采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用_朱伟.pdf

收稿日期2019-09-22 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51474129） 。 作者简介朱伟 （1984） ， 男， 副研究员， 硕士。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用 朱伟 1 （中煤科工集团唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012） 摘要我国采煤塌陷区土地量大面广利用率低， 加大对采煤塌陷区土地利用具有重要意义。为科学评估采 煤塌陷区土地建筑利用的可行性和适宜性， 采用理论计算和工程验证方法研究了塌陷区建筑地基的稳定性。在充 分分析研究区下方老采空区特征和分布情况的基础上， 采用概率积分法并选择合理的残余沉陷预计参数计算了该 区地表后期的残余沉陷变形。采用地基附加应力法计算了新建建筑荷载在采空区上方地层中的影响深度， 通过对 比其与垮落裂隙带高度的空间位置关系来定量评价老采空区地基稳定性， 并综合考虑地表倾斜变形指标确定建筑 物高度。为确保建筑物安全使用， 提出了基于地表残余沉陷变形的建筑物抗变形措施。研究表明 研究区后期将 承受Ⅰ级残余沉陷变形， 新建建筑荷载影响深度不会波及到垮落裂隙带范围， 不会导致老采空区 “活化” ， 实践效果 验证了评价结论的可靠性； 对采煤塌陷区进行工程建设利用和商业开发具有可行性， 可以有效利用塌陷区废弃土 地资源， 生态效益和社会效益良好。 关键词开采沉陷采煤塌陷区概率积分法残余沉陷变形地基稳定性 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-176-06 DOI10.19614/ki.jsks.201911029 Construction Utilization Technology and Engineering Application of the Land in Coal Mining Subsidence Area Zhu Wei2 （Tangshan Research Institute， China Coal Technology Engineering Group Co.， Ltd.， Tangshan 063012， China） AbstractThe coal mining subsidence area in China has the features of large scale， wide range and low utilization rate， so it is of great significance to increasing the utilization of land in coal mining subsidence area.In order to scientifically u- ate the feasibility and suitability of land utilization in coal mining subsidence area， the theoretical calculation and engineering verification are used to study the foundation stability in the subsidence area.On the basis of fully analyzing the charac- teristics and distribution of the old goaf below the study area， the residual subsidence deation is calculated by using the probability integral and selecting the reasonable prediction parameters.The influence depth of the construction load on the stratum above the goaf is calculated by the foundation additional stress .The foundation stability of the old goaf is quantitatively uated by comparing the influence depth with the