地下采空区对地面建筑物的影响的分析

地下采空区对地面建筑物的影响的分析

摘要：本文结合笔者工作经验，就采空区上覆岩层“三带”的形成和地下采空区对建筑物的影响以及场地稳定性的评价进行了详细的分析，并结合工程实例来说明了采空区兴建建筑物应注意的问题，愿与同行共商。

关键词：地下采空区；地面建筑物；残余变形；工程措施

Abstract: the author discusses work experience, the strata mined-out area “three zones” formation and underground to the influence of mined-out area buildings and grounds of the evaluation of the stability to carry on the detailed analysis, and combined with engineering example mined-out area and problems that should be paid attention to construct buildings, with counterparts to discuss.

Keywords: underground goaf; The ground buildings; The residual deformation; Engineering measures

近年来，随着我国经济的迅猛发展，土地资源愈来愈珍贵，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。因此，在采空区上兴建建筑物有许多问题应引起我们的注意，及早采取相应的对策，预防不良现象的发生。某市区供电局拟建的生产调度大楼就是位于地下采空区上。拟建大楼主楼l5层，一层地下室，裙楼4层，钢筋混凝土结构。本文以该工程为例说明在采空区上构建建筑物应注意的问题。

1覆岩“三带”及对建筑物的影响

煤层开采后，上覆岩层形成冒落带、裂隙带、弯曲带。在冒落带，岩层被断裂成块状，岩块之间存在较大的裂隙。在裂隙带，岩层产生断裂、离层和裂隙，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本呈整体下沉，破坏轻微。因此，冒落带、裂隙带的岩层虽经多年的压实，仍不可避免的存在一定的裂隙与离层，其抗拉、抗压和抗剪强度明显低于原始岩体的强度，如果建筑物荷载传递到这两带，势必加大建筑物的不均匀沉降，甚至造成建筑物破坏。在该场地勘探中已探明：采空及冒落带的位置在48～54m之间，目前已基本得到充填，无较大空洞存在。冒落带上方13m厚的石英细砂岩岩芯完整，裂隙不发育。

2场地工程地质条件

根据场地勘探揭露的土层，可分为以下几层：(1)杂填土层。平均厚1．32m，成分复杂，结构松散，分布不均匀，工程性质差。(2)粘土层。平均厚1．64m，可塑，全场地分布，但不均匀，压缩性中等，强度中等，工程性质一般。(3)粘土层。平均厚2．41m，硬塑，全场地分布，厚度略有变化，强度中等，压缩性中等偏低，工程性质好。(4)粘土混砂礓层。平均厚2．72m，硬塑坚硬，砂礓密实，分布稳定，厚度较大，强度高，压缩性低，工程性质好。(5)粘土层。平均厚2．14m，硬塑，分布稳定，性质均匀，强度高，压缩性中等偏低，工程性质好。

根据该区域的地质资料以及场地所在区域地下共有2l层煤，其中浅部的l煤和3煤及深部的l7煤、20煤可采，9煤局部可采，其余煤层较薄或局部不可采。地下浅部下伏夏桥组上层煤(1)厚度为0．2m，不可采，下层煤(3)层厚1．7-2．2m。该煤层埋深约54m，为浅部主采煤层，该煤层已先后由多个矿井进行了多次复采，开采情况较复杂。深部山西组的7煤、9煤在场地下为不可采煤层，深部太原组的l7煤、20煤、2l煤等煤层在场地下埋深300m，目前均未开采，划作为压煤暂不开采区。场地处于压煤暂不开采区，建筑物的轴向与地表下沉等值线的走向大致平行。

3采空区兴建建筑物应注意的问题

3．1建筑物荷载影响深度

为了避免建筑物荷载影响深度达到覆岩冒落、裂隙带的上限，在知道冒落、裂隙带的标高后，还应确定建筑物的上部荷载影响深度，其影响深度按《建筑地基基础设计规范》的规定计算：

