老采区及地表残余变形对建筑物的影响

朱广轶，解 陈，窦 明，刘晓群，郭 影

（1.沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳 110044；2.沈阳煤业（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110122）

老采区及地表残余变形对建筑物的影响

朱广轶1，解 陈1，窦 明2，刘晓群1，郭 影1

（1.沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳 110044；2.沈阳煤业（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110122）

浅部开采条件下地表残余变形分析是岩层移动领域的一个棘手问题.通过老采空区影响下地表残余变形和地基承载能力变化对地面新建建筑物的影响分析，提出了老采区上方新建建筑物地基稳定性计算公式、岩层移动参数、评价方法.应用鹤岗市和谐花园小区建筑物实例进行了验证.

老采区；地表残余变形；地基稳定性；影响

地表残余变形是一个新概念.地下煤层开采后产生地下空洞，引起覆岩破坏，在上覆岩层中产生冒落带、裂缝带、弯曲带.在老采空区上方地表新建建筑物，将产生附加载荷，引起地基扰动，打破上覆岩层中的力学相对平衡状态，地表产生残余变形.因此，在老采空区地表新建建筑物时，必须进行地基稳定性评价.

1 老采区覆岩及地表残余变形

地下煤层开采出以后，岩体内部从下到上可产生“三带”：冒落带、裂缝带、弯曲带.冒落带是指岩层破裂成块状，落入采空区.裂缝带是指冒落带上方的岩层会产生断裂、离层、裂隙，岩体内部结构遭到严重破坏.冒落带、裂缝带岩层长时间压实，仍会存在一定程度的裂隙和离层，抗压、抗拉、抗剪强度明显低于原始岩体的强度，岩体结构处于相对稳定状态，不能承受较大的外力扰动.如果地表建筑物附加载荷传递到老采空区裂隙带或冒落带的不稳定岩体中，势必加大建筑物不均匀沉降，严重的会造成建筑物结构破坏.弯曲带是指岩层在自重应力作用下产生的法向弯曲，此带岩层仍保持整体性和层状结构.实际观察中，地表很可能产生裂缝，但此种裂缝主要是因为开采影响产生不均匀沉降、受拉伸变形引起的.根据多数工程经验，地表裂缝在一定深度内会自行闭合，一般不和裂缝带贯通，此带可以承受载荷.因此，老采空区冒落带和裂缝带破裂岩体范围是评价老采空区上覆岩层稳定性的主要依据.

开采移动结束后，老采空区附近垮落岩块虽然承受了较大的岩层压力而产生压缩，但由于岩体结构的存在，老采空区的残留空洞和上覆岩层中的离层、裂缝不可能会被充分压实.在受到外力（如地表新建建筑物载荷、地震力等）影响时，就有可能打破上覆岩层中的相对稳定状态，在覆岩及地表产生新的移动变形（见图1），对地面上的建筑物产生一定影响.因此，在老采空区新建建筑物时，需要对可能产生的地表残余变形量和地基承载能力进行充分预计，确保建筑物安全可靠.

图1 老采空区引起的地表残余移动变形Fig.1 Surface residual deformation caused by old mined-out areas

地表残余移动变形是指地表移动期结束后，在新建建筑物对老采空区的扰动下，地表继续产生的移动与变形.煤层开采结束后，地表移动变形要经过初始移动期、移动活跃期和移动衰退期3个阶段，总称为地表移动期.显然，地表残余移动变形是上述3个阶段的延续，其移动变形分布规律应与地表移动期内地表移动变形规律相一致［1］.

2 地表残余变形对建筑物的影响

老采空区地表移动期结束后，在老采空区地表上新建建筑物时，地基稳定性的影响因素分为地基承载能力和地表残余变形对建筑物的影响两方面.因此，需要分析老采空区“活化”的可能性，并对地基的稳定性以及建筑物的变形等级进行评价.

2.1 地基承载能力

对于老采空区影响下地基承载能力的分析，需综合评价建筑物附加载荷的影响深度和下部采空区对上部覆岩的影响高度.建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.建筑物载荷的影响深度随建筑物载荷的增大而增大.一般来说，当地基中建筑物载荷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忽略不计.但是，当其下方有高压缩性土或有其他不稳定因素时，如采空区垮落、裂隙带，则计算附加应力直至地基自重应力的10%位置处，方可认为附加应力对该深度处的地基不产生影响（应力比法）［2］.