height of the fracture zone.The slope of the ground is con- sidered comprehensively to help to determine building height.In order to ensure the safety utilization of the buildings， the tech- nical measures against deation of buildings based on residual subsidence deation is proposed.The study results show that the study area will bear the I-level residual subsidence deation in the later stage， the load influence depth will not af- fect the range of the fracture zone， and will not cause the activation of the old goaf， the application result verifies the reliability of the technical uation results； the construction on coal mining subsidence area and commercial development are feasible， which can effectively utilize the abandoned subsidence land resources with good ecological and social benefits. KeywordsMining subsidence， Coal mining subsidence area， Probability integral ， Residual subsidence dea- tion， Foundation stability Series No. 521 November2019 煤炭大规模开采在地面形成了大面积的塌陷区， 截至目前， 我国煤炭开采过程中形成的沉陷土地面积 有80～100万hm2， 利用率较低。近年来， 越来越多的 建 （构） 筑物修建在采空区地表上， 已成为缓解矿业城 安全与环保 176 ChaoXing 市建设用地紧张的重要途径。 从20世纪90年代开始， 根据现场实际需要， 老 采空区地表新建建 （构） 筑物技术开始得到广泛研 究， 取得了丰硕成果 ［1-5］。张宏贞等［6］研究了老空区 顶板空洞空隙估算模型， 为老采空区残余移动变形 计算提供了技术方法； 贾新果 ［7］构建了基于时间的地 表残余下沉时间函数， 给出了参数求解方法， 并对老 采空区残余沉陷变形规律进行了研究。在采空区地 基稳定性评价方面， 滕永海等 ［2］提出以建筑物荷载影 响深度和采空区垮落裂缝带发育高度之间的空间位 置关系来分析地基稳定性； 王亚军等 ［8］提出运用附加 应力-概率积分法对半无限开采缓倾斜煤层的老采 空区地基稳定性进行综合评价； 张俊英等 ［9］、 丁陈建 等 ［10］分别采用模糊数学和神经网络等方法进行了老 采空区地基稳定性评价； 王磊等 ［11］基于关键层理论 分析了老采空区 “活化” 的主要影响因素， 并实例验 证了局部注浆加强地基稳定的可行性； 王正帅等 ［12］、 杨定明等 ［13］根据现场条件进行了老采空区稳定性评 价并进行了分区研究； 韩科明等 ［14］推导了老采空区 残留煤柱失稳以及覆岩失稳的判别公式， 并对浅部 老空区上建设工程进行了可行性评价； 文献 ［15-18］ 在采空区建设工程应用方面进行了大量实践， 取得 了较好的技术经济效益； 孙庆先等 ［19］， 吴朝峰等［20］分 别就采空区上新建光伏基地和高压线塔等特殊构筑 物进行了地基稳定性评价和工程应用。在采空区后 期地表沉陷监测方面， 针对老采空区残余沉陷量级 较小的实际情况， 范洪冬等 ［21］提出了一种基于多轨 道SAR的老采空区地表三维变形监测方法， 优于传 统的老采空区地表沉陷监测技术。上述研究成果对 于促进采煤塌陷区土地工程建设利用具有较好的参 考意义。 为科学合理地利用采煤塌陷区土地新建地面建 （构） 筑物， 在开采沉陷区进行各类工程建设时， 有必 要首先进行建设场地稳定性评价 ［1］， 确保采空区上新 建建 （构） 筑物安全使用。