老采區(qū)及地表殘余變形對建筑物的影響

朱廣軼，解 陳，竇 明，劉曉群，郭 影

（1.沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044；2.沈陽煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110122）

老采區(qū)及地表殘余變形對建筑物的影響

朱廣軼1，解 陳1，竇 明2，劉曉群1，郭 影1

（1.沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044；2.沈陽煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110122）

淺部開采條件下地表殘余變形分析是巖層移動領(lǐng)域的一個棘手問題.通過老采空區(qū)影響下地表殘余變形和地基承載能力變化對地面新建建筑物的影響分析，提出了老采區(qū)上方新建建筑物地基穩(wěn)定性計(jì)算公式、巖層移動參數(shù)、評價(jià)方法.應(yīng)用鶴崗市和諧花園小區(qū)建筑物實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證.

老采區(qū)；地表殘余變形；地基穩(wěn)定性；影響

地表殘余變形是一個新概念.地下煤層開采后產(chǎn)生地下空洞，引起覆巖破壞，在上覆巖層中產(chǎn)生冒落帶、裂縫帶、彎曲帶.在老采空區(qū)上方地表新建建筑物，將產(chǎn)生附加載荷，引起地基擾動，打破上覆巖層中的力學(xué)相對平衡狀態(tài)，地表產(chǎn)生殘余變形.因此，在老采空區(qū)地表新建建筑物時(shí)，必須進(jìn)行地基穩(wěn)定性評價(jià).

1 老采區(qū)覆巖及地表殘余變形

地下煤層開采出以后，巖體內(nèi)部從下到上可產(chǎn)生“三帶”：冒落帶、裂縫帶、彎曲帶.冒落帶是指巖層破裂成塊狀，落入采空區(qū).裂縫帶是指冒落帶上方的巖層會產(chǎn)生斷裂、離層、裂隙，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞.冒落帶、裂縫帶巖層長時(shí)間壓實(shí)，仍會存在一定程度的裂隙和離層，抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度明顯低于原始巖體的強(qiáng)度，巖體結(jié)構(gòu)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，不能承受較大的外力擾動.如果地表建筑物附加載荷傳遞到老采空區(qū)裂隙帶或冒落帶的不穩(wěn)定巖體中，勢必加大建筑物不均勻沉降，嚴(yán)重的會造成建筑物結(jié)構(gòu)破壞.彎曲帶是指巖層在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生的法向彎曲，此帶巖層仍保持整體性和層狀結(jié)構(gòu).實(shí)際觀察中，地表很可能產(chǎn)生裂縫，但此種裂縫主要是因?yàn)殚_采影響產(chǎn)生不均勻沉降、受拉伸變形引起的.根據(jù)多數(shù)工程經(jīng)驗(yàn)，地表裂縫在一定深度內(nèi)會自行閉合，一般不和裂縫帶貫通，此帶可以承受載荷.因此，老采空區(qū)冒落帶和裂縫帶破裂巖體范圍是評價(jià)老采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性的主要依據(jù).

開采移動結(jié)束后，老采空區(qū)附近垮落巖塊雖然承受了較大的巖層壓力而產(chǎn)生壓縮，但由于巖體結(jié)構(gòu)的存在，老采空區(qū)的殘留空洞和上覆巖層中的離層、裂縫不可能會被充分壓實(shí).在受到外力（如地表新建建筑物載荷、地震力等）影響時(shí)，就有可能打破上覆巖層中的相對穩(wěn)定狀態(tài)，在覆巖及地表產(chǎn)生新的移動變形（見圖1），對地面上的建筑物產(chǎn)生一定影響.因此，在老采空區(qū)新建建筑物時(shí)，需要對可能產(chǎn)生的地表殘余變形量和地基承載能力進(jìn)行充分預(yù)計(jì)，確保建筑物安全可靠.

