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兖州矿区采煤塌陷区建筑物地基稳定性评价 郑辉 （兖州煤业股份有限公司 ，山东 邹城 273500 ） 摘要 煤矿开采造成的地表塌陷使工业建设用地、 农业耕地保护之间的矛盾日益加剧。充分开发和 利用采煤沉陷区， 可解决建设用地紧张的现状。通过研究老采空区残留空洞和空隙分布规律、 建立老 采空区残余移动和变形预测模型， 对老采空区地基稳定性评价、 老采空区上方进行住宅建设拟采取的 地基处理措施研究等都具有重要的理论和实际意义。 关键词 老采空区 ； 残余移动变形 ； 职工住宅 ； 稳定性评价 中图分类号 TD327文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0074- 04 uation of Foundation Stability of Coal Mining Subsidence Area in Yanzhou Mining Area ZHENG Hui （Yanzhou Coal MiningCompanyLimited ，Zou Cheng 273500 ， China ） Abstract The surface subsidence caused by coal mining increasingly intensifying the contradiction between the industrial construction land and the agricultural cultivated land protection. Fully developing and utilizing coal mining subsidence areas can solve the current situation of construction land shortage. The residual voids and void distribution in the old goaf, and the residual movement and deation prediction model of the old goaf have been studied in the paper. The conclusions have important theoretical and practical significance for the foundation stabilityuation and treatment measures for the residential construction above the old goaf. Keywords old goaf; residual movement deation ; employee residence ; stabilityuation 0引言 在采煤塌陷区上方进行职工住宅建设， 对地基 稳定性评价具有极其重要的意义。以兖州矿区兴隆 庄煤矿采煤塌陷区职工住宅建设为背景， 分析了兴 隆庄煤矿的概率积分法预计参数， 构建了残余下沉 系数与时间关系式。通过分析职工小区的地质采矿 条件， 选择合适的已沉降及残余沉降的概率积分法 预测参数， 计算了目前已经发生的沉降和今后残余 的沉降； 分析了建筑物荷载、 地震、 地下水对老采空 区 “活化” 影响， 同时分析了残余移动变形对建筑物 的影响， 得出职工住宅小区处于稳沉区域， 残余沉 降小于建筑物的允许变形量； 对职工小区范围内建 筑物提出了一些抗变形保护措施。 1地表沉陷实测资料及地表沉陷规律研究 兴隆庄煤矿原设计生产能力为年产原煤 300 万 t， 服务年限 97.87 年。1974 年上半年筹备， 1975 年 2 月破土动工， 1981 年 12 月建成投产。 1985 年 12 月达 到设计生产能力。 目前主要是开采厚度为 8.29m左右 的 3 煤。主要开采方法为走向 （或者倾向 ） 长壁综采 放顶煤一次采全厚采煤方法。 兴隆庄矿位于兖州向斜 的北翼的单斜构造， 其地层自下而上为 奥陶系、 石炭 - 二叠系、 侏罗系、 第四系。采区内煤、 岩层产状比较 平缓， 倾角 2～15， 一般为 3～5左右。 4326 观测站分析 4326 综放工作面的井下标高 为 - 471m～- 425m，工作面的开采深度为 470m～ 517m， 工作面的开采面积约为 427230m2。工作面的 走向长度为 1410m， 倾向长度为 300m。工作面开采 时间为 2001 年 8 月，结束时间为 2002 年 9 月。开 采的 3 号煤层位于下二迭统山西组底部， 平均煤厚 为 8.6m， 煤层倾角平均 6。 根据实际情况， 布设了 2 条观测测线 1 条为走 向线， 1 条为全伪倾向线。 观测时间为 2001 年 11 月 至 2003 年 3 月， 观测站共计观测了 30 次。