采空区高层建筑安全稳定性分析

采空区高层建筑安全稳定性分析
作者：张占兵禹朝群王磊巩瑞杰
来源：《科学与技术》 2019年第4期
■张占兵禹朝群王磊巩瑞杰
摘要：本文以工程实例为背景，通过分析煤矿采空塌陷区的采空影响和建设项目的结构基础，综合多方面的影响因素，分析计算采空区上方构建高层建筑物的安全稳定性，为采空区合
理利用以及采空区上方建设构筑物安全建设提供依据，并为类似工程提供借鉴意义。

关键词：采空塌陷区；采空影响；高层建筑
随着经济的发展，土地资源愈来愈珍贵，尤其是位于城区的煤矿采空区，逐渐被利用起来。

采空区的不均匀沉降作用会对地表建筑物的结构造成破坏，如果地基及建筑物选择处理不当，
会使建筑物发生局部开裂、倾斜、直至倒塌。

本文以某工程实例分析在采空区上高层建筑物的
安全稳定性，并探讨在采空区构建建筑物的可行性。

1 工程项目概况
本工程为住宅楼1栋，地下2层，地上17层，框架结构，筏板基础，基础埋深5.5m。

2 场地地质条件
建设项目位于某煤矿塌陷区东北部，场地地势平坦，地形简单，地貌类型单一，地表为厚
度2～3m的杂填土层；其下为第四系上更新统（Q3）冲洪积沉积层，岩性为粉质粘土及细砂层，第四系覆盖层总厚度20m左右。

下覆基岩为二叠系地层，岩性主要为泥质砂岩、砂岩、砂质页
岩及碳质泥岩夹煤层和粘土岩，厚约600m。

其下为石炭系地层，岩性主要为细砂岩、砂质页岩、灰岩夹煤层和粘土岩，厚约160m，地层岩性、岩相稳定。

本区地下煤层主要是在上世纪50年代～60年代初开采，最小采深约530m，最大采深约
750m，平均采深约615m，累计采厚7.4m，停采时间为1963年。

开采方法采用短壁开采，全部
陷落法管理顶板。

塌陷是自北向南逐步扩展的，属于连续性沉降变形。

3高层建筑安全稳定性分析
掌握地表移动的持续时间是评价地基稳定、保护建筑物安全使用的必要条件，根据相关规程，在6个月内累计下沉值不超过30mm即为基本稳定。

地表移动持续时间按下式计算：
T总=2.5H
式中：T总——总移动时间（月）
H——开采深度，场地最大开采深度按670m计算
计算结果：总移动时间为1682天≈4.6年。

从全国各矿区的经验值来看，地表移动持续时间最多不超过5年，场地地下采煤活动停止4.6年后地表移动趋于稳定，即本区1968年初地表移动已处于相对稳定期，几十年以来岩土体
形成新的平衡状态，地表移动早已停止，产生新的地面变形的可能性很小。

工程建设能否引发采空塌陷地质灾害，主要取决于工程建设是否导致采空区活化，现分析如下。

1、导水裂隙带高度计算
场地内煤系上覆地层岩性中硬，根据“三下”采煤规程，最大导水裂隙带高度可按下式计算：
公式一：H=
公式二：H=
式中：—累计采厚，按7.4m计算，±5.6为计算公式中的误差
公式一计算最大导水裂隙带高度为53.6m
公式二计算最大导水裂隙带高度为64.4m
本场地最大导水裂隙带高度取最大值，场地内煤层最小采深530m，最大导水裂隙带埋深约426m。

2、拟建建筑荷载作用下基础附加应力传播深度的计算
建（构）筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降。

一般的，当地基中建筑荷载产生的附加应力等于相应深度处地基的自重应力的20％时，即可以认为附加应力对该深度处地基产生的影响可忽略不计，但当其下方有高压缩性土或别的不稳定性因素，如采空区垮落、裂隙带时，则应计算附加应力直至地基自重应力10％位置处，方可认为附加应力对该深度处的地基不产生影响，该深度即为建（构）筑物荷载影响深度（H 影）。

地基中自重应力用下式计算：
σc＝r1h1+r2h2+…+rnhn
式中：r1、r2、…、rn—地基中自上而下各层土或岩石的容重，kn/m3；
h1、h2、…hn—地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m。