圖1 老采空區(qū)引起的地表殘余移動變形Fig.1 Surface residual deformation caused by old mined-out areas

地表殘余移動變形是指地表移動期結(jié)束后，在新建建筑物對老采空區(qū)的擾動下，地表繼續(xù)產(chǎn)生的移動與變形.煤層開采結(jié)束后，地表移動變形要經(jīng)過初始移動期、移動活躍期和移動衰退期3個階段，總稱為地表移動期.顯然，地表殘余移動變形是上述3個階段的延續(xù)，其移動變形分布規(guī)律應(yīng)與地表移動期內(nèi)地表移動變形規(guī)律相一致［1］.

2 地表殘余變形對建筑物的影響

老采空區(qū)地表移動期結(jié)束后，在老采空區(qū)地表上新建建筑物時(shí)，地基穩(wěn)定性的影響因素分為地基承載能力和地表殘余變形對建筑物的影響兩方面.因此，需要分析老采空區(qū)“活化”的可能性，并對地基的穩(wěn)定性以及建筑物的變形等級進(jìn)行評價(jià).

2.1 地基承載能力

對于老采空區(qū)影響下地基承載能力的分析，需綜合評價(jià)建筑物附加載荷的影響深度和下部采空區(qū)對上部覆巖的影響高度.建筑物的建造使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起地基變形，出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降.建筑物載荷的影響深度隨建筑物載荷的增大而增大.一般來說，當(dāng)?shù)鼗薪ㄖ镙d荷產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)深度處地基層的自重應(yīng)力的20%時(shí)，即可以認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處地基產(chǎn)生的影響忽略不計(jì).但是，當(dāng)其下方有高壓縮性土或有其他不穩(wěn)定因素時(shí)，如采空區(qū)垮落、裂隙帶，則計(jì)算附加應(yīng)力直至地基自重應(yīng)力的10%位置處，方可認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處的地基不產(chǎn)生影響（應(yīng)力比法）［2］.

根據(jù)建筑物載荷的影響深度與老采空區(qū)裂縫帶之間的空間位置關(guān)系，建筑物載荷的影響深度與巖體裂縫帶之間存在以下3種關(guān)系.

（1）建筑物載荷的影響深度與裂縫帶頂部有一定的距離，此時(shí)，建筑物載荷不會影響老采空區(qū)上覆巖的穩(wěn)定性（如圖2a所示）.

（2）建筑物載荷的影響深度達(dá)到裂縫帶頂部，此時(shí)，建筑物載荷處于影響老采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)（如圖2b所示）.

（3）建筑物載荷的影響深度進(jìn)入裂縫帶內(nèi)部，此時(shí)，建筑物載荷會影響老采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性，建筑物可能受到較大不均勻沉降的影響（如圖2c所示）.此種情況為3種關(guān)系中最為嚴(yán)重者，需采取一定的采空區(qū)處理措施以保證地表建筑的安全.另外，如果煤層較淺，離地表距離較小，從而使煤層的冒落帶高度達(dá)到地表，那么很可能產(chǎn)生冒透地表的現(xiàn)象，會產(chǎn)生突然的、不連續(xù)的沉陷，如臺階、漏斗狀塌陷坑.漏斗狀塌陷坑形狀多呈圓形、橢圓形.此種情況對建筑物的影響是危險(xiǎn)的.

圖2 建筑物載荷的影響深度與采空區(qū)裂縫帶之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between affecting depth of building loads and the goaf crack zone

現(xiàn)對地下深度為H的煤層上方的地基承載能力進(jìn)行分析.根據(jù)《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》［3］，開采后在覆巖中引起的冒落帶高度為Hm、裂隙帶高度為Hl.實(shí)際上，上部建筑物產(chǎn)生擾動等因素的影響，使裂隙帶的應(yīng)力集中區(qū)的發(fā)育高度遠(yuǎn)高于規(guī)程計(jì)算值，所以對裂隙帶的高度需要給定一個高度系數(shù).根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析對比，本文提出安全系數(shù)為1.4.

