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第二部分 采空区地基沉降规律的研究采空区地基沉降规律的研究摘要：随着我国经济的迅猛发展和城市化的快速发展，工业和基础设施建设的数量和范围也在不断的扩大，土地资源显得日益紧缺，煤矿采空区上部常常作为高速路或小区建设用地，但煤矿采空区的沉降机理问题是一类特殊的岩土工程问题，受诸多因素控制和影响。在工程建设中一般要尽量避开，但矿区采空区往往星罗棋布，工程建设不可避免地要穿越或坐落在采空区，这会给路基、路面及其他桥梁等构筑物的施工带来风险和潜在的危害，然而为了最大化的重新利用采空区土地资源，工程界急待解决采空区的地表变形和稳定性评价难题。本文主要对采空区的情况、煤矿采空区的地基沉降规律、地基稳定性评价及主要解决措施加以阐述。关键字：采空区；地基沉降；沉降规律；稳定性；处理措施；质量控制煤炭是我国主要能源之一，多年的开采在全国各地形成了很多大范围、大规模的采空区。随着国民经济的高速发展，土地资源越来越宝贵，同时由于采矿企业生产转型和可持续发展的要求，许多工业与民用建筑工程、交通运输工程需要建设在新、老采空区内。但是，地表附加荷载导致采空区“活化”或加大、加速变形，从而危害所建工程。目前，国内外还缺少对此方面的系统理论研究和工程实践。因此，开展采空区综合治理和工程应用技术的研究显得尤为重要，具有现实意义。在过去的几十年中，中西部煤炭资源的开发对国民经济的发展做出了巨大贡献，但是同时中西部的一些老能源基地也造成了大范围、大规模采空区。同时地表出现了裂隙、房屋出现倒塌，造成了很大的负面效应。现在我国西部大开发和可持续发展战略的实施，许多公路、铁路、厂房等需要建立在或穿越采空区，由于对采空区缺乏深入的理论研究及较少工程实践，工业和民用建筑及交通设施等在附加荷载和运输工具的动荷载影响下采空区在部分地区出现了“活化”，导致地表残余变形过大，影响了正常使用甚至发生了事故。所以，从降低成本，确保安全的角度出发，使所建工程能够安全、有效的发挥作用，对采空区的稳定性进行深入、系统的研究就显得十分有研究价值。1 煤矿采空区1.1 采空区概念所谓采空区是指地下固体矿床开采后所留下的空间区域。当矿体(如煤、金属矿石等)从地下被开采出来后，上部覆岩体失去支撑而导致平衡破坏。为达到新的平衡，应力进行重分布，在此过程中，采空区上部岩体变形和移动会向上波及地表，地层内部岩石的强度和内聚力也会大大降低，并在地表呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式的变形，直到上覆岩层整体下沉。这些地表变形和破坏的区域或范围统称为采空区。1.2 采空区类型采空区有不同的分类方法，按采煤方法与顶板管理方法，可以分长壁陷落法采空区、短壁陷落法采空区、巷柱或房柱式采空区、条带法或填充法采空区。 所谓长壁陷落法采空区是由长壁大冒顶采煤法形成的采空区；短壁陷落法采空区是由短壁自由冒顶采煤法形成的采空区；巷柱或房柱式采空区是由巷柱或房柱式采煤法形成的采空区；条带法或填充法采空区是由条带或填充采煤法形成的采空区。按采煤深厚分又可分为以下几类：1.浅层采煤区：开采深、厚比小于40的采空区；2.中深层采空区：开采深、厚比大于40，但小于200的采空区；3.深层采空区：开采深、厚比等于或大于200的采空区。按煤矿采空区形成和停采的时间分类，可以分为新采空区和旧采空区两种。所谓新采空区是指现采空的采空区（采煤后放顶或刚放顶的采空区）。其地表移动、变形尚未发生或正在发生过程中，或位于正在采煤的采区、采煤工作面近旁的采空区已放顶，地表移动、变形和移动盆地正在发生、发展中。老采空区是指已停采闭矿的矿区或已停采的采空区（或指新采空区以前的采空区），其地表移动、变形和移动盆地等已形成并趋于稳定的采空区。1.3 采空区概貌我国金属与非金属矿产分布范围广、储量丰富，其开发、开采的规模也很大。尤其是煤炭储量和产量，分别居世界第三位和第一位。煤炭是我国当前的主要能源，据统计，国内一次能源的生产和消费中，煤炭约占四分之三。预计今后三、五十年里，煤炭作为我国第一能源的地位不会改变。据调查，我国除上海市外，各省（区）、直辖市都有煤炭资源及其采空区的分布，金属和其他矿床及采空区的分布范围，远远小于煤矿采空区的分布范围。1.4 国内外研究现状及进展有关采空区问题的研究，国内外主要是在煤炭、冶金、军事和交通等部门进行，如波兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家，从20世纪50年代开始就对“三下”采煤技术（建筑物下、铁路下、水体下）进行了详细研究。同时，对采空区地表构筑物保护和防治技术也进行了大量试验研究，积累了宝贵的经验。目前，对采空区关键技术的研究主要集中在以下4个方面：1.地下采空区的探测技术；2.采空区的稳定性评价技术；3.采空区的治理技术；4.采空区的质量监控技术。