老采空区地基变形对地面建筑影响的数值研究

摘要:采空区的地基变形对地面建筑会产生一定的影响，为了对影响程度进行分析，并对矿区地点进行稳定性分析，采用理论结合定量计算的技术，对采空区对地面建筑的影响程度进行了定性定量评价

关键字:采空区；地基变形；地面建筑；影响；数值研究

中图分类号： A715 文献标识码： A

0 引言

采空区的地表是否可以利用成为建筑工程施工以及设计的重要问题，但是这些问题其实可以归结于采空区地基变形对地面建筑产生的影响问题，也就是地表稳定性是否满足设计施工需要，本文通过量化分析结合实际经验，评估部分地区建筑适宜性，为建设工作的开展提供了一定的理论依据

1 工程概况

山西省古交市城家曲村位于城家曲煤矿、东风井煤矿采空区上方，可采煤层已经全部采集完毕，主要开采巷道尺寸约为2.1m*2.2m，巷道有支护措施，煤矿上为第四系岩土，主要由粉砂岩、细砂岩、泥岩构成，夹杂有石灰岩，埋深约为100m， 由于曾经进行过无序开采，在计划经济时期，一些经营者片面追求煤炭高产量，忽视了对地质环境的保护，当时煤矿的开采条件较差；开采方式、生产工艺落后、技术装备落后，由于这些综合因素的影响、限制，使得该矿区环境恶化。由于长期大规模开采，该地域形成了采空区，并随着采空区面积不断加大，煤层的顶板（覆岩）失去支撑，造成顶板岩层的弯曲、断裂、垮落等问题，煤矿顶层的岩层产生倾斜变形和，采空区周围的岩体变形、松动、形成地表沉陷现象。如果不加以治理，随着采空塌陷、裂缝不断发展，该地区最终将形成地面塌陷。

2 地质灾害原评估

在勘察报告中评估该地段为地质灾害危险性中等区，场地适宜性差，不宜建筑，上分为滑坡地带，城家曲煤矿间接影响区，受雨水影响有可能再次产生滑坡。主要判定依据为《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱流设与压矿开采规程》，该地区的房屋部分受损，根据观测资料显示，该地区地表有塌陷现象，如果不加以处理，将发生更大的问题，居民的搬迁与否成为现实的问题，故需要对该地区的地基变形以及对地面的影响进行重新评估。

3 场地建筑适宜性二次评估

3.1 采空区上方岩石的破坏评价

根据岩石移动与破坏的研究，煤层开采以后，采空区上方的岩层将出现分带岩石移动的情况，形成三个不同的破坏带：冒落带，裂隙带，弯曲下沉带。

根据这三个破坏带，可判断煤炭开采影响地表的范围和深度，如果采空区顶板的最小埋深大于三带的和时，地表不会发生塌陷或者变形。

冒落带的计算方法：

K-顶板岩石碎胀系数；m-煤层采集厚度；-煤层倾斜角

根据勘察报告，煤层的采厚平均为1m，煤层倾斜角大约为7°，所以冒落带的厚度大约为7.5m，裂隙带的厚度大约为15m，玩取代的厚度为40m，所以三带的和大约为62.5m，采空区埋深较大，约为300m，因此采空区并不会导致地表坍塌或者变形。

3.2地表应力分析

在采空区上方的建筑物，因为地表采空，会产生一定的应力变化，一般认为煤层开采以后，采空区断裂带顶板最小埋深应当大于应力集中区与建筑荷载影响深度的和，如果能够达到这个要求，那么断裂带对地表影响很小。

断裂带高度：

m-煤层采集厚度；n-开采分层数

垮落断裂带高度应力集中区高度大约为33m。一般地表建筑物荷载产生的附加应力为自重应力的0.2倍时，认为该附加应力对地基没有影响。故采空区在地表以下35m以上时，地基是安全的。

3.3主巷道稳定性分析

巷道顶板为薄层灰岩，底板为砂岩，故可以采用小窑洞采空区的经验分析法进行分析。

计算顶板岩层的临界深度，确保岩层的自然平衡，可以用采空区深度与巷道深度的关系来评价采空区的稳定。若巷道深度小于临界深度，那么巷道不稳定，但是如果巷道深度大于临界深度的1.5倍时，巷道的顶板和地基均处于稳定状态，按照工程地质手册，考虑砂岩、泥岩的内聚力影响，则，安全深度为32m，大于临界深度的1.5倍，因此处于稳定状态，地基是安全的。

4理论与实际

从以上的理论中可以知道，该采空区上方地面建筑不会受到采空区的影响，也不会使地表重新移动，在这个地方建造建筑物是安全的，而在实际观测中，我方设置了40个观测点，进行观测与统计，最后的结果表明：地表最大沉降量仅为5mm，属于地表稳定区，满足建筑物容许变形值，地表建筑不会受到破坏。

5 结语

经过理论结合计算的分析以及现场实际观测统计，可以知道采空区不一定对地表建筑物产生影响，城家曲村的房屋变形与塌陷一方面由于房屋自身质量原因，另一方面可能由于自然灾害造成。在地表分析时一方面要注意地表变形分析，另一方面也要注意地质力学，地质基础稳定性的分析，只有全方位评论与分析，才能使结论更加准确，希望各位专家与同行批评指正。

参考文献:

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