因此，煤層開采后，采空區(qū)引起的垮落帶、裂隙帶不再因附加建筑物載荷而重新破壞或“活化”時(shí)，則可評價(jià)地基承載能力滿足抗變形建筑設(shè)計(jì)要求.即，煤層最小采空區(qū)深度H應(yīng)大于裂隙帶與建筑物載荷的綜合影響深度：

建筑物載荷的影響深度H影按前述應(yīng)力比法計(jì)算.對于采深較小的，不滿足式（1）要求的老采空區(qū)，在這類地表新建建筑物，一般應(yīng)對地下采空區(qū)采取處理技術(shù)措施，例如注漿等，以確保地表不再發(fā)生較大的不均勻沉降量或地基失穩(wěn).

2.2 地表殘余變形對建筑物的影響

地下開采引起的地表移動和變形，對建筑物影響范圍內(nèi)的建筑物將產(chǎn)生影響，此影響一般是由地表通過建筑物的基礎(chǔ)傳到其上部結(jié)構(gòu)的.不同的地表移動，建筑物所受的影響也不同.

對老采空區(qū)引起的地表殘余移動變形的計(jì)算，應(yīng)采用目前我國應(yīng)用的概率積分法.在地表移動期內(nèi)，開采引起的地表下沉可由式（2）計(jì)算：

式中，q為地表下沉系數(shù)，根據(jù)地表移動期內(nèi)的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)確定；S為拐點(diǎn)的偏移距；m為開采厚度；r為主要影響半徑；x為距采空區(qū)邊界的距離.

根據(jù)隨機(jī)固體介質(zhì)理論，假設(shè)巖層移動活動結(jié)束后所有的空隙均被充分充填壓實(shí)，則此時(shí)形成的地表移動盆地可看做極限條件下的移動變形分布.極限條件下的地表下沉為

式中，qu為極限下沉系數(shù).

極限條件下老采空區(qū)地表的殘余下沉可表示為

在地表移動穩(wěn)定后較長一段時(shí)間內(nèi)，老采空區(qū)煤壁在建筑物附加載荷及覆巖重力載荷的長期作用下，煤壁塑性區(qū)發(fā)展得比較充分.在充分采動和重復(fù)采動下，可近似認(rèn)為拐點(diǎn)偏移距S＝0.由于地表殘余移動變形較小，可以假設(shè)在地表移動期結(jié)束后，采空區(qū)上方發(fā)生的地表殘余移動變形并沒有明顯改變老采空區(qū)原有下沉盆地的形狀和范圍，即認(rèn)為地表的極限下沉盆地和實(shí)際下沉盆地的范圍基本一致.因此，根據(jù)式（4），老采空區(qū)地表的殘余下沉可進(jìn)一步表示為

式中，qr＝qu-q為地表殘余下沉系數(shù).

假設(shè)極限條件下地表水平移動系數(shù)bu與常規(guī)地表水平移動系數(shù)b相同，則老采空區(qū)地表殘余水平移動可表示為

根據(jù)式（5）和式（6），可進(jìn)一步導(dǎo)出采煤沉陷區(qū)地表殘余傾斜、殘余曲率、殘余水平變形表達(dá)式［4］.

一般來說，地表大面積、平緩、均勻的下沉和水平移動，對建筑物影響很小，不至于引起建筑物破壞，可不作為衡量建筑物破壞的指標(biāo)；建筑物抗拉能力弱、地表水平變形使建筑物的基礎(chǔ)產(chǎn)生拉伸變形是引起建筑物破壞的主要因素.受到拉伸變形后，往往是先在建筑物的薄弱部位出現(xiàn)裂縫，有時(shí)地表尚未出現(xiàn)明顯裂縫，而在建筑物的墻上卻出現(xiàn)了裂縫，破壞嚴(yán)重時(shí)，會使建筑物倒塌.因此，必須對建筑物采取適當(dāng)?shù)目棺冃谓Y(jié)構(gòu)措施，以抵抗采空區(qū)處理后的殘余變形.