结合现 场实际观测数据和地质采矿条件， 经过综合对比分 析，确定 4326 观测站现场实际观测数据处理的概 率积分法求参结果如下 下沉系数 q 为0.830 水平移动系数 b 为0.270 主要影响角正切 tgβ 为 2.450 开采影响传播角 θ 为90－0.5α 拐点偏距 S 平均为0.07H 2开采沉陷现状及残余沉降预测分析 残余沉降参数分析 。 基本原理 从最大下沉速度所对应时刻开始， 求 取之后任意时刻与此时刻之间的下沉差值， 获得此后 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 74 ChaoXing 任意时刻与最大下沉时刻下沉差值与时间对应关系。 根据各个区间下沉差值，反求其概率积分法预测参 数。对各参数及对应时间进行分析， 获取各参数的极 限值。根据参数极限值与某时刻参数值， 求取相应的 地表移动变形， 则两者之差为某时刻之后的残余移动 变形量。分析模型参数与地质采矿条件关系， 构建本 地区残余沉降预测参数与地质采矿之间的预计模型。 上述理论中完全稳定时刻的时间无法确定， 因 此将上述理论进行改正如下 1） 从最大下沉速度所对应时刻开始， 求取之后 任意时刻与此时刻之间的下沉差值， 获得此后任意 时刻与最大下沉时刻下沉差值与时间对应关系。 2） 根据各个区间下沉差值， 反求其概率积分法 预测参数。 3） 对各参数及对应时间进行分析， 获取各参数 的极限值。 4） 根据参数极限值与某时刻参数值， 求取相应 的地表移动变形， 则两者之差为某时刻之后的残余 移动变形量。 5） 分析模型参数与地质采矿条件关系， 构建本 地区残余沉降预测参数与地质采矿之间的预计模型。 图 1模型原理图 由中国矿业大学开采损害及防护研究所所研 制的 “矿区开采沉陷预测预报系统” ， 反演求参获得 下沉系数见表 1 表 1下沉系数 下沉速度与时间（从最大下沉速度时刻之后） 关系满足乘幂关系。其数学关系式为 图 2残余下沉系数与时间关系图 由观测站数据所求得的残余变形下沉系数与 时间关系式可以进一步总结为 qcat-b 式中 a、 b 为地质采矿系数。 3老采空区地基稳定性分析 老采空区二次移动主要因为离层裂隙的闭合、 岩石压缩与空洞空隙压密。主要原因如下 1） 在采空区上方的上覆岩层载荷长期压力作 用情况下， 破碎岩体发生长期地、 渐变地、 缓慢地流 变及蠕变变形。 2） 在空气、 地下水等因素的作用下， 导致破碎 岩体的风化， 从而引起岩石强度的衰减， 在采空区 上方的上覆岩层载荷长期压力作用情况下产生再 次压实。 3） 由于地震、 邻近爆破作业或工作面开采造成 的扰动作用力、 地面建筑物附加荷载、 构造应力等 外部因素作用情况下， 引起采空区上覆岩体结构的 再次失稳。 利用预测参数，通过 MSPS 系统进行地表移动 变形预计计算， 截止到 2011 年 4 月为止， 根据预计 计算结果， 职工住宅小区地面已经产生的移动变形 最大值见表 2 表 2职工住宅小区已产生的移动变形最大值 表 3职工小区地表最大残余移动变形值 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 时间 /d153551648299111118 下沉系数0.320.410.510.540.570.590.580.58 残余下沉系数0.310.220.120.090.060.040.050.05 时间 /d128140151160190222251369 下沉系数0.60.610.6120.6140.6140.60.6140.62 残余下沉系数0.030.020.0180.0160.0160.030.0160.01 倾向方向 倾斜 mm/m 曲率 mm/m2 水平移 动 mm 水平 变形 mm/m 倾斜 mm/m 曲率 mm/m2 水平 移动 mm 水平 变形 mm/m 50000.9 0 0.013 50 - 0.7 0 33 0 0.28 1950 - 13.5 15.0 下沉 mm 走向方向 南北方向 倾斜 mm/m 曲率 mm/m2 水平移 动 mm 水平 变形 mm/m 倾斜 mm/m 曲率 mm/m2 水平 移动 mm 水平 变形 mm/m 1620.051 - 0.0006 0 5 - 0.054 0 0.85 - 0.003 0.0041 85 - 0.25 0.40 下沉 mm 东西方向 75 ChaoXing 建筑物载荷对老采空区二次移动变形的影响 分析 该区域导水裂缝带顶端距离地表的深度为 243.6m （采深 310- 导水裂缝带 66.4m ） ， 6 层楼引起 的附加应力影响深度小于 40m， 不会直接引起老采 空区的二次移动变形。根据废弃老采空区地表残余 移动变形预计分析结果，并对照建筑物评定标准， 本区域废弃采空区的残余移动变形量基本不会导 致建筑物损害。兴隆庄煤矿职工住宅小区区域处于 稳沉区域。在稳沉区域内， 地表的废弃采空区残余 移动变形量较小， 没有超出国家规定的建 （构） 筑物 允许变形范围， 因而其不会引起本范围内的建 （构） 筑物损害。计算的残余移动变形量是废弃采空区产 生的最大残余移动变形量， 这一残余移动变形量将 在今后很长一段时间内缓慢地、 逐渐地发生， 若不 受到特殊因素影响 （如地震等） ， 不会集中突然出现， 因此， 在兴隆庄煤矿职工住宅小区范围内进行建 （构 ） 筑物的建设是安全、 可行的。 