老采空区上建高层建筑物的地基稳定性综合评价.doc

老采空区上建高层建筑物的地基稳定性综合评价 钱自卫 姜振泉 吴慧蕾（中国矿业大学 资源与地球科学学院 221116）摘要随着经济建设的发展，采空区上方修建建筑物的稳定性评价将越来越重要。本文以某高层为例，通过调查煤层，地层及采矿情况，分析现场钻探、物探资料，最后采用有限元数值分析方法及稳定评价方法对地基稳定性进行综合评价，并对地基的处理提出建议。关键字：采空区、附加应力、活化、有限元法、地基稳定性Comprehensive evaluation of foundation stability about high-rise building to be built above mine goafAbstractWith the development of economic consolidation, it becomes more and more important to evaluate the stability of the building above the mine goaf. This paper take a high-rise building as an example, firstly make clear of the conditions of the coal bed、stratum and mine, then analyze the data of drilling and geophysical prospecting. Finally, make a comprehensive evaluation of the stability of the foundation by using finite element numerical simulation and , finally giving suggestion on foundation treatment.Key words: mine goaf, additional stress, activation, finite element, foundation stability0 序言随着经济建设的发展，在老采空去上建设性的建（构）物将渐渐的成为一种必然趋势，所以对老采空区稳定性的影响以及其自身安全的研究越来越收到专家学者的重视。但是在煤层采出后,使采空区周围及上覆岩体内部结构遭到破坏。老采空区上覆岩层虽然在经过一定时间自然压实后基本趋于稳定,但若在其上方地表新建建筑物时, 部分采空区会出现“活化”现象，对建筑工程安全造成严重的威胁。因此,必须对老采空区新建建(构)筑物地基的稳定性进行评价,并结合具体情况,采取相应的处理措施,以保证新建建(构)筑物的安全。论文以徐州贾汪某待建大厦工程为例，对采空区地基稳定性进行了综合评价。1 工程概况评价区位于徐州市贾汪区，拟建大厦设计为18层，建筑面积约20000 m2的商住楼。场地处于原韩桥煤矿夏桥井矿区范围内，场地及周边均进行过煤炭开采活动，夏桥井、大沟涯井多次采煤的历史并遗留有多层采空区。此处1、3煤为主要开采煤层，煤层埋深在60m左右，采厚在2.5m左右。据钻探资料煤层顶板主要为工程性质较软弱的泥页、砂岩互层。详见图3：拟建场地平面及地震勘探成果图。2 评价区煤层及开采情况2.1 煤层情况评价区处于徐州矿务集团有限公司韩桥矿矿区范围，另外有小煤窑进行过开采，最晚的小煤窑为大沟崖井。评价区及周边含煤地层主要为二叠系下统下石盒子组、山西组及石炭系太原组，共含煤22层，其中与工程相关的是开采较浅的1、3煤。1、3煤为贾汪煤田的主要可采煤层，存在于评价区及周边地段，评价区曾进行过开采及复采。其中，1煤层厚度约0.9m，煤层底板标高约-50.0 -63.0m，煤层在本评价区不稳定或已开采过，本次施工的三个孔中仅在其中的3#钻孔内见煤，1#、2#钻孔内煤层被开采过，煤层顶板为砂岩，底板为泥岩；3煤为较稳定可采煤层，厚度约1.52m，煤层倾角约10，煤层底板埋深约-54.50 -68.00m，场地及周边范围内均被开采过，煤层顶板为泥岩，底板为泥岩。2.2 煤矿开采情况根据目前收集的韩桥煤矿夏桥井以及大沟崖井的相关资料，评价区范围内主要开采了1、3煤。韩桥煤矿夏桥井于解放前后在评价区及附近开采1、3煤层，煤层倾角约10；大沟崖井于1973-1974年复采了评价区及附近的1、3煤层。根据现有资料，1、3煤层已被大面积开采，7、17、20、21煤未被开采。2.3 开采方法 1、3煤在解放前多用手工刨煤，穿垛式开采，都采用跨落法管理顶板。