河南明珠世纪城建设项目 场地 （研究区） 下方开采了3层煤， 老采空区存在将对 其上方新建建 （构） 筑物产生一定影响， 在对场地地基 进行稳定性评价的基础上， 综合考虑地表倾斜变形因 素， 合理确定了建筑物层数， 通过对建筑物采取一定 的抗变形技术措施， 确保新建建筑物得以安全使用。 1采空区分布情况 研究区占地面积约0.3 km2， 规划建筑住宅楼和 商业服务体。平煤集团二矿在该区下方附近区域开 采了己15、 己16、 己17煤层， 层间距仅为1～3 m， 最大累 计采厚5.1 m， 最小开采深度120 m左右， 开采时间为 20世纪50～70年代， 均采用长壁炮采、 全陷法管理顶 板工艺。研究区下方采空区分布如图1所示。采空 区基本情况如表1所示。开采完毕时间 （1977年） 距 离建设日期 （2009年） 久远。根据区域钻孔资料， 第 四系盖层厚度为50～81 m， 煤层顶板多为页岩、 砂质 页岩、 各类粗中细砂岩等。采掘资料显示区域没有 大型断层构造， 仅有个别落差小于3 m的小断层。 2地表残余沉陷变形预测 煤层开采后， 采场上覆岩层依次产生垮落带、 断 裂带、 弯曲带， 发育至地表形成了一个比采空区范围 大得多的塌陷盆地 ［22］。塌陷盆地内任一点的地表移 动过程可以分为初始期、 活跃期和衰退期， 在这个移 动时间区间内地表沉陷已经发生了累计最终沉陷量 的90％～95， 后续由于地层内空隙裂缝压实或上覆 荷载影响， 地表还将产生一定的残余沉陷变形， 可能 对新建建筑物产生一定的损害影响， 特别是对新建 高层和大跨度建 （构） 筑物影响严重 （图2） ， 因此需要 对采空区地表残余沉陷变形进行预测。 本研究采用概率积分法对地表残余沉陷变形进 行计算。地表残余变形下沉系数qr可进行如下计 算 ［1］ qr1 - q k ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 - e - 50 - t 50 ，（1） 其中，qr为常规下沉系数； k为调整系数， 一般取0.5～ 1.0； t 为地表参与变形计算距离开采结束的时间间 隔， a。 开采厚度可以按照原煤层工作面采厚考虑， 其 余参数与正常开采预计时选用的参数基本相同。本 研究参考并选用平顶山矿区地表岩移实测参数， 如 表2所示。 通过计算， 整个研究区地表最大残余沉陷值为 153 mm （图3） ， 最大倾斜为1.6 mm/m， 最大水平拉伸 变形为1.2 mm/m， 地表倾斜与水平变形指标均未超 过文献 ［1］ 中Ⅰ级标准阈值 （倾斜i＜3 mm/m， 水平变 形ε＜2 mm/m， 曲率K＜0.210-3/m） ， 故无需对建筑区 域进行二次分区。 需要说明的是， 下方开采结束时间距今已超过 32 a且为长壁工作面正规开采， 根据开采沉陷一般规 律， 地表移动变形处于稳定期， 研究区预测的残余沉 陷变形是2009年以后时间段内的累计变形值， 是一 个渐进的过程， 因此对新建建筑物影响轻微。 3塌陷区建筑地基稳定性评估 3. 1建筑荷载影响深度 塌陷区新建建 （构） 筑物荷载将通过基础向下纵 深传递， 如果该建筑荷载附加应力影响深度波及到 2019年第11期朱伟等 采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用 177 ChaoXing 井下采空区上方垮落裂隙带， 就会导致垮落裂隙带 岩层内部的原生平衡结构破坏并重新运动达到新的 平衡。在这个过程中， 岩体间的空隙、 裂缝以及离层 空间等被压实， 导致地表产生连锁反应， 进一步发生 较大的残余沉陷变形， 将对地表新建建筑物产生严 重损害。 建筑物荷载影响深度一般随着上部荷载 （层数 增加， 高度加大） 的增加而增大， 正常条件下当建筑 荷载产生的附加应力等于相应深度处地基层自重应 力的20时， 认为附加应力对该深度的地基产生的 影响可忽略不计。但是， 当建筑物处于采空区裂隙 带上方时， 应计算附加应力直至地基自重应力10 金属矿山2019年第11期总第521期 178 ChaoXing 位置处， 可认为附加应力对该深度的地基不产生较 大影响。如图4所示， 当煤层开采深度H等于荷载影 响深度HZ和裂缝带高度之和Hli， 即H HZ Hli， 则 认为地基处于临界稳定状态； 当H ＞ HZ Hli时， 地基 处于稳定状态； 当H ＜ HZ Hli时， 地基处于不稳定状 态 ［23］。当地基达到临界稳定和稳定状态时， 无需对地 基进行特殊处理； 当处于不稳定状态时， 建筑物荷载 会引起老采空区地层 “活化” ， 从而产生较大的不均匀 沉降， 此时需要降低楼层高度或者减小建筑物荷载， 或者对地基进行注浆处理， 增强其承载性能。 