对于采空区的探测，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术发展比较全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来地震CT技术也迅速发展。7俄罗斯在工程物探技术方面发展也较全面，曾用地震反射法完成了莫斯科100km的地震剖面勘察，成功的圈定了裂缝及岩溶分布范围。他们常用直流电法和瞬变电磁法勘察采空区，在这方面具有很高的水平。同时他们在井间电磁波透视、声波透视及射气测量技术方面也发展较快。日本工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法。此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用比较多。特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。近年来，国内在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的工作，开发了多种方法，有些技术甚至超过了国际水平。如瞬态瑞利波法、地质雷达、弹性波CT、超声成像测井等都具有很高的水平。随着我国物探技术测量精度和信息处理速度的提高，工程物探越来越成为探明地下采空区的有效勘探手段。对于采空区稳定性分析评价，针对地基开采沉陷及“三下”采煤技术，国内外均进行了大量研究，形成了矿山开采沉陷学等学科。2 煤矿采空区沉降基本规律2.1 采空区上覆岩体移动模式矿体开采破坏地应力的分布，应力受到扰动而重分配，重分布后形成的应力则称为二次应力或诱导应力。地下空间的开采必然使围岩应力场和变形场重新分布并引发围岩和覆岩损伤，严重时导致失稳、垮塌和破坏直到新平衡，发生岩移现象。地下开采后形成的巷道、采空区数量大，形状复杂，因此岩层移动过程和岩体破坏形式复杂多样。下面简单描述采动岩体移动的基本形式：(1)上覆岩层的弯曲是岩层移动的主要形式，当地下矿体被采出后覆岩中的各个分层，从直接顶开始，沿法线方向，依次向采空区方向弯曲。在整个弯曲范围内，岩层可能出现数量不多的微小裂缝，基本上保持连续性和层状结构。当采空区跨度较大时，弯曲的岩层可能产生破断、跨落。(2)矿体上方岩石垮落由于矿体被开采，在自重作用下，岩体内部应力超过岩石的破坏极限，部分岩石就会脱离，破碎成大小不一的岩块。(3)上覆岩层的裂隙是指在采空区不大时或在跨落岩石堆积到一定程度时，其上方的岩层只产生断裂和离层而不跨落。(4)矿体被挤出矿体采出后，采空区顶板岩层出现悬空，其上覆压力转移到周围矿柱上，形成高应力区，周围矿体在附加应力的作用下，一部分矿体被压碎，并挤向采空区，导致片帮现象。(5)岩石岩层面滑移在倾斜岩层条件下，岩石自重力方向与岩层的层理面斜交.由于采空区下部应力释放，在重力作用下岩石将沿层理方向移动，随着岩石倾角的逐渐增大，岩石岩层节理面的滑移越明显，其结果将导致采空区上山方向的部分岩层受拉，甚至被剪断，而下山方向部分岩层被压缩。(6)跨落岩石的下滑矿层采出后，采空区被岩块填充。如果矿层倾角较大，上部跨落的岩石下滑充填采空区。跨落岩石下滑后，其上部岩石失去支撑而跨落，造成跨落和裂隙向上发展。如果岩层倾角很大，开采边界距地表越近，跨落就可能发展直到地表，形成抽冒现象。(7)底板隆起如果开采矿层底板岩石很软且倾角较大，在矿体被开采后，底板在侧压力作用下向采空区方向隆起，形成底板岩石移动。在有地下水时，地板可能破裂。2.2 采空区上覆岩体空间破坏特征在大面积全部、跨落法管理顶班条件下，覆岩破坏呈现出明显的分区域特点采空区范围较小而采深较大时，采空区上覆岩体的移动可能并不会波及地表。而当采空区范围较大而采深较小时，其上覆岩体的移动将会波及到地表，并引起地表下沉，下沉所涉及的整个范围称为下沉盆地。在矿区称为塌陷区，当开采空间跨度足够大，即使完整坚硬的顶板，会因强度超过极限而垮塌、冒落。实际上多数岩体都含有各类地质弱面将岩体切割成一系列弱联接的嵌合体或各式各样的组合体，这种岩块体在围岩应力与自重共同作用下，当矿体被采空后，在紧靠采空区的块体被暴露以后，临空块体就发生移动，满足失稳的力学和几何条件的块体先行垮落，并将这种过程传递给相邻的岩块体，随之垮落相继发生，顶板岩块的移动逐渐发展，破裂区逐渐扩大。同时，垮落岩体发生一定程度的碎胀和剪胀，当碎胀和剪胀的体积之和等于采出空间时，垮落终止。垮落终止后岩体的应力状态逐渐恢复平衡。在此过程中，上覆岩层因下方采动而产生的移动、变形从性质上可以分为垮落带、断裂带、弯曲带。垮落带是指用全部垮落法管理顶班时，回采工作面放顶后引起煤层顶板岩层产生垮落破坏区段。其高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3-5倍。断裂带又称为裂隙带，位于垮落带之上。主要由岩层离层及相对滑移而生成，与冒落带没有明显的界限。