 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 滕永海等 ［11］提出了一种基于建筑物荷载影响深度和 采空区垮落裂缝带发育高度之间空间位置关系的地 基稳定性评价方法； 王亚军等 ［12］、 王正帅等［13］、 杨定 明等 ［14］先后对老空区上方地基稳定性评价方法进行 了卓有成效的研究； 文献 ［15-16］ 分别采用神经网络、 模糊评价方法评价了老采空区上方地基稳定性； 文 献 ［17-20］ 在采空区建设工程应用实践方面进行了大 量有益探索， 取得了良好的技术经济效益， 为采煤塌 陷区工程建设提供了有益参考。 由于功能需要， 一些大跨度、 高度大的厂房需要 建设在采煤塌陷区上， 该类建 （构） 筑物对于地表沉 陷变形较为敏感， 加之厂房内一些设备设施 （如天 车） 对轨道运行要求极为严格， 在进行该类工程建设 以及后期生产运营中， 有必要保障厂房及设备的正 常安全使用。平顶山市某机械制造公司新厂区建设 场地下伏多层煤开采采空区， 对于拟建建筑物具有 较大的危险性。本研究在对场地内地表残余沉陷变 形进行预计的基础上， 对建筑物地基稳定性进行评 价， 通过对建 （构） 筑物采取一定的抗变形技术措施， 确保新建建 （构） 筑物正常安全使用。 1研究区概况 平顶山市某机械制造公司拟建厂区 （研究区） 占 地面积约23.8万m2， 建 （构） 筑物主要为大型单、 两层 厂房车间 （长度超过100 m） ， 内部主要设施为5～50 t 等吨位不等的大型桥式起重机， 另外还有5层办公 楼及2层食堂浴室等。区内下方自上而下先后开采 了己15、 己16、 己173个煤层 （统称己组煤） ， 层间距3～ 8 m， 开采深度197～340 m， 累计采厚4.7 m， 煤层倾角 7～9， 开采时间为19741995年， 采用长壁工作面 垮落法开采， 第四系厚度超过100 m， 基岩主要由泥 岩、 砂岩、 砂质泥岩等组成。新厂区下伏煤层开采情 况如图1所示。 2地下开采对大型厂房的影响规律 地下开采引起的地表移动和变形一般是由地表 通过建 （构） 筑物的基础传递到建 （构） 筑物上部结 构。在不同的地表变形及大小作用下， 对建 （构） 筑 物将产生不同的影响效果。地表平缓均匀的下沉一 般对建 （构） 筑物影响很小， 但当下沉量很大时， 特别 是在地下水位很高的情况下， 地表沉陷后盆地积水 导致无法使用。非均匀下沉引起的地表倾斜， 会使 位于其范围内的建 （构） 筑物歪斜， 特别是对底面积 很小而高度很大的建 （构） 筑物 （如烟囱等） 影响较严 重， 倾斜变形还会使得设备偏斜、 磨损加大或无法正 常运转。 地表水平变形是引起大型跨度厂房等建 （构） 筑 物破坏的重要因素， 往往是先在建 （构） 筑物的薄弱 部位出现裂缝， 继而发展到构件失稳至整体失强甚 至倒塌。拉伸变形能将管道和电缆拉断， 使钢轨轨 缝加大。压缩变形则能使墙壁挤碎、 地板鼓起， 出现 剪切或挤压裂缝等。 3地表残余沉陷变形 对于垮落法开采工艺， 由于开采空间顶板失去 支撑， 上覆地层会充分向开采空间移动导致地表出 现沉陷盆地， 充分开采塌陷最大值取决于特定的下 沉系数。通常在地表移动稳定期之前地表沉陷已经 发生了最终累计沉陷的90以上， 地表移动稳定后 154 ChaoXing 2019年第10期徐起等 采煤塌陷区上方大型厂房建设技术研究 （连续6个月累计下沉不超过30 mm） ， 由于地层内空 隙孔隙裂缝闭合压实等影响， 地表还将产生一定的 残余沉陷变形， 对新建的建 （构） 筑物产生一定的损 害影响。如果新建的建 （构） 筑物荷载较大， 势必还 会加大采空区地表残余沉陷变形量。通过计算， 研 究区地表残余沉陷量如图2所示。 