采空區(qū)新建建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

莊 巖（遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013）

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采空區(qū)新建建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

莊 巖
（遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013）

摘 要：本文從研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件入手，通過收集資料，闡述了采空區(qū)工程概況、地質(zhì)環(huán)境條件、煤層發(fā)育特征及開采情況等；應(yīng)用概率積分法，建立基本數(shù)學(xué)模型，選取合理的計(jì)算參數(shù)，揭示了地表移動(dòng)及變形的規(guī)律，本文采用概率積分法計(jì)算采空區(qū)地表最大移動(dòng)與變形值。研究成果對(duì)彩屯礦采空區(qū)今后的充填開采實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；地面沉陷；概率積分法；變形規(guī)律

開采礦山時(shí)巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)被破壞，使得巖層發(fā)生位移、變形等現(xiàn)象，巖土的完整性受到了破壞。當(dāng)開采的面積達(dá)到一定范圍之后，起始于采場附近的移動(dòng)和破壞將擴(kuò)展到地表，引起地面沉降、地面塌陷（統(tǒng)稱地面沉陷）。在老采空區(qū)上方進(jìn)行工程建設(shè)是諸多煤炭生產(chǎn)地愈來愈普遍的現(xiàn)象，采空區(qū)地基的穩(wěn)定性研究也愈來愈體現(xiàn)出重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。在采空區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，需要根據(jù)已知的地質(zhì)采礦條件在開采之前預(yù)先計(jì)算出地表可能產(chǎn)生的移動(dòng)和變形。此外還應(yīng)考慮地震、地下水和巖石蠕變等“活化”因素的影響。鉆探、物探是目前勘查采空區(qū)的基本手段。

本文根據(jù)所獲取的彩屯礦區(qū)大量實(shí)測數(shù)據(jù)，研究了彩屯礦地表移動(dòng)變形規(guī)律，獲得該區(qū)域地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。為礦區(qū)采煤方案設(shè)計(jì)與保護(hù)煤柱合理留設(shè)以及地表災(zāi)害防護(hù)提供了重要參考。

1 地質(zhì)采礦條件

彩屯煤礦位于本溪巿區(qū)太子河西岸，北靠月牙嶺，井下東起下一區(qū)絞車道，西至礦F3號(hào)斷層，北起開采上限，南至950m煤層底扳等高線。礦區(qū)總面積7.3361km2。礦區(qū)位于本溪市區(qū)，太子河以西，北部和西部較高，向南、向東地勢漸低，為起伏不大的低山地形地貌。礦區(qū)大地構(gòu)造位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（I），膠遼臺(tái)?。↖1），太子河～渾江臺(tái)陷（I12）、遼陽～本溪凹陷（I12-1）內(nèi)。地層發(fā)育，出露比較齊全，地層主要呈單斜構(gòu)造，傾向187°～239°、傾角16°～21°；斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要呈北東向，次為北西向；巖漿巖不發(fā)育，如圖1所示。

圖1 采區(qū)分布示意圖

2 地表沉陷規(guī)律研究

2.1 概率積分法數(shù)學(xué)模型

概率積分法是把巖體當(dāng)作一種隨機(jī)介質(zhì)，把巖層當(dāng)作由大量松散的顆粒介質(zhì)組成，通過隨機(jī)介質(zhì)理論，把巖層移動(dòng)看作一種服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)過程，由此研究巖層與地表移動(dòng)。經(jīng)理論研究和實(shí)踐證明，概率積分法預(yù)計(jì)的地表移動(dòng)變形比較接近工程實(shí)際。（1）當(dāng)采區(qū)內(nèi)煤層全部開采后，地表任意點(diǎn)（x，y）處的下沉為：

m——采出煤層厚度；

q——地表下沉系數(shù)；

α——煤層傾角。

CX、CY分別為待求點(diǎn)在走向和傾向主斷面上投影點(diǎn)處的下沉分布系數(shù)；

l、L分別為采區(qū)拐點(diǎn)平移后走向長度及傾斜方向在地表的計(jì)算開采寬度；

r，r1，r2分別為走向、下山、上山的主要影響半經(jīng)；

（2）地表任意點(diǎn)傾斜值i（x，y）φ（沿指定的φ方向）

ix、iy分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向主斷面上投影點(diǎn)處迭加后的傾斜變形值，mm/m；

（3）地表任意點(diǎn)的曲率變形Kφ

Kx、Ky分別為待求點(diǎn)沿走向及傾向在主斷面投影處迭加后的曲率值。

（4）地表任意點(diǎn)沿指定方向φ的水平移動(dòng)值uφ

ux、uy分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向在主斷面投影點(diǎn)處迭加后的水平移動(dòng)值，mm。

（5）地表任意點(diǎn)的水平變形εφ（沿指定方向）

εx、εy分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向在主斷面投影點(diǎn)處迭加后的水平變形值，mm/m。

2.2 參數(shù)確定

彩屯礦區(qū)自1957年10月開始對(duì)地表沉陷進(jìn)行觀測，到1982年10月觀測結(jié)束，26年期間獲得了大量的地表沉陷實(shí)測數(shù)據(jù)。通過對(duì)觀測資料的綜合分析與研究，得出了符合本地區(qū)特定地質(zhì)采礦技術(shù)條件下的地表移動(dòng)與變形規(guī)律、各種角量參數(shù)以及概率積分法特定參數(shù)。其中邊界角值見表1和表2，概率積分法特定參數(shù)值見表3。

2.3 計(jì)算結(jié)果

采用任意形狀、多工作面地表沉陷計(jì)算與繪圖軟件對(duì)彩屯礦區(qū)地表沉陷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算區(qū)域內(nèi)地表最大殘余下沉值為169.16mm，東西方向地表最大傾斜變形值為0.094mm/m，南北方向地表最大傾斜變形值為0.509mm/m，東西方向地表最大水平變形值為0.58mm/m，曲率變形最多變形值為0.005（×10-3/m）。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》第十六條，采空區(qū)上建筑物地基允許變形為：傾斜變形小于3mm/m，曲率變形小于0.2×10-3/m，水平變形小于2mm/m。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2011》規(guī)定，該辦公樓為7層，高度不超過30m，根據(jù)表2，其地基傾斜變形允許值為3mm/m。綜上計(jì)算可知，采空區(qū)殘余變形均小于上述允許值。

表1彩屯礦區(qū)各觀測線實(shí)測地表移動(dòng)邊界角值統(tǒng)計(jì)表

表2彩屯礦區(qū)地表移動(dòng)邊界角綜合分析成果

表3彩屯礦區(qū)概率積分法特定參數(shù)表

結(jié)論

（1）本文從研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件入手，通過收集資料，闡述了采空區(qū)工程概況、地質(zhì)環(huán)境條件、煤層發(fā)育特征及開采情況等。

（2）概率積分法函數(shù)形式簡單，推導(dǎo)方便，計(jì)算速度很快，對(duì)于大型預(yù)測來說，可節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：X752

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