在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍然保持层状结构的那部分岩层及所属范围，称为断裂带。其断裂裂缝形式具有垂直或接近垂直的规律性。岩层断裂带和冒落带没有明显的界限，合称为透水裂隙带，在靠近冒落带的岩层，断裂。弯曲带位于断裂带之上直到地表。在垂直剖面图上，其上下各部分的沉降差异很小，一般不会出现离层现象.岩层在自重力的作用下产生层面法向弯曲在水平方向处于双向受压缩状态，而且其沉陷过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝，贯通性很差。其弯曲带的高度主要受开采深度影响。以上划分的三个岩层移动带，在水平和缓倾斜煤层开采时较明显。三带的划分是为了研究方便，实际上覆岩的破坏是连续的，它们之间存在着一定的过渡高度。2.3 采空区地表的变形特征当地下开采影响到大地表以后，在采空区上方地表将形成一个凹陷盆地，或称为地表移动盆地。一般来说，地表移动盆地的范围要比采空区面积大很多形状近似椭圆形。在矿层平缓和充分采动情况下，发育完全的地表移动盆地可分为三个区域，中间区位于采空区正上方，其地表下沉均匀，地面平坦，一般不出现裂缝，地表沉降值最大。内边缘区位于采空区内侧上方，其地表下沉不均匀，地面向盆地中心倾斜，呈凹形，一般不出现明显的裂缝。外边缘区位于采空区外侧矿层上方，其地表下沉不均匀，地面向盆地中心倾斜，称凸形，常有张裂缝出现。地表移动盆地的外边界，常以地表下沉10mm为标准来圈定。图 2.1 地表移动盆地3 采动影响与建（构）筑物破坏关系3.1 地表移动与变形 煤层开采后，采空区上覆岩层产生垮落带、断裂带、弯曲带，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，如图3.1。描述地表移动盆地内移动和变形的指标是下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形等。下沉盆地内任一点的地表移动过程可分为三个阶段：初始期、活跃期和衰退期。一般规定衰退期从活跃期结束时开始，到六个月内下沉值不超过30mm为止。在按照规程规定的“移动稳定”后，实际上地表还有少量残余下沉量，这个残余下沉量将持续相当长一段时间，与开采深度、覆岩性质、顶板管理方法等有关。在老采空区上方新建建（构）筑物时，应根据开采结束时间，估计残余下沉的影响。图 3.1地表移动盆地示意图3.2 地表移动与变形对建（构）筑物的影响地下开采引起的地表移动和变形，对座落在影响范围内的建（构）筑物将产生影响，这种影响一般是由地表通过建（构）筑物的基础传到建（构）筑物上部结构的。在不同的地表变形及大小作用下，对建（构）筑物将产生不同的影响果。（1）地表下沉和水平移动对建（构）筑物的影响地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动，一般对建（构）筑物影响很小，不致引起建（构）筑物破坏，故不作为衡量建（构）筑物破坏的指标。如建（构）筑物位于盆地的平底部分，最终将呈现出整体移动，建（构）筑物各部件不产生附加应力，仍可保持原来的形态。但当下沉值很大时，有时也会带来严重的后果，特别是在地下水位很高的情况下，地表沉陷后盆地积水，使建（构）筑物淹没在水中，即使其不受损害也无法使用。非均匀的下沉和水平移动，对工农业和交通线路等有不利影响。(2)地表倾斜对建（构）筑物的影响移动盆地内非均匀下沉引起的地表倾斜，会使位于其范围内的建（构）筑物歪斜，特别是对底面积很小而高度很大的建（构）筑物，如水塔、烟囱、高压线铁塔等，影响较严重。 倾斜会使公路、铁路、管道、地面上下水系统等的坡度遭到破坏，从而影响它们的正常工作状态。倾斜变形还使设备偏斜，磨损加大或不能正常运转。(3)地表曲率变形对建（构）筑物的影响曲率变形表示地表倾斜的变化程度。建（构）筑物位于正曲率(地表上凸)和负曲率(地表下凹)的不同部位，其受力状态和破坏特征也不相同。前者是建（构）筑物中间受力大，两端受力小，甚至处于悬空状态，产生破坏时，其裂缝形状为倒八字，后者是中间部位受力小，两端处于支撑状态，其破坏特征为正八字形裂缝。曲率变形引起的建（构）筑物上附加应力的大小，与地表曲率半径、土壤物理力学性质和建（构）筑物特征有关。一般是随曲率半径的增大，作用在建（构）筑物上的附加应力减小；随建（构）筑物长度的增大、底面积增大，建（构）筑物产生的破坏也加大。(4)地表水平变形对建（构）筑物的影响地表水平变形是引起建（构）筑物破坏的重要因素。特别是砖木结构的建（构）筑物，抗拉伸变形的能力很小，所以它在受到拉伸变形后，往往是先在建（构）筑物的薄弱部位(如门窗上方)出现裂缝，有时地表尚未出现明显裂缝，而在建（构）筑物墙上却出现了裂缝，破坏严重时可能使建（构）筑物倒塌。拉伸变形能把管道和电缆拉断，使钢轨轨缝加大。压缩变形则能使建（构）筑物墙壁挤碎、地板鼓起，出现剪切或挤压裂缝，使门窗变形、开关不灵等。