解放后在残柱内找煤，因老墟多，顶板破碎，难以正规推面，故继续选择房柱式采煤法，留煤柱约2020m。其后大沟涯矿复采，以开采1、3煤煤柱、边角煤、残留煤为主。开采零乱，不正规。其详细开采资料难以收集。 图1 评价区1煤采掘工程平面图 图2 评价区3煤采掘工程平面图3 现场工程勘察本次评价在调查询问和搜集有关资料的基础上，采用了物探、钻探相结合的勘探手段，基本查明了拟建场地该范围内1、3煤层煤层上覆岩土体结构及性质、“三带”发育规律、冒落带密实程度、充实情况和空洞发育情况等。3.1深孔钻探场地内布置了3个钻探孔，总进尺209.40m。并且采取了岩样行了物理力学性质试验。钻孔平面布置情况见图3：拟建场地平面及地震勘探成果图。1号钻孔探明49.70-49.20m为1煤层采空区已被塌落物充填，欠密实；53.50-55.90m为3煤采空区，其中在53.50-54.50m处掉钻，为未充填的采空区空洞，54.50-55.90m为煤层顶板塌落的泥岩碎块及煤矸石，进尺较快2号钻孔钻探明57.5-58.0m为1煤采空区，已被塌落物充填，欠密实；60.00-62.30m为3煤采空区，未掉钻，未发现有空洞存在，但进尺较快，岩芯破碎，呈灰黑色泥状，夹杂碎煤渣及碎岩块，采取率低。3号钻孔探明62.10-63.00m为1煤，未被开采；66.5-69.4m为3煤采空区，其中在66.50-68.00m处掉钻，为未充填的采空区空洞，68.00-69.40m为煤泥及煤层顶板塌落的泥岩碎块等混合物，灰黑色，呈泥状，进尺较快。根据钻探资料也得出了采空区“三带”的大致分布。详见表23.2 地震勘探为了进一步探明拟建场地下浅部1、3层煤的开采情况、采空区的密实程度等，本次研究在评价区内布置了8条勘探线，剖面线总长476m。根据剖面上反射波的特征，对八条线的地震剖面进行了解释（图中所圈范围为巷道或未完全充填实的空洞，因已开采多年，实际上是采空、垮塌、碎石、粘泥的松散堆积体区,），地震勘探探明的采空区、地下空洞或未完全充填密实的地段大致分布见图3。图3 拟建场地平面及地震勘探成果图4 采空区稳定性分析及评价4.1采空区塌陷引发地表移动时间分析徐州矿区采空区顶板坍塌引发地表发生开裂与下沉变形持续之间的回归关系式为： 式中: T为变形的时间,d；H为采空区的埋藏深度,m经计算,场地的下沉变形时间。又根据有关的研究成果，采空区沉陷的活跃期为5年，终止开采超过5年的采空区，地表大范围的沉陷变形基本上稳定；而此处煤矿开采已预30年以上，早已超过以上所计算的下沉变形时间,而地表未见变形、开裂迹象,说明采空区顶板稳定性较好，残余应变将不予考虑，而主要应考虑老采空区“活化”对采空区稳定性的影响。4.2 采空区顶板破坏最大高度计算采空区顶板冒落带及导水裂隙带高度采用三种方法确定。上层开采厚度为1.0m，下层煤开采厚度为1.5m，综合开采厚度为：=1.5+（1.0-4.0/4）=1.5m式中 M1-上层煤开采厚度M2-下层煤开采厚度h1-2-上下煤之间的法线距离y2-下层煤的冒落带与采高之比场区按软弱地层考虑，评价及计算过程及结果见表1。表1 冒落带及导水裂隙带计算成果表评价方法评价的原则或公式计算结果冒落带M冒导水裂隙带M导冒落带高度（m）导水裂隙带高度（m）钻探资料（结合物探）3突然掉钻、卡钻、进尺特别快、岩心少且破碎混杂、进口吸风、孔口水位突然消失等严重漏水、岩心有纵向或陡倾角裂纹、取心率小于75%等7.0-8.516-19有限元数值模拟方法4开采煤层上出现明显应力降，呈拉伸破坏状态，应力分布图上表示为极短的主应力际线岩层有一个方向达到抗拉强度，应力际线拉应力降低很多8.0-9.018-21规程推荐公式23.63+51.517.25+5注:在利用规程推荐公式计算采空区冒落裂隙带发育高度时，煤层间距较小，下层煤冒落带已发育到上层煤采空区，所以采空区冒落裂隙带计算高度为：以综合开采厚度计算的冒落裂隙带高度加上上层煤采厚再加上煤层间距。4.3工程荷载及地基稳定性 老采空区 “活化”是影响采空区场地稳定性的重要因素之一，本场地对可能导致采空区“活化”的主要因素就是拟建建筑物载荷，根据本工程实际，下面将采用两种方法综合对其进行分析。4.3.1 有限元数值分析方法利用二维弹塑性有限元法，应用摩尔库伦准则，对该采空区的稳定性进行分析，计算模型以实际情况为基础，并进行抽象简化，模型长高=30084，模型见图4图4 二维有限元开采模型模型岩土层的工程地质参数主要分两步确定：一根据岩石实验数据，再运用权值分类法求的场地内岩体力学参数；二是运用反演拟合法，及根据评价区煤层开采的沉陷实测数据，然后根据第一步计算的岩体力学参数进行反复的试算、调整，直到计算的结果与实测的结果基本一致为止，即认为材料参数符合要求。