建设场地第四系表土层厚取20m，表土层计算容重取20KN/m3，以下岩层计算容重取
25KN/m3。

地基附加应力按照下式计算：
σz＝KP0
式中：K—各种荷载（矩形、方形、条形荷载等）下的竖向附加应力系数；
P0—作用于基础底面平均附加压力，KN/m2；
P0＝P-r0D
P—建构筑物基础底面处竖向均布荷载，KN/m2；
r0—承台基础底面标高以上天然土层的容重，r0＝20 KN/m3；
D—基础埋深。

由于建筑物荷载影响深度与建筑物的结构、基础型式、基础埋深、荷载大小等有关，一般
浅基础的建筑荷载影响深度为10～30m。

当建（构）筑物采用深基础时，建（构）筑物荷载影
响深度相应增大，通过计算本场地内建筑物计算荷载影响深度为49m。

场地内建筑物的附加荷载影响深度为49m，最大导水裂隙带埋深约425m，二者之间相隔
376m，因此建筑物荷载影响到导水裂隙带区域的可能性很小，即不会导致采空区的活化。

3、工程建设的安全性分析
采空塌陷是因为采掘活动造成了上覆岩层的破坏，而最终波及到地表，使地表产生垂直及
水平变形，地表移动和变形造成建筑物的破坏。

老采空区是否达到永久性稳定，取决于两方面的决定条件，满足其一即可达到永久稳定。

（1）采空区获得永久稳定支撑。

这在采用科学设计的房柱式开采或条带式开采时才能实现，建设场地显然不能满足这种条件。

（2）煤层采出后，采空区顶底板充分遇合并压实，也就是地表移动已经彻底，不存在引起地表移动的潜在因素。

本区开采方式为走向长壁及落垛式开采，显然还是存在采空区重新活化
的可能性。

此次采用极限沉降预测法进行老采空区活化量的计算，该方法的理论基础是开采后地表移
动最大值总是小于采厚，其减小的原因就是岩体内存在空隙、裂隙和离层裂隙，老采空区活化
就是这些空隙、裂隙和离层裂隙闭合的结果。

计算方法为：假定这些空隙、裂隙和离层裂隙完
全闭合，则下沉系数最大能达到1，则残余下沉系数为：
q′=1-q
式中：q—下沉系数（mm/m），取0.95
根据残余下沉系数利用下列公式计算最大残余下沉值（η′）、最大残余倾斜值（ì′）、最大残余曲率值（K′）、最大残余水平变形值（ε′）。

η′=q′×m×cosa
mm
位置（X=∞）
ì′ =η′/r
mm/m
位置（X=0）
K′ =±1.52η′/r2
mm/m2
位置（X=±0.4r）
ε′=±1.52bì′
mm/m
位置（X=±0.4r）
式中：m—累计采厚，按7.4m计算
a—煤层倾角，按30°计算
r—地表影响区半径（m），按下式计算r=H/tanβ
H—开采深度，按最小采深530m计算
β—岩层移动角，tanβ按经验值1.8计算
b—水平移动系数，按经验值0.34计算
计算结果如下：
最大残余下沉值（η′）=320mm
最大残余倾斜值（ì′）=1.1mm/m
最大残余曲率值（K′）=±0.004mm/m2
最大残余水平变形值（ε′）=±0.4mm/m
通过上述计算结果，建设场地变形值远小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定限值。

结论
通过对建设场地的地质条件和采空影响进行分析论证，在本场地内建设高层建筑可以满足安全稳定的要求，为合理利用土地资源和解决城市用地问题提供了佐证。

由于地质条件的复杂性和影响因素的不确定性，应加强地质灾害监测工作，建立地表岩移观测站，以监测地面变形及建筑物变形情况。

参考文献
[1]滕永海，唐志新。

老采空区地面建筑技术研究及应用[J]。

煤炭科学技术，2016，44（1）：183-186．
[2]郑莹，郭立稳，毕作枝。

浅析采空区的破坏机理与处理方法[J]。

矿业工程，2008，（04）：32-34。

（作者单位：河北钢铁集团矿山设计有限公司）。