水平变形对建（构）筑物的影响程度与地表变形值的大小，建（构）筑物的长度、平面形状、结构、建筑材料、建造质量、建筑基础特点，建（构）筑物和采空区的相对位置等因素有关。其中地表变形值的大小及其分布，又受开采深度、开采厚度、开采方法、顶板管理方法、采动程度、岩性、水文地质条件、地质构造等因素的影响。地表水平变形对甲醇厂的设备影响很大。由于独立设备基础面积较小，刚度较大，水平变形对其影响不大，但对具有两个或两个以上相互独立基础的设备危害很大，水平变形能使其两个独立基础之间的距离拉长或缩短，从而使设备不能正常运转，甲醇厂的大多数建（构）筑物都是由两个或两个以上独立基础支撑的，因此，水平变形对甲醇厂设备影响很大。3.3 建（构）筑物破坏与地表变形的关系地表变形使建（构）筑物的基础及其结构产生附加应力，从而使建（构）筑物遭受到某种程度的损害。建（构）筑物受开采影响的损害程度取决于地表变形值的大小和建（构）筑物本身抵抗采动变形的能力。对于长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构建（构）筑物，其损坏等级划分见表3.1。其它结构类型的建（构）筑物参照表3.1的规定执行。表3.1 砖混结构建筑物损坏等级损坏等级建筑物损坏程度地表变形值损坏分类处理方式水平变形(mm/m)曲率k(10-3/m)倾斜(mm/m)自然间砖墙上出现宽度12mm的裂缝2.00.23.0极轻微损坏不修自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于10mm轻微损坏简单维修自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于30mm，钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长；门窗略有歪斜4.00.46.0轻度损坏小修自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于50mm，钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；砖柱上出现小于5mm的水平错动；门窗严重变形6.00.610.0中度损坏中修续表3.1自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝；多条裂缝总宽度大于50mm；梁端抽出小于60mm；砖柱出现小于25mm的水平错动6.00.610.0严重损坏大修自然间砖墙上出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝，以及严重外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通；梁端抽出大于60mm；砖柱出现大于25mm的水平错动；有倒塌危险极度严重损坏拆建3.4 断层对地表移动与变形的影响断层对地表移动与变形产生影响的原因在于断层带处岩层的力学强度大大地低于周围岩层的力学强度。由于应力的集中作用，故使该处成为岩层变形集中的有利位置，地下煤层开采后，在上覆岩层发生移动与变形的同时，岩层还沿着断层面发生滑动，于是在断层露头处的地表就出现台阶状的破坏。同时，由于断层的变形集中作用，也使盆地内移动与变形的正常分布发生改变。在断层露头处的地表变形加剧，大大地超过了正常值。位于断层露头两侧附近的地表变形变得缓和，小于正常值。为此，在建筑物平面布置时，重要建筑物应尽量避开断层露头带。4 地基稳定性分析与评价4.1 采空区地表稳定性地表移动观测站的现场实测说明地下开采结束以后，经过一定时间，地表不再继续下沉与移动，其变形也不再变化，此时采空地表的开采影响具有稳定状态。如在此采空地表不进行大规模工程建设，其他外因也未变化，地表将保持这种稳定状态。但实际上由于多种因素的影响和变化，开采对地表影响还远未最终结束。地表可能发生少量的移动与变形，如绝大多数部分开采后形成的采空区在开采后很长时间内均属于此类。未稳定采空地表建房应按采动区建筑方法解决。事实上，长壁开采后形成的采空区，在开采后若干年甚至数十年，地表会一直发生少量残余沉降，但残余沉降小到一定程度，对新建建筑不会产生明显影响时，可认为此类地表处于稳定状态。当拟建建筑物建在稳定采空地表时，其地基稳定性评价只需考虑建筑载荷对采空地表的作用；当拟建建筑物建在非稳定采空地表时，还需同时考虑开采残余沉降的影响。4.2 采空区建筑物地基的稳定性分析 老采空区建筑地基的危害程度及稳定性评价在国内外都属于一个较新的课题。在老采空区上方修建建筑物的关键问题是对老采空区建筑地基的稳定性评价问题。目前，我国的相关分析方法有以下三种。 (1)力平衡分析法 图4.1 采空区顶板稳定性示意图如图3所示，矿层采空后其顶板岩块ABCD因重力W的作用而下沉，两边的楔体ABM和CDN也对其施加水平压力P。