但需要注意的是， 由于兴 隆庄煤矿二采区的地层潜水位较高， 对今后兴隆庄煤 矿职工住宅小区的工程建设带来一定的不利影响， 应根据实际情况采取相应的技术方法、 措施。 4采空区地基处理和建筑结构抗变形措施 研究 通过废弃采空区残余沉降预测分析与地基稳 定性分析， 该区域 3 号煤层采深较大 （310m 左右） ， 均采取采出率高的长壁分层综采或综采开采， 开采 后上覆岩层结构破坏充分。虽在地应力、 长期的地 下水弱化、 附近开采影响下， 此处采空区可能二次 移动变形， 其主要表现为破裂岩体的缓慢蠕变与流 变、 再次压密， 进而引起上方地表可能发生一定的 残余移动变形， 除采空区边界可能存在的空洞空隙 对废弃采空区二次移动变形影响较大外， 根据国内 外研究，一般在职工住宅小区的地质采矿条件下， 这种残余移动变形的发生将是一个渐变的、 大范围 与长期的缓慢过程。依据该区域废弃采空区赋存特 征、 岩体岩性与结构、 地表残余移动变形预测结果， 并结合建筑物载荷及结构特征情况， 不需要对废弃 采空区内部的破裂、 破碎等不良岩体采取进一步加 固处理等措施， 即不需要进行特殊的地下采空区处 理， 而应该重点考虑在为兴隆庄煤矿职工住宅小区 建 （构） 筑物的抗变形地面保护方法与措施。 1）对于长度较长的建筑物应设置变形缝， 第一 各个独立单元的长度 （即变形缝的间距） 在 35 米以 内为宜； 第二变形缝必须从楼顶向下到基础设置成 一条贯通缝， 使其两边不能相互影响； 第三是不同 类型建筑物的连接处、 高低变化较大处、 基础不同 处等位置都应设置沉降变形缝。 2）对位于工作面上方的建筑物进行适当调整， 尽量不使建筑物跨越采空区边界， 以减小不均匀变 形对建筑物的影响。 3）各个高层建筑物的首层、 二层结构与建筑物 基础的配筋在计算时， 除了应考虑建筑物地基持力 层的正常工程地质条件外， 还应该考虑废弃采空区 二次移动变形引起的不均匀移动变形量。 职工住宅小区由于地面沉降积水， 采用煤矸石 回填， 而根据本区建筑物地基采用阀板基础， 地基 承载力要求不小于 150kPa， 煤矸石地基难以满足该 要求， 必须进行处理。目前国内外对于地基处理主 要采用三种方法 ①深基坑， 通过开挖深基坑寻求 符合地基承载能力的地层； ②桩基， 通过灌注摩檫 桩， 达到地基设计能力； ③强夯， 通过强夯处理， 满 足地基能力要求。由于本区域煤矸石埋藏深度变化 在 8.8m～13.8m，采用深基坑方法需要开挖大量煤矸 石， 工程量大， 不采用。对于桩基， 也同样由于煤矸石 摩檫能力较小， 桩基要求深度大， 费用高， 不采用， 因 此本区设计采用强夯的方法处理煤矸石地基。 5结论 在对职工住宅小区下地质采矿资料分析基础 上，基于大量观测站现场实测资料的整理与分析， 进行了该区域地表现状地表移动变形与残余地表 移动变形预计， 分析了废弃采空区的建筑物地基稳 定性， 提出了职工住宅小区建设的结构措施和地基 处理措施， 主要结论如下 1）分析了兴隆庄矿 4326 两个观测站的观测资 料， 建立了边界角、 移动角与表土基岩厚度比之间 的数学关系式， 同时确定兴隆庄煤矿综放工作面情 况下的概率积分法预测参数下沉系数 q 为 0.830， 水平移动系数 b 为 0.270，主要影响角正切 tgβ 为 2.450， 开采影响传播角 θ 为 90－0.5α， 拐点偏 距 S 平均为 0.07H。 2）根据最大下沉速度之后的观测数据， 构建残 余下沉系数与时间关系为 ， 并通过多个不同矿区实 测下沉速度与下沉关系证明了该关系的可靠性和 正确性， 为残余沉降预测参数选取提供方法。 3）根据本地区实际情况， 确定合理参数， 通过 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 76 ChaoXing （上接第 73 页） 在 540m电机车辅助运输大巷未采用联合支护 方案时巷道顶底板的移近量为 0.48m， 两帮移近量为 0.31m； 在采用了卸压槽 注浆锚索联合支护方案后， 顶底板变形在 15 天左右后趋于稳定，巷道的顶底板 移近量仅为 0.04m， 两帮变形量在 18 天后趋于稳定， 两帮移近量为 0.02m， 这说明采用卸压槽 注浆锚索 对巷道底板进行处理后有效的控制了围岩变形， 卸压 槽 注浆锚索能够有效控制巷道底鼓问题。 4结论 1 ） 通过建立巷道底板力学模型，分析计算得出 底板岩层失稳破坏的挠度临界解析解及最小轴向力。 2 ） 通过对三种治理底鼓的方法进行数值模拟得 出使用卸压槽 注浆锚索控制巷道底鼓效果最好， 能 够有效的控制底板鼓起量、 减小巷道底板的破坏。 3 ） 针对 540m电机车辅助运输大巷底鼓问题， 采用卸压槽 注浆锚索方案控制底鼓， 该方案实施后 两帮移近量约为 0.02m， 顶底板移近量为 0.04m， 围岩 控制效果显著。 参考文献 [1] 姜耀东,赵毅鑫,刘文岗等.深部开采中巷道底鼓问题的研 究[J].岩石力学与工程学报,2004 （14） 2396- 2401. 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