3 地基穩(wěn)定性實(shí)例驗(yàn)證

鶴崗市和諧花園小區(qū)擬建地面以上6層住宅樓，地下1層，位于采煤塌陷區(qū)范圍內(nèi)，煤炭開采歷史久遠(yuǎn).根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)采礦資料及勘探資料分析，鶴崗市興山老二井曾開采了15煤、18煤、21煤、22煤等煤層，開采時(shí)間為20世紀(jì)50年代.本區(qū)域正下方有兩煤層：15煤和18煤.15煤最小深度37.4m，采厚14.2m；18煤最小深度75.8m，采厚15.4m.15煤與18煤的間距為24.2m.根據(jù)巖土工程勘察，場地回填土深度變化大，回填土深度在4.20～15.30m，基巖為堅(jiān)硬的砂巖.

3.1 地基承載能力

（1）建筑物的影響深度.基礎(chǔ)持力層位于回填土下粉質(zhì)黏土層，地表下15m.建筑物的影響深度計(jì)算表如表1所示.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，建筑物每層產(chǎn)生載荷25kPa，該建筑物為7層，則基底頂部所在層p0＝25×7＝175kPa.通過表1可知，當(dāng)在基底下深度20m時(shí)，附加應(yīng)力p0＝59kPa，土的自重應(yīng)力σc＝700kPa，p0／σc＜0.1，即認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處的地基產(chǎn)生的影響可忽略.比較上面的計(jì)算分析，可取建筑物的影響深度為樁底下20m，即地表下35m（含15m為樁基長度）.

表1 建筑物的影響深度計(jì)算表Table 1 Computation table of affecting depth of buildings

（2）冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶的高度.根據(jù)《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》［3］進(jìn)行如下計(jì)算.

18煤的冒落帶高度：

即18煤的冒落帶進(jìn)入15煤.

15煤即上層煤的裂縫帶高度：

18煤裂縫帶的高度，按15煤和18煤的綜合開采厚度計(jì)算：

由于冒落帶高度較大，接近地表，上覆巖層的剩余巖梁為雜填土，其承載能力幾乎沒有，冒落帶冒透地表的可能性較大，且15煤與18煤的冒落帶連通，因此連通后的冒落帶高度增大.此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合，該范圍內(nèi)確有塌陷坑存在，如圖3所示.

圖3 和諧花園小區(qū)規(guī)劃范圍西部的地表塌陷坑Fig.3 Surface collapse pit of the western part of the planning range of Harmonious Community

經(jīng)計(jì)算分析可知，該區(qū)域的地基承載能力達(dá)不到要求.該處的建筑物影響深度為35m，裂縫帶與建筑物載荷的綜合影響深度大于開采深度.因此，該區(qū)域老采空區(qū)覆巖將會因地表新建建筑物而“活化”，地表將會產(chǎn)生失穩(wěn)性不均勻沉降.為防治這種可能出現(xiàn)的失穩(wěn)性不均勻沉降，必須對老采空區(qū)進(jìn)行嚴(yán)格的注漿填充.否則，地基穩(wěn)定性將難以保證.鶴崗礦區(qū)地表塌陷坑如圖4所示.

3.2 地表殘余變形對建筑物的影響

本區(qū)域地下開采時(shí)間為20世紀(jì)50年代以前，當(dāng)時(shí)的采出率較低.經(jīng)過多年的蠕變壓縮后，在新建建筑物附加應(yīng)力的作用下，其殘余移動影響已經(jīng)不大.開采距今已有50余年，地表殘余移動變形量已經(jīng)很小.計(jì)算取未注漿前的殘余下沉系數(shù)，為0.018.計(jì)算坐標(biāo)系如圖5所示.