因此，在AB和CD两个面上又受到因P的作用而产生的摩阻力f的抵抗。现取采空段(巷道)单位长度为计算单元，则作用在巷道顶板的压力为: Q=W-2f W=B H f=Ptan=H2(45-) P=tan2(45-) 式中:Q巷道单位长度顶板上所受的压力，kN/m； W巷道单位长度顶板上所受的总重力，kN/m； P楔体ABM和CDN作用在AB和CD面上的主压应力的最大值，kN/m； f巷道单位长度侧壁的摩阻力，kN/m； H巷道顶板的埋藏深度，m； B巷道宽度，m；岩层的内摩擦角,；当建筑物建在采空区上时(设建筑物基底单位压力为P0)，根据力平衡分析，有: Q=W+B P0-2 f 即: Q=W +BP0-2f =HB-Htantan2(45-)+B P0 当H增大至某一深度，使顶板岩层恰好保持自然平衡状态(即Q=0)，此时的H称为临界深度H0，可得临界深度的计算公式: H0= 当HH裂+ H影，当实际采深大于H临时，建筑荷载不会使采空区重新沉降；当实际采深小于H临时，地表会再次产生一定量的沉降。正常情况下，当采深大于150 m和深厚比大于30 后，地表新建建（构）筑物不会对采空区产生影响。特别应指出的是，当采深超过150 m后，采空区虽不受新建建筑荷载的影响，但仍会受到其它因素如附近开采波及、采空区积水增减等的影响，致使地表出现残余沉降。 对于长壁工作面正规大面积开采而言，地下煤层开采结束以后，当地表半年累计下沉量小于30mm，此时可认为地表移动稳定。当在此采空区地表不进行大规模工程建设时，地表会一直保持这种稳定状态。但若在此采空区上地表新建建（构）筑物，由于新建建（构）筑物的荷载向地下有一定影响深度，当这个深度与地下采空区的垮落带、断裂带相交叠时，就会破坏垮落断裂带业已平衡状态，而使覆岩重新发生较大的移动变形。(1) 覆岩破坏高度计算 煤层开采后，一般上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带，岩层被断裂成块状，岩块间存在较大孔隙和裂缝。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂缝，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本上呈整体下沉，但软硬岩层间可形成暂时性离层，其岩体结构破坏轻微。因此，垮落带、断裂带的岩层虽经多年的压实，仍不可避免地存在一定的裂缝和离层，其抗拉、抗压、抗剪强度明显低于原岩的强度。如果新建建筑物荷载传递到这两带，在附加荷载作用下会进一步引起沉降和变形，甚至造成建筑物的破坏。垮落断裂带的发育高度，主要与开采煤层的厚度、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等有关，参照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程，选取计算公式如下：式中：M每个煤层的累计采厚，m。(2) 建（构）筑物荷载影响深度计算建（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。建（构）筑物荷载的影响深度随建筑荷载的增加而增大。一般地，当地基中建筑荷载产生的附加应力等于相应深度处地基层的自重应力的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、断裂带时，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多大影响。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：式中：r1、r2、rn为地基中自上而下各层土或岩石的容重，kN/m3； h1、h2、hn为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m。区域第四系表土层厚取20m，表土层计算容重取20kN /m3，以下岩层计算容重取25kN /m3。 地基附加应力按下式计算： Z=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/； P0= P - r0D P建（构）筑物基础底面处竖向均布荷载，kN/； r0基础底面标高以上天然土层的容重，r0=20kN/m； D基础埋深，m。4.4 保护技术措施开滦、平顶山、阳泉、焦作、晋城等矿区，也在采空区上方地表新建了住宅楼、办公楼、大型工业厂房，还有高速公路等，充分合理地利用了采煤塌陷地。由于事先对采空区地表建房进行了正确评价并采取了合理的结构措施，因此均能确保建筑物安全正常使用。在采空区地表新建建筑物时，通常要对其采空区的稳定性进行评价，计算地表残余沉降变形。