图4中， P为地面建筑和基础荷载在基础底界面 处的附加应力， 随着深度增加， 附加应力逐渐变小， 荷载影响逐渐变小；σc为该深度位置处的地基自重 应力。在采空区条件下， 当荷载产生的附加应力等 于该深度地基自重应力的10时， 认为建筑荷载影 响深度到此为止， 充分考虑到采空区地层因素， 工程 建设会更为安全。根据该深度位置与下方煤层开采 后垮落裂隙带上限的空间关系， 来判定建筑地基是 否稳定， 便于有效确定建筑物层数和高度 ［23］。 研究区新建楼房按长30 m、 宽15 m计， 本研究以 均布矩形荷载计算地基附加应力， 标准层高按3 m考 虑， 基底埋深3 m， 建筑物单层建筑荷载为18 kN/m2， 表土层计算容重取20 kN/m3， 潜水位以下取浮容重， 评价层数考虑7～13层， 计算公式见文献 ［24］ ， 结果 如表3所示。新建13层楼房最大荷载影响深度约为 地表以下33 m （考虑基础埋深3 m） 。 3. 2地基稳定性 垮落裂隙带高度可以现场实测或者根据下式进 行计算 ［1］ Hli 100∑M 1.6∑M 3.6 5.6，（2） 其中， ∑M为每层分层累计采厚， 己组煤最大累计采 厚为 5.1 m （为安全起见， 按 5.5 m 计算） 。计算得 Hli50 m， 即裂隙带高度顶界面位于煤层顶板之上 50 m， 实际上经过多年的沉积压实， 裂缝带高度应比 该数值小得多。可见， 裂隙带高度 （50 m） 加上荷载 影响深度 （33 m） 远小于煤层开采最小深度120 m， 因 此， 研究区新建建筑物地基稳定性较好。 3. 3地表倾斜影响 由于高层建 （构） 筑物对地表倾斜较为敏感， 在 2019年第11期朱伟等 采煤塌陷区土地建筑利用技术与工程应用 179 ChaoXing 确定建 （构） 筑物层数或者高度时， 除了上述荷载因 素外， 还应考虑地表残余变形中的倾斜变形指标。 根据相关规范规定， 关于多层和高层建筑的整体倾 斜允许值适用于在采煤塌陷区新建建 （构） 筑物的技 术要求。由于在采煤塌陷区新建的建 （构） 筑物大多 采取了抗变形结构技术措施， 其抵抗整体倾斜的能 力得到加强， 故而可以适当放宽建筑物对整体倾斜 允许值的要求， 可按表4执行。 研究区拟建最高层数为13层， 总高度不超过40 m， 地表残余沉陷变形分析表明， 区域最大倾斜为1.6 mm/m， 远小于地表允许倾斜值4 mm/m， 因此， 研究区 新建建筑物的高度满足倾斜变形要求。 4建筑物抗变形技术及应用 由于研究区场地后期将受到老采空区残余沉陷 变形影响， 本研究按照Ⅱ级采动影响进行抗变形设 计。抗变形技术措施主要有 ①前期规划设计时， 应 首先评估楼层层数和高度， 高度高、 跨度大的建 （构） 筑物应避开残余沉陷集中区域， 各单体建 （构） 筑物 体型应尽可能简单， 单体长度一般不超过 30 m， 此 外， 可设置变形缝， 变形缝应从基础至屋顶全部分 开， 变形缝宽度按今后可能产生的地表变形值大小 计算确定； ②建筑修建前， 应对地基采用表层压实 法、 强夯法处理， 基础应尽可能浅埋， 在基础梁下设 置水平滑动层， 同一单体建 （构） 筑物的钢筋混凝土 基础梁应成一闭合箍， 基础圈梁和联系梁的配筋量 按地表水平变形值校核计算 ［22］； ③根据地表残余变 形值大小， 相应增大建筑物上部结构刚度， 除了应满 足抗震设防烈度要求外， 圈梁、 构造柱设置位置、 数 量、 断面大小及配筋量均按残余变形值大小计算确 定； ④将管道固定支座改为铰支座， 设置柔性接头， 为管道穿过障碍物预留间隙。 研究区自2009年开始建筑评价， 至2015年完成 整个施工建设过程， 场区内建筑物层数分别为7层和 13层， 新建建筑物均按照要求采取了抗变形技术措 施。建成至今， 未发生任何损害现象， 验证了本研究 地基稳定性评价结果的可靠性和上述技术措施的有 效性。 5结论 （1） 对于采空区上新建建筑物， 可采用概率积分 法进行地表残余沉陷变形预计， 残余下沉系数主要 与常规下沉系数、 地下停采时间以及地上始建时间 间隔有关， 其他预计参数可参考常规参数取值。 （2） 在老采空区地表进行工程建设时， 有必要考 虑新建建筑荷载是否会引起老采空区 “活化 “， 可根 据建筑荷载影响深度与井下开采垮落裂缝带高度之 间的空间关系来定量评价地基稳定性。 （3） 在采空区上方进行建筑物设计和建设时， 有 必要采取有效的抗变形结构技术措施。对于新建高 层建筑物而言， 还应该考虑地表残余倾斜变形因素。 参 考 文 献 国家安全监管总局， 国家煤矿安监局.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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