采空区移动盆地结束后建筑的适宜性评价
段继平
【摘要】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，就可能破坏这种已平衡状态，而使覆岩重新发生较大的移动变形。
【关键词】采空区；覆岩破坏；荷载影响深度お
Gob after the end of the building mobile Basin suitability assessment
Duan Ji—ping
（Jincheng coal mine production safety management centerJinchengShanxi048000）
【Abstract】For the longwall face in terms of regular large—scale mining， underground coal mining ended， the local table is less than half the cumulative sinking 30mm， ground movement can be considered stable at this time. Mined in this area when the surface is not large—scale construction， the surface will remain in this steady state. However， if the mined—out area on the surface of this new building （structures）， may undermine the balance of this already， leaving the re—occurrence of the larger overburden movement and deformation.
【Key words】Gob；Overburden failure；Loads affect the depth ofお
1. 概况
某地拟建一甲醇厂，其中一部分为××煤矿的采空区，该区域地下老采空区开采时间大部分为上世纪80年代中后期，开采煤层有3和9号2层煤，采深80～130米，总采厚6米左右。
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。
2. 覆岩破坏高度计算
（1）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。
（2）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：
H=100∑M/（4.7∑M+19）±2.2
式中：∑M——每个煤层的累计采厚，m。
（3）由于该区域开采2个煤层，累计开采厚度6m左右，代入公式计算得H裂=15m。由计算结果可知，垮落断裂带的最高发育高度位于3号煤层之上15m。
3. 建（构）筑物荷载影响深度计算
（1）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。该深度即为建（构）筑物荷载影响深度（H影）。
σ璫=r1h1+r2h2+…+r璶h璶
地基中自重应力用下式计算：
式中：r1、r2、…、r璶——为地基中自上而下各层土或岩石的容重，KN/m3；
h1、h2、…、h璶——为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m。
该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：
σ璟=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——基础底面标高以上天然土层的容重，r0=20KN/ m3；
D——基础埋深，m。
表1气化框架建（构）筑物荷载影响深度计算表
深 度 （m）基底下深度 地面下深度
附加应力ぃ↘N/m2） 自重应力ぃ↘N/m2）
0 20 300 400
10 30 159 650
15 35 106 775
18 38 88 850
20 40 74 900
（2）拟建工程中，气化炉单位面积荷重最大（约42t/m2），气化框架平面尺寸为34×10.5m2，整个框架平面内单位面积荷重考虑为300KN /m2（约30t/m2）；产品罐区建筑平面尺寸最大（约150×60m2），单位面积荷重考虑为200KN/m2。由于尚没有进行地基工程勘察，基础埋置深度没法确定，根据类似工程经验一般采用桩基础，假设桩基埋深20m。分别以气化框架、产品罐区建筑作为计算对象，假定整个建筑荷重作用在给出的平面尺寸的矩形基础上，按最不利情况考虑，基础假定为桩基，单位面积建筑荷重作为作用于基础底面（20m深处）平均附加压力，按均布矩形荷载计算地基附加应力。式中竖向附加应力系数k可查表取值，计算见表1、表2。
表2产品罐区建（构）筑物荷载影响深度计算表
深 度 （m）基底下深度 地面下深度
附加应力ぃ↘N/m2） 自重应力ぃ↘N/m2）
0 20 200 400
10 30 196 650
20 40 183 900
30 50 162 1150
40 60 139 1400
（3）需要说明的是，地基附加应力是从基础底面算起的，地基自重应力是从地面算起的，两者相差20m，计算地基附加应力相当于地基自重应力10%处深度，即为建筑荷载影响深度，此处气化框架、产品罐区的建（构）筑物荷载影响深度分别为39m、60m（从地面算起）。
考虑一定的安全系数，拟建工程新建建（构）筑物的荷载影响深度取60m，也即：H影=60m。
4. 采空区地基稳定性
煤层开采后，采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动时，最小采深（H临）应该大于垮落断裂带高度（H裂）与建筑荷载影响深度（H影）两者之和，即：
H临>H裂+H影
当实际采深大于H临时，建筑荷载不会使垮落断裂带重新移动；当实际采深小于H临时，覆岩和地表会再次发生较大的不均匀移动。
根据前面计算，H裂=15m，拟建工程新建建（构）筑物的荷载影响深度H影=60m，两者之和为75m，而该区域煤层开采深度为80～130m，即最小采深为80m。因此，拟建工程新建建（构）筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。
5.结论
以上是依据产品罐区平面尺寸150×60m2，单位面积荷重考虑为200KN/m2作为计算基础，拟建工程新建建（构）筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。若改变基础尺寸或单位面积建筑荷重增大，则建筑荷载影响深度也相应增大，当荷载比之大时，新建建（构）筑物的建筑荷载可能使采空区再次发生较大不均匀沉降，对新建建（构）筑物的保护不利，应对地下采空区进行注浆处理或加大建（构）筑物的抗变形结构技术措施。
参考文献
[1]《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》 煤炭工业出版社2004.
[2]《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002） 中华人民共和国建设部 国际质量监督检验检疫总局2002.