根据建筑物载荷的影响深度与老采空区裂缝带之间的空间位置关系，建筑物载荷的影响深度与岩体裂缝带之间存在以下3种关系.

（1）建筑物载荷的影响深度与裂缝带顶部有一定的距离，此时，建筑物载荷不会影响老采空区上覆岩的稳定性（如图2a所示）.

（2）建筑物载荷的影响深度达到裂缝带顶部，此时，建筑物载荷处于影响老采空区上覆岩层稳定性的临界状态（如图2b所示）.

（3）建筑物载荷的影响深度进入裂缝带内部，此时，建筑物载荷会影响老采空区上覆岩层的稳定性，建筑物可能受到较大不均匀沉降的影响（如图2c所示）.此种情况为3种关系中最为严重者，需采取一定的采空区处理措施以保证地表建筑的安全.另外，如果煤层较浅，离地表距离较小，从而使煤层的冒落带高度达到地表，那么很可能产生冒透地表的现象，会产生突然的、不连续的沉陷，如台阶、漏斗状塌陷坑.漏斗状塌陷坑形状多呈圆形、椭圆形.此种情况对建筑物的影响是危险的.

图2 建筑物载荷的影响深度与采空区裂缝带之间的关系Fig.2 Relationship between affecting depth of building loads and the goaf crack zone

现对地下深度为H的煤层上方的地基承载能力进行分析.根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［3］，开采后在覆岩中引起的冒落带高度为Hm、裂隙带高度为Hl.实际上，上部建筑物产生扰动等因素的影响，使裂隙带的应力集中区的发育高度远高于规程计算值，所以对裂隙带的高度需要给定一个高度系数.根据大量工程经验和数据分析对比，本文提出安全系数为1.4.

因此，煤层开采后，采空区引起的垮落带、裂隙带不再因附加建筑物载荷而重新破坏或“活化”时，则可评价地基承载能力满足抗变形建筑设计要求.即，煤层最小采空区深度H应大于裂隙带与建筑物载荷的综合影响深度：

建筑物载荷的影响深度H影按前述应力比法计算.对于采深较小的，不满足式（1）要求的老采空区，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，例如注浆等，以确保地表不再发生较大的不均匀沉降量或地基失稳.

2.2 地表残余变形对建筑物的影响

地下开采引起的地表移动和变形，对建筑物影响范围内的建筑物将产生影响，此影响一般是由地表通过建筑物的基础传到其上部结构的.不同的地表移动，建筑物所受的影响也不同.

对老采空区引起的地表残余移动变形的计算，应采用目前我国应用的概率积分法.在地表移动期内，开采引起的地表下沉可由式（2）计算：

式中，q为地表下沉系数，根据地表移动期内的实际观测数据确定；S为拐点的偏移距；m为开采厚度；r为主要影响半径；x为距采空区边界的距离.

根据随机固体介质理论，假设岩层移动活动结束后所有的空隙均被充分充填压实，则此时形成的地表移动盆地可看做极限条件下的移动变形分布.极限条件下的地表下沉为

式中，qu为极限下沉系数.

极限条件下老采空区地表的残余下沉可表示为

在地表移动稳定后较长一段时间内，老采空区煤壁在建筑物附加载荷及覆岩重力载荷的长期作用下，煤壁塑性区发展得比较充分.在充分采动和重复采动下，可近似认为拐点偏移距S＝0.由于地表残余移动变形较小，可以假设在地表移动期结束后，采空区上方发生的地表残余移动变形并没有明显改变老采空区原有下沉盆地的形状和范围，即认为地表的极限下沉盆地和实际下沉盆地的范围基本一致.因此，根据式（4），老采空区地表的残余下沉可进一步表示为

式中，qr＝qu-q为地表残余下沉系数.

假设极限条件下地表水平移动系数bu与常规地表水平移动系数b相同，则老采空区地表残余水平移动可表示为

根据式（5）和式（6），可进一步导出采煤沉陷区地表残余倾斜、残余曲率、残余水平变形表达式［4］.