当地表残余沉降变形比较均匀、变化平缓，且数值较小时，建筑物只要采取适当的抗变形结构保护措施就可以确保建筑物的安全，可不必对采空区进行处理；对于采深较小的部分开采后形成的采空区，由于其地表较长时间处于不稳定状态，或在外在因素的影响下使地表产生较大沉降、抽冒，在这类地表新建建筑物，一般应对地下采空区采取处理技术措施，确保采空区不再发生较大的沉降量，建筑物采取适当的抗变形结构保护措施抵抗采空区处理后的残余变形；对于采深较小的长壁开采后形成的采空区，如果残留煤柱较多，地表残余沉降变形值较大，也应对采空区进行处理并采取抗变形结构保护措施；对于采深较大的部分开采后形成的采空区，考虑其一般不会产生剧烈沉降，如采用采空区处理措施，势必增大建筑成本，抵抗今后可能的地表残余沉陷变形，可只采取建筑物抗变形措施。5 采空区针对地基沉降规律处理技术目前针对采空区的处理方案主要可分为地下处理和地上处理两大类。所谓地上处理方法，是指采用间接的措施来适应下伏采空区而引起的地表变形，目前采用的方法主要是地面建筑物的结构设计采用抗变形措施。地下处理方法，主要是指针对地下采空区这一特殊地基问题，采用各种地基处理加固的方法。5.1 建筑物抗变形设计早在十九世纪末，德国最早开始进行建筑物下采煤的研究工作，并成功地实现了在爱森、帕哈慕等城市下方采煤。当时未采取地面建筑物保护措施，而采取了井下采空区填充法开采。到了二十世纪前期，德国鲁尔矿区就已提出采取建筑物结构措施保护建筑物。第二次世界大战以后，德国在矿区内新建建筑物时均采用了抵抗地表变形影响的建筑物结构保护措施，以后进行建筑物下采煤创造了十分有利的条件，同时，为指导建筑物下采煤，还制定了采动区兴建建筑物的相关法规。波兰的建筑物下采煤技术在世界上处于领先地位，波兰在建筑物下采煤的实践和理论上都取得很大的成绩，技术水平较高，并且已开始系统化了，克诺特的地表变形预计理论已被广泛采用。波兰还制定了指导性文件，如受5采动影响地面建筑物的建筑技术规程等。波兰对旧建筑物一般只采用锚固拉杆加固及修补和粉刷墙壁裂缝等措施，有时设置钢筋混凝土锚固板，以形成强度较高的整体基础。波兰还采用设置钢筋混凝土锚固拉杆或钢锚固拉杆，以提高建筑物整体刚度。钢拉杆、钢筋混凝土顶底圈梁和构造柱在前苏联也得到应用，前苏联还用废钢丝绳代替钢拉杆进行建筑物加固。我国在1978年由煤科总院唐山分院首次提出采动区抗变形建筑物设计，并付诸实施。经过国内科研院所和高等院校近二十年的研究与实践，已积累了大量的资料和成功的经验，并取得了较显著的技术、经济和社会效益。尽管如此，目前我国在计算建筑物抗采动变形结构的构件受力计算与分析方面仍采用传统的、经典的方法，该方法主要是借鉴和参考国外的一些计算理论，采用了许多假定，在满足计算精度的条件下，忽略了一些影响因素，并进行了一定的简化。对建筑物抵抗不同等级变形时结构构件的合理性设置与优化方面的研究不够系统和深入，对采取抗变形结构措施后建筑工程造价增加幅度的分析与研究涉入不多。这些问题的深入研究与解决，必将为采动区抗变形建筑物结构设计理论提供参考依据，对采动区新建工程的决策与实践具有指导意义。5.2 采空区地基处理在开采沉陷研究中，许多学者都认识到岩层移动过程中层间分离现象通过大量观测研究，刘天泉、仲惟林等提出了覆岩破坏的“三带论”:冒落带、裂缝带和弯曲带并指出采空区上方存在一个拉伸区的论点。近年来，对覆岩离层注浆控制地表沉陷提出了许多理论，如范学理提出了拱梁理论；钱鸣高提出了关键层理论；宋振琪等提出了拱基结构理论。对于离层条件和离层位置的确定，郭惟嘉等采用富氏积分变换的方法给出了层间脱开的公式，张玉卓建立了层状力学模型，杨伦、于广明等采用组合板介质模型导出了离层位置的计算公式。对于减沉机理主要有以下几种观点：吴戈、沈光寒认为，浆液除具有充填作用、膨胀作用外，还有胶结作用;范学理认为，注浆孔在注浆工程结束后注入水泥，使用其起到锚固地层的作用；华丰矿的实践认为，利用粘土质成分的遇水崩解、膨胀特性，压裂胀碎充水后，岩层崩解；张玉卓将离层注浆充填体作用原理概括为：减小下沉，支撑作用，膨胀作用，挤压下位岩层作用覆岩离层注浆地表沉陷控制技术从根本上改变了地表移动形态，目前对覆岩离层注浆条件下的地表沉陷计算研究的相对较少。张玉卓将充填体视为一个开采镜像，采用影响函数法进行覆岩离层注浆条件下的地表沉陷计算；温兴林、吴戈等采用修正的概率积分计算覆岩离层注浆条件下的地表沉陷。王金庄等人对采动覆岩离层发展的时空规律、离层带注浆减沉效果评价方法和离层带注浆减缓地表下沉在建、构筑物下采煤中的应用等问题进行了探讨。认为：在相同地质采矿条件下，离层带高度随采空区尺寸变化而变化，当采空区尺寸达到充分采动尺寸后，离层带高度达到该条件下的最大值，准确地评价注浆效果应是根据同一采区实施注浆后的实测地表下沉盆地体积与未实施注浆的实测下沉盆地体积比较而定姜德义等以矿山开采沉陷理论和弹性薄板理论为基础提出了覆岩离层注浆沉降计算模型，可确定上覆岩层离层空间发育的层位和岩层间的最大离层间隙量，并可对覆岩离层注浆开采地表下沉进行量化预计。