【摘要】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，就可能破坏这种已平衡状态，而使覆岩重新发生较大的移动变形。
【关键词】采空区；覆岩破坏；荷载影响深度お
Gob after the end of the building mobile Basin suitability assessment
Duan Ji—ping
（Jincheng coal mine production safety management centerJinchengShanxi048000）
【Abstract】For the longwall face in terms of regular large—scale mining， underground coal mining ended， the local table is less than half the cumulative sinking 30mm， ground movement can be considered stable at this time. Mined in this area when the surface is not large—scale construction， the surface will remain in this steady state. However， if the mined—out area on the surface of this new building （structures）， may undermine the balance of this already， leaving the re—occurrence of the larger overburden movement and deformation.
【Key words】Gob；Overburden failure；Loads affect the depth ofお
1. 概况
某地拟建一甲醇厂，其中一部分为××煤矿的采空区，该区域地下老采空区开采时间大部分为上世纪80年代中后期，开采煤层有3和9号2层煤，采深80～130米，总采厚6米左右。
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。
2. 覆岩破坏高度计算
（1）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。
（2）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：
H=100∑M/（4.7∑M+19）±2.2
式中：∑M——每个煤层的累计采厚，m。
（3）由于该区域开采2个煤层，累计开采厚度6m左右，代入公式计算得H裂=15m。由计算结果可知，垮落断裂带的最高发育高度位于3号煤层之上15m。
3. 建（构）筑物荷载影响深度计算
（1）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。该深度即为建（构）筑物荷载影响深度（H影）。
σ璫=r1h1+r2h2+…+r璶h璶
地基中自重应力用下式计算：
式中：r1、r2、…、r璶——为地基中自上而下各层土或岩石的容重，KN/m3；
h1、h2、…、h璶——为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m。
该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：
σ璟=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——基础底面标高以上天然土层的容重，r0=20KN/ m3；
D——基础埋深，m。
表1气化框架建（构）筑物荷载影响深度计算表
深 度 （m）基底下深度 地面下深度
附加应力ぃ↘N/m2） 自重应力ぃ↘N/m2）
0 20 300 400
10 30 159 650
15 35 106 775
18 38 88 850
20 40 74 900
（2）拟建工程中，气化炉单位面积荷重最大（约42t/m2），气化框架平面尺寸为34×10.5m2，整个框架平面内单位面积荷重考虑为300KN /m2（约30t/m2）；产品罐区建筑平面尺寸最大（约150×60m2），单位面积荷重考虑为200KN/m2。由于尚没有进行地基工程勘察，基础埋置深度没法确定，根据类似工程经验一般采用桩基础，假设桩基埋深20m。分别以气化框架、产品罐区建筑作为计算对象，假定整个建筑荷重作用在给出的平面尺寸的矩形基础上，按最不利情况考虑，基础假定为桩基，单位面积建筑荷重作为作用于基础底面（20m深处）平均附加压力，按均布矩形荷载计算地基附加应力。式中竖向附加应力系数k可查表取值，计算见表1、表2。
表2产品罐区建（构）筑物荷载影响深度计算表
深 度 （m）基底下深度 地面下深度
附加应力ぃ↘N/m2） 自重应力ぃ↘N/m2）
0 20 200 400
10 30 196 650
20 40 183 900
30 50 162 1150
40 60 139 1400
（3）需要说明的是，地基附加应力是从基础底面算起的，地基自重应力是从地面算起的，两者相差20m，计算地基附加应力相当于地基自重应力10%处深度，即为建筑荷载影响深度，此处气化框架、产品罐区的建（构）筑物荷载影响深度分别为39m、60m（从地面算起）。
考虑一定的安全系数，拟建工程新建建（构）筑物的荷载影响深度取60m，也即：H影=60m。
4. 采空区地基稳定性
煤层开采后，采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动时，最小采深（H临）应该大于垮落断裂带高度（H裂）与建筑荷载影响深度（H影）两者之和，即：
H临>H裂+H影
当实际采深大于H临时，建筑荷载不会使垮落断裂带重新移动；当实际采深小于H临时，覆岩和地表会再次发生较大的不均匀移动。
根据前面计算，H裂=15m，拟建工程新建建（构）筑物的荷载影响深度H影=60m，两者之和为75m，而该区域煤层开采深度为80～130m，即最小采深为80m。因此，拟建工程新建建（构）筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。
5.结论
以上是依据产品罐区平面尺寸150×60m2，单位面积荷重考虑为200KN/m2作为计算基础，拟建工程新建建（构）筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。若改变基础尺寸或单位面积建筑荷重增大，则建筑荷载影响深度也相应增大，当荷载比之大时，新建建（构）筑物的建筑荷载可能使采空区再次发生较大不均匀沉降，对新建建（构）筑物的保护不利，应对地下采空区进行注浆处理或加大建（构）筑物的抗变形结构技术措施。
参考文献
[1]《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》 煤炭工业出版社2004.
[2]《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002） 中华人民共和国建设部 国际质量监督检验检疫总局2002.