(1)土中自重应力的计算：=∑。

式中—标高以上第i层土的容重，kK∕m3；—标高以上第i层土的厚度，m。

(2)土中附加应力的计算：附加应力计算按均布矩形荷载作用下考虑：=(=P－D)式中—附加应力系数；P0—基底平均附加应力，kN∕m3；P—基底平均压力，kN∕m3；D—基础埋深(m)。

由中国矿业大学岩土公司所做的钻探资料可知，在已踏实的采空冒落带上方有近40m的完整岩石，拟建l5层生产调度综合楼的基底附加应力经初步估算最多只能影响到冒落带上面的泥质粉砂岩或石英细砂岩顶面，因此附加应力不会引起采空冒落带发生再固结。

3．2地表残余变形

采空冒落带在覆岩自重应力作用下固结稳定需要经过一个漫长的历史时期，地表将有少量因采空冒落带引起的残余变形。拟建场地l5层综合楼的建设，将会增加采空冒落带上覆土层的自重应力，因而可能会引起冒落、裂隙带的进一步

的压密变形而引起地表整体下沉。根据该矿开采沉陷资料，结合室内模拟试验和模拟计算结果，预测本场地采空区最大残余变形沉降为165mm。这种变形可能是均匀的，也可能是沿着砂岩原生裂隙发生局部剪切破坏而产生的不均匀变形。因此需要对拟建的综合楼采取适当的工程措施来抵抗残余变形。

3．3地表倾斜对建筑物的影响

地表倾斜后，将引起建筑物的倾斜。由于建筑物具有一定的承受附加应力的能力，故地表变形与建筑物变形之间有不一致性。根据鹤壁矿的观测资料，一般情况下建筑物基础倾斜与地表倾斜一致：

I基=1．01I地

其中I基—建筑物基础的倾斜；I地—地表的倾斜。

I地=∕r

其中为地表的最大下沉值，r为开采的主要影响范围，是开采深度与主要影响角正切的比值，r=H∕tan。

根据场地资料：H=54m，tan=2．00，=165mm，I地=6．1mm∕m，I基=6．161mm∕m。

预计建筑物为Ⅱ级破坏，需要采取简单的加固保护措施，如控补偿沟、设置纲拉杆钢筋混凝土锚固板，设置变形缝等。

3．4稳定性与建筑适宜性综合评价

根据以上分析，本场地在现有地质条件与地面荷载保持不变的情况下是稳定的。虽然采空冒落带的存在会在地表引起少量残余变形，地下水位变化、地震等作用会引起采空区“复活”而引起地表不均匀沉降，但可以采取适当的工程措施来抵抗这种变形，故该场地可作为建筑物场地。

3．5持力层选择及基础型式

采空区持力层的选择，应考虑场地的土层分布和土层结构的物理力学性质及建筑物的体型、结构类型和荷载分布等情况。本场地4层粘土混砂礓承载力为250kPa，可作为综合楼的持力层，采用筏板基础，裙楼可用3层或4层粘土混砂礓作为持力层，采用柱下联梁式条形基础或十字交叉条形基础。

3．6建筑设计中的工程措施

设计时应加强基础的刚度和强度，同时应加强上部结构的刚度，使其与基础刚度相适应。在基础底下铺设适当厚度(约50cm)碎石垫层，碎石之上铺10cm厚的素混凝土，在再其上浇筑钢筋混凝土基础。对综合楼下采空冒落带进行注浆处

理。

4结语

综上所述，采空区上方的移动盆地虽然对建筑物有很多不利影响，但通过对它的形成和稳定性分析，可以找出适合建筑物的场地。在建筑设计中加上适当的预防措施，就可确保建筑物不受其害。与此同时要考虑地表的残余变形，并对拟建建筑物采取适当的抗变形措施，限制建筑物的层数。采空区的利用对充分利用土地资源有着重要的意义。

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