郭广礼等根据废弃老采空区及其覆岩的结构形态对老采空区“活化”的形式和程度起控制作用，提出了其相对衡岩体结构模型和“覆岩结构加固补强法”等四种长壁老采空区地基处理措施，并且采用“覆岩结构加固补强法”处理某选煤厂主厂房下长壁老采空区；附近破裂岩体地基。金鑫光等在晋城市王坡煤矿柏树底隧道下伏采空区处理中采用压力注浆技术，取得较好的效果。采空区冒落研石孔隙注浆充填技术是在采空区冒落研石之间的孔隙未被压实之前注入浆液予以充填，充填材料胶结冒落岩块后，一起支撑上覆岩层，起到控制地表沉陷的作用。该技术的研究意义主要在于两个方面:一是作为一项地表沉陷控制措施，对地表沉陷进行控制；二是充填材料选用粉煤灰等废料，对减少粉煤灰场占用的耕地及环境污染，有重要意，目前该技术主要应用于德国，在我国研究较少。6 采空区地基沉降具体的处理措施综合运用钻探、物探和现场测试等国内外多项新技术，对采空区赋存条件、覆岩层的工程性质、冒落堆积体空化程度和采空区稳定性进行科学评价；优化采空区治理方案，通过试验研究不同地段全充填或半充填注浆并加固，采用一种新型地基计算模型计算后，对地基进行了半充填注浆加固；为确保治理效果，进行了注浆试验、成孔钻进与岩芯试验、压水试验、弹性波速检测、结石体单轴抗压强度与弹性模量测试等研究，建议采用压水试验结果评价采空区处理效果的工程检验指标；采空区加固采用新型CF粒状混合浆材，对粉煤灰和水泥混合浆液的物理性质和结石体力学特征进行了系统研究，筛选出了适用于采空区的配比。采空区地基经注浆处理后，在工程施工和使用阶段，观测建筑物沉降，分析沉降过程、沉降幅度，掌握沉降规律，为该生产线的安全运行提供科学依据；地面构筑物抗变形结构设计措施，采用柔性设计原则、刚性设计原则或综合措施，以吸收和抵抗变形；采空区地基与基础处理措施，预防和控制地表残余变形的发生。此类措施可细分为如下几种方法：1)全部充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用注浆充填、水力充填和风力充填等，其中以注浆法应用最广泛、效果最好；2)局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度以防止顶板的垮落，常用的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等；注浆加固和强化采空区围岩结构，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全；采取措施释放老采空区的沉降潜力法。在采空区地表未利用前，采取强制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有较大威胁的地下空洞。在沉陷基本稳定后再开发利用地表土地，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导沉降法等。6.1 属性数学理论对采空区地基稳定的应用 基于属性数学理论，本文提出了评价采空区地基稳定性的属性识别模型。以采煤工作面终采时间、沉降趋势、深厚比、构造复杂程度、上覆岩层强度、相对位置、“活化”因素等作为评价指标，将采空区稳定性等级划分为4个级别，以属性数学理论建立各评价指标的属性测度函数，以该函数计算单指标属性测度值和样本综合属性测度值，最后以置信度准则进行评判。研究表明，该模型对采空区稳定性的预测评价结果正确，对工程建设实践具有指导意义。在区域规划工作中，常需要对建设场地的地质环境的进行评价，对采动区的地基稳定性进行评价是这项工作的一个重要内容。随着经济的发展，对采动区地表环境的要求愈来愈严，而采动区对地表环境破坏的一个主要表现形式就是地表沉降。这种地表沉降常常引起已周边土体变形而导致邻近建筑物倾斜、开裂和地下管线断裂等严重后果，其损失往往比工程自身的损失大得多。因采动区地下开挖引起的地表土体变形的监测、预测和控制，已成为岩土工程领域研究的热点之一，并且提出了一系列各具特色的采动区地基稳定性评价和预测方法，如基于实测资料的经验方法（典型曲线法和其他剖面函数法）、神经网络方法、概率积分法等，这些方法在过去的实践中得到广泛的应用。在废弃的老采空区上方兴建工程建设，对其可行性和工程的安全性的评估，要考虑多方面的因素，一般应包括采矿条件和地质条件两大方面，此外还应考虑地震、地下水和岩石蠕变等“活化”因素的影响。模糊综合评判和神经网络等理论的应用，使采空区地基稳定性的评价更加深入、全面和定量化由于采空区地基变形预测问题是一个复杂的非线性问题，其影响因素很多，各因素之间往往呈现高度的非线性关系。每一种理论和方法都有其适用范围，且不同的评价理论和方法所采用的评价指标体系不同，难以普遍应用，因而多种判别方法和途径的互补才能达到预期的目的，所以本文引入属性数学理论，建立采空区地基稳定性评价的属性识别模型，为工程实践提供新的方法和途径。