圖4 鶴崗礦區(qū)地表塌陷坑Fig.4 Surface collapse pit of Hegang mining area

圖5 計(jì)算坐標(biāo)系Fig.5 Coordinate system of calculation

老采空區(qū)殘余移動變形預(yù)計(jì)的其他參數(shù)參照鶴崗礦區(qū)常規(guī)計(jì)算的參數(shù)選取，分別如下：

水平移動系數(shù)b＝0.27；

主要影響角的正切值tanβ＝2.4（表土比例大）；

開采影響傳播角90-0.43α（α為煤層傾角）；

拐點(diǎn)偏移距S＝0（煤壁塑性區(qū)發(fā)展得比較充分，區(qū)內(nèi)表土比例大）.

取15煤的煤層傾角7.5°，煤層厚度14.2m；18煤的煤層傾角7.5°，煤層厚度15.4m；21煤的煤層傾角21.6°，煤層厚度5.9m；22煤的煤層傾角21.6°，煤層厚度5.9m.

取計(jì)算方向?yàn)榻ㄖ锏拈L軸方向，采用ZMS 7.6軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算［5］.結(jié)論如下：對建筑物影響較大的是地表水平變形影響，達(dá)到-10～＋8mm／m，沿建筑物長軸方向即最不利方向達(dá)到Ⅳ級變形.受全部老采空區(qū)影響的地表殘余水平變形預(yù)計(jì)等值線圖如圖6所示.必須對建筑物采取抗變形措施，以抵消地表殘余變形.圖7為鶴崗礦區(qū)地表變形引起的建筑物破壞.

圖6 受全部老采空區(qū)影響的地表殘余水平變形預(yù)計(jì)等值線圖（單位：mm／m）Fig.6 Expected isoline map of horizontal deformation of surface residual deformation influenced by all the old goaf

圖7 鶴崗礦區(qū)地表移動變形引起的建筑物破壞Fig.7 Building damages caused by ground movement and deformation in Hegang mining area

4 結(jié) 語

（1）殘余變形是地表移動期結(jié)束后在老采空區(qū)新建建筑物對地基產(chǎn)生擾動，地表繼續(xù)產(chǎn)生的移動和變形.

（2）老采空區(qū)對地面新建建筑物的影響分為地表殘余變形影響和地基承載能力影響兩方面.提出了地基穩(wěn)定性分析的計(jì)算公式、評價(jià)方法、地表殘余變形預(yù)測的巖層移動參數(shù).

（3）依據(jù)提出的計(jì)算公式、巖層移動參數(shù)、分析方法，在鶴崗市和諧花園小區(qū)進(jìn)行建筑物地基穩(wěn)定性分析，結(jié)果與實(shí)際情況吻合.

［1］朱元武，劉春香，賀金強(qiáng).采空區(qū)場地高層建筑地基穩(wěn)定性評價(jià)［J］.工業(yè)建筑，2009（39）：738-740.

［2］趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程［M］.2版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004：200-235.

［3］國家煤炭工業(yè)局.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［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004：226-230.

［4］何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991：122-127，135-142.

［5］朱廣軼，沈紅霞，朱樂君，等.開采沉陷動態(tài)分析方法研究［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（5）：1-4.

Effect of Old Mined-out Areas and Surface Residual Deformation on Buildings

ZHU Guangyi1，XIE Chen1，DOU Ming2，LIU Xiaoqun1，GUO Ying1

（1.Architectural and Civil Engineering College，Shenyang University，Shenyang，110044，China；2.Shenyang Coal Trade Group Corporation Limited Liability Company，Shenyang 110122，China）

Under shallow mining conditions，analysis of residual deformation is a difficult problem in rock movement field.Through analysis of residual deformation influence and ground-bearing capacity influence which constructing the buildings on the old coal surface，the foundation bearing capacity formula，the building foundation stability evaluation methods，rock movement parameters are proposed.The method is verified by Hegang Harmony Garden District.

old mined-out areas；surface residual deformation；foundation stability；effect

TD 325

A

1008-9225（2012）03-0070-05

2011-12-09

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（201102154）；遼寧省教育廳科研項(xiàng)目（L2010379）.

朱廣軼（1962-），男，遼寧喀左人，沈陽大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

李 艷】