由图2可知 由于研究区井下开采结束时间距今 已超过20 a， 地表沉陷的绝大部分均已发生完毕， 地 表最大残余下沉值仅为294 mm， 最大倾斜变形值为 2.6 mm/m， 最大水平拉伸变形值为1.6 mm/m， 对比文 献 ［1］ 中的损害级别标准， 新建的建 （构） 筑物将经受 Ⅰ级采动影响。该级残余沉陷变形是后续若干年累 计产生的总值， 要在很长时间内缓慢发生， 因此对新 建建 （构） 筑物的影响有限。 4地基稳定性评价 地下开采将引起采空区周围煤岩体产生一系列 复杂的力学作用， 在开采沉陷基本稳定后， 采动岩体 系统内部将形成新的相对平衡和稳定状态 ［21］。研究 区内主要建 （构） 筑物是2层车间， 长162 m， 宽30 m， 内部装备天车自重最重为50 t， 单位面积荷重按320 kN/m2考虑， 基础埋置深度取5 m。按照文献 ［4］ 计算 的建 （构） 筑物荷载影响深度为77 m， 如表1所示， 5层 办公楼的荷载影响深度为24 m。 己组煤层开采垮落裂隙带高度可进行如下计算 H 100∑M 1.6∑M 3.6 5.6， 式中，∑M为累计开采厚度， m。己组煤层最大累计 采厚取5.0 m， 计算得H48 m， 即裂隙带高度顶界面 位于最上层己15煤层顶板之上48 m。因此垮落裂隙 带顶界面与新建厂房荷载最大影响深度处尚有72 m 的安全隔离距离 （研究区煤层最小采深为197 m） ， 采 空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移 动， 不会使采空区发生 “活化” 从而再次发生不均匀 沉降， 塌陷区新建的建 （构） 筑物地基较稳定 ［5， 11］。 5新建厂房抗变形技术 由于新建厂房后期仍将承受老采空区残余沉陷 变形的影响， 在建设过程中需要采取简单易行的抗 155 ChaoXing 变形技术措施， 确保厂房正常安全使用。本研究采 取的抗变形技术措施为 ①根据残余沉陷变形分布 情况， 调整重要厂房设备的建设和安置位置， 避开大 变形区域； ②厂房采用钢结构， 确保整体强度和刚 度， 以抵抗地表水平变形的损害影响； ③设置变形 缝， 变形缝应从基础至顶全部分开， 变形缝宽度按后 续累计变形量确定； ④基础浅埋， 下设砂垫层或砂石 垫层， 减小地基反力的不均匀性， 上设滑动层吸收地 表水平变形； ⑤将管道固定支座改为铰支座， 设置柔 性接头； ⑥设备基础以及天车轨道预留调整行程， 适 应倾斜及变形。新厂区自建成以来， 所建厂房及设 备均运行良好， 没有出现任何损坏。液压支架修造 厂房及设备实景如图3所示。研究区通过新建大型 厂房， 有效利用了采煤塌陷废弃土地， 变废为宝， 节 省了土地购置费用， 取得了显著的社会效益和经济 效益。 6结论 （1） 采用建筑荷载影响深度与垮落裂缝带高度 的空间关系评价了多层倾斜煤层老采空区 “活化” 的 可能性。评价认为研究区拟建厂房及设施的最大荷 载影响深度不会引起老采空区 “活化” ， 场区不会发 生异常不均匀沉降。 （2） 地表水平变形是影响大型钢结构厂房安全 性的主要因素， 设计和建设时应采取能够抵抗地表 残余沉陷变形的抗变形结构， 如厂房和设备建设和 安置位置尽可能避开大变形区域、 厂房建设尽可能 采用钢结构、 设置变形缝等。 （3） 工程实践表明采煤塌陷区建设大型厂房工 程是安全可行的， 可以有效利用塌陷区废弃地， 具有 较好的社会效益和经济效益。 参 考 文 献 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局， 国家能源 局， 等.建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2017. 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