6.2 高密度电法地面沉降治理中的应用 首先现场勘探线布置和物探仪器：（1）剖面布置：查清建筑物附近是否由煤矿采空区引起的松动区的分布形态,在四周现场布线,勘探深度受到了严重的影响,只能探测到30到40多米的范围内。但只要是沉降引起的地基的变化,其地面部分受到的沉降影响肯定是由地下深部的塌陷或冒落引起的,并且冒落区孔隙度就要相应增大,因此采用高密度测量就能测出该地质体的电阻率变化,从而做出合理的判断。（2）探测仪器：高密度电阻率仪器采用重庆奔腾数控技术研究所研制的WDJD - 3多功能数字直流激电仪,沿线布设近60根电极,测量采用一定的排列方式自动采集各电极处电位值,获得大量地电数据,再通过层析成像反演分辨精细电性结构。高密度电法数据采集较快,供电电极供完电后,马上又转换成测量电极。如转换时间较短,而极化电位下降较慢,就会给测量结果带来较大的误差。在极距较大、电位差信号较小时,同一剖面数据变化较大。当测量时间间隔较小时( 3 s) ,数据质量不好。为了更好地保证数据采集质量,本次工作测量周期设定为10 s。野外采集之后对数据进行了预处理。由于电阻率异常与地质体之间具有较复杂对应关系,反演之前将异常高和负值点及特低值点切除,可保证反演结稳定收敛。其次电阻率反演方法及资料的解释（1）电阻率反演方法：原理高密度电法直接获得的电阻率剖面一般情况下就可以用于地质解释,但由于浅部的低阻影响易被夸大,解释需要更多的经验。为了更加准确的确定异常体的位置,通常要进行二维或三维反演计算。本次测量将采用的反演计算是圆滑约束最小二乘法反演方法,使用了准牛顿最优化非线性最小二乘计算技术,使得大量数据下的计算速度较常规最小二乘法快10倍以上。这种算法的一个优点是可以调节阻尼系数和平滑滤波器以适应不同类型的资料。反演程序中将二维的质剖面划分为许多单元体。通过反演确定单元体电阻率,使得正演计算出的视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合。（2）资料的解释：根据所测的电阻率值,本区电阻率值的范围在几欧姆至800多欧姆,其中不含水的新采空区电阻率值最高,老采空区和采空影响区次之,火山碎屑沉积岩、砂岩电阻率中等,煤系地层的煤层(特殊地区煤层除外) ,依次为裂隙含水层,最低为泥岩。由于受仪器勘探测深度的限制,所测的深度只有几十米,但根据地面建筑物及民房的开裂程度来看是由于地基的不均匀沉降所造成的,这是岩层长时间的逐渐冒落形成的,这样势必造成冒落区的孔隙度增大,使其电阻率值增大,所测的深度只能达到采空影响区。近东西向剖面的解释:近东西向剖面4条,长度均150 m,除了能反应出采空区外,还反应了该区的地下岩层比较平缓。再次采空区地基稳定性评价的属性识别模型工程实践中有大量的问题是综合评价问题，这些问题都可归结为对定性描述的度量问题，属性数学理论为解决该类问题提供了新的理论基础，该理论已在人工智能、质量评价等方面具有重要的理论意义和实际应用价值。采空区地基稳定性评价是一个综合系统，该系统的输入为地基稳定性状况的个指标的测量值，系统的输出为某一评价类别即地基稳定性状况的判别或预测，该系统可分为3个子系统：单指标属性测度分析，多指标综合属性测度分析和属性识别分析等。于是可以确定采空区地基稳定性属性综合评价流程为：确定采空区地基稳定性评价的指标体系及分级标准；构建单指标属性测度曲线；计算单指标属性测度值和样本的综合属性测度值；采空区地基稳定性状况等级的属性识别针对采空区地基稳定性评价的工程实例，本文建立了采空区地基稳定性评价和预测的属性识别模型，结果表明评价结果是合理和可行的。该方法理论较为严谨，与诸如神经网络法相区别的最显著的特点是计算过程简便：一是构建属性测度曲线简便；二是属性测度值计算简便，易为工程技术人员掌握，因而具有更好的实用性7 质量控制在采空区地表上建设大型工业建筑，必须提高地基的承载能力及改善地基变形，因此，必须进行地基与基础处理。采空区治理工程属于隐蔽工程，对采空区的治理必须进行质量监控。其质量监控包括两方面的工作：1.施工过程的监控；2.施工结束后的质量检测工作。对于注浆充填法来说，施工控制主要采取流量和压力控制法。但由于流量和压力往往随时间而波动，单纯靠总注浆量或终孔压力来控制注浆过程是不科学的。近年来，国内外在注浆的自动控制方面有了很大发展，法国一家公司开发了一种用于灌浆和配料厂的控制和采集系统，包括测量、自动控制和记录灌浆过程，即可以监控从灌浆生产到泵出调节全过程。长江科学院研制的自动灌浆记录仪也达到了国际先进水平。这些装置在采空区注浆中的应用可以实现全过程的动态跟踪监测，根据流量和压力的变化实时指导施工。采空区注浆治理的监测工作主要从钻孔、制浆、注浆三个环节进行控制。为确保治理效果的可靠性，有必要对治理效果的时效性进行监测，采用高密度电法结合钻探从施工前、施工中、施工后不同时段对注浆的效果进行探测，在注浆不同阶段的浆液中加入不同颜色的荧光粉，用带有紫外灯的钻孔电视系统对注浆过程及效果进行分析，效果更好。8 结论研究采