根据以上两步得到的岩组力学参数见表2。表2 场地地层岩体力学参数表（地层由上到下）名称弹性模量（MPa）泊松比饱和密度（g/ cm3）粘聚力（MPa）内摩擦角（）粘土7.820.21.841.08118.34风化砂岩454.00.32.5581.1020泥岩234.00.242.4301.4426.7砂岩1560.00.22.57915612.7煤层1000.31.860.3523.1泥岩202.00.262.4501.4030.0煤层2080.221.2740.3024.0泥岩306.00.262.4791.5318.0 模拟总体分两步进行，一是模拟煤层的开采及沉陷过程，二是模拟开采沉陷稳定后再建建筑物的地表移动情况（在第二部中建筑物基础深度达到第二层风化的砂岩）。模拟成果见图5、6。图5 采动后和上部加载后地表下沉对比曲线图6 采动后和上部加载后地表水平移动对比曲线表3 有限元分析计算与评价成果表变形特征规程参考值1本工程计算值高耸结构基础的倾斜 50Hg1000.0050.00295体型简单的高层建筑基础的平均沉降量(mm)200275最大沉降量(mm)320最大水平位移(mm)14注：1 Hg为自室外地面起算1的建筑物高度(m) 2 倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值由有限元数值分析计算知，当施加建筑物载荷时，拟建场地将发生竖直和水平移动，水平移动最大可达14mm,平均竖直下沉达320mm,参照建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）关于地基变形允许值的规定，平均沉降值不能满足地基允许变形值，所以判断为不稳定场地，必须进行加固和处理。4.3.2 稳定评价方法煤层开采后上覆岩层形成垮落带、导水裂隙带和弯曲带，以建筑物荷载影响深度是否达到垮落裂裂带发育高度为原则,来进行建筑地基的评价和楼房建筑层数的确定，即开采深度大于附加应力影响深度与冒落裂隙带发育高度之和，认为稳定。一般讲,当拟建建筑物下方有高压缩性土或别的不稳定因素如垮落断裂带时,则应计算附加应力至10 %自重应力处,可认为附加应力对该深度处的地基不产生多大影响。在具体计算时,考虑到计算误差等因素,两者之间要留设510 m的安全保护层。拟建建筑物18层，基地附加应力约为0.36MPa，建筑物荷载影响深度计算结果,见表4表4 建筑物载荷在各个深度的附加应力深度01020303540附加应力z (MPa) 0.3600.2660.1640.1090.0850.07910%自重应力(MPa)00.02140.04650.07080.08300.0955根据以上计算，可知当深度在35m时，附加应力就几乎和10%地层自重应力相等了，即可认为建筑物载荷的影响深度大于35m,而由表二可知，采空区的冒落裂隙带在28m左右，而采空区最浅在55m左右，可知此拟建场地不满足，为不稳定建筑场地。5结论与建议(1) 拟建的某大厦项目场地位于采空区及影响范围以内，场地下部煤层1、3煤均进行了开采，且开采深度在50-60m左右，其采深采厚比30，对场地的稳定性不利。(2)钻探及地震勘探资料表明，采空区现状局部仍残留空洞未被充填，充填部分也未完全密实。(3) 拟建场地内的采空区地面沉降变形的活跃期早已经结束，且停采时间在三十年以上，可基本不考虑未来采空区残余沉降。(4) 综合钻探、物探、有限元分及规程推荐公式方法确定采空区冒落裂隙带厚度在25-30m左右。(5)综合采用数值分析及稳定评价原则确定建筑物载荷可能引起采空区活化，必须对采空区进行处理。(6)建议采用注浆方法对采空区进行处理，并加强对注浆效果的检测；并采用合理的基础及上部结构的抗变形措施。参考文献1中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范(GB 50007-2002).中华人民共和国建设部,2002.2煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程S.北京:煤炭工业出版社, 2000.3童立元，刘松玉等.高速公路下付采空区危险性评价与处理技术M.南京,东南大学出版社，20064章进.浅部采空区上方拟建高层建筑地基稳定性研究.徐州,中国矿业大学硕士论文，19965牟英华.煤矿采空区高层建筑场地稳定性评价.贵州水力发电J