一般来说，地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动，对建筑物影响很小，不至于引起建筑物破坏，可不作为衡量建筑物破坏的指标；建筑物抗拉能力弱、地表水平变形使建筑物的基础产生拉伸变形是引起建筑物破坏的主要因素.受到拉伸变形后，往往是先在建筑物的薄弱部位出现裂缝，有时地表尚未出现明显裂缝，而在建筑物的墙上却出现了裂缝，破坏严重时，会使建筑物倒塌.因此，必须对建筑物采取适当的抗变形结构措施，以抵抗采空区处理后的残余变形.

3 地基稳定性实例验证

鹤岗市和谐花园小区拟建地面以上6层住宅楼，地下1层，位于采煤塌陷区范围内，煤炭开采历史久远.根据本区域地质采矿资料及勘探资料分析，鹤岗市兴山老二井曾开采了15煤、18煤、21煤、22煤等煤层，开采时间为20世纪50年代.本区域正下方有两煤层：15煤和18煤.15煤最小深度37.4m，采厚14.2m；18煤最小深度75.8m，采厚15.4m.15煤与18煤的间距为24.2m.根据岩土工程勘察，场地回填土深度变化大，回填土深度在4.20～15.30m，基岩为坚硬的砂岩.

3.1 地基承载能力

（1）建筑物的影响深度.基础持力层位于回填土下粉质黏土层，地表下15m.建筑物的影响深度计算表如表1所示.根据工程经验，建筑物每层产生载荷25kPa，该建筑物为7层，则基底顶部所在层p0＝25×7＝175kPa.通过表1可知，当在基底下深度20m时，附加应力p0＝59kPa，土的自重应力σc＝700kPa，p0／σc＜0.1，即认为附加应力对该深度处的地基产生的影响可忽略.比较上面的计算分析，可取建筑物的影响深度为桩底下20m，即地表下35m（含15m为桩基长度）.

表1 建筑物的影响深度计算表Table 1 Computation table of affecting depth of buildings

（2）冒落带、导水裂缝带的高度.根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［3］进行如下计算.

18煤的冒落带高度：

即18煤的冒落带进入15煤.

15煤即上层煤的裂缝带高度：

18煤裂缝带的高度，按15煤和18煤的综合开采厚度计算：

由于冒落带高度较大，接近地表，上覆岩层的剩余岩梁为杂填土，其承载能力几乎没有，冒落带冒透地表的可能性较大，且15煤与18煤的冒落带连通，因此连通后的冒落带高度增大.此计算结果与实际情况吻合，该范围内确有塌陷坑存在，如图3所示.

图3 和谐花园小区规划范围西部的地表塌陷坑Fig.3 Surface collapse pit of the western part of the planning range of Harmonious Community

经计算分析可知，该区域的地基承载能力达不到要求.该处的建筑物影响深度为35m，裂缝带与建筑物载荷的综合影响深度大于开采深度.因此，该区域老采空区覆岩将会因地表新建建筑物而“活化”，地表将会产生失稳性不均匀沉降.为防治这种可能出现的失稳性不均匀沉降，必须对老采空区进行严格的注浆填充.否则，地基稳定性将难以保证.鹤岗矿区地表塌陷坑如图4所示.

3.2 地表残余变形对建筑物的影响

本区域地下开采时间为20世纪50年代以前，当时的采出率较低.经过多年的蠕变压缩后，在新建建筑物附加应力的作用下，其残余移动影响已经不大.开采距今已有50余年，地表残余移动变形量已经很小.计算取未注浆前的残余下沉系数，为0.018.计算坐标系如图5所示.

图4 鹤岗矿区地表塌陷坑Fig.4 Surface collapse pit of Hegang mining area

图5 计算坐标系Fig.5 Coordinate system of calculation

老采空区残余移动变形预计的其他参数参照鹤岗矿区常规计算的参数选取，分别如下：

水平移动系数b＝0.27；

主要影响角的正切值tanβ＝2.4（表土比例大）；

开采影响传播角90-0.43α（α为煤层倾角）；

拐点偏移距S＝0（煤壁塑性区发展得比较充分，区内表土比例大）.

取15煤的煤层倾角7.5°，煤层厚度14.2m；18煤的煤层倾角7.5°，煤层厚度15.4m；21煤的煤层倾角21.6°，煤层厚度5.9m；22煤的煤层倾角21.6°，煤层厚度5.9m.

取计算方向为建筑物的长轴方向，采用ZMS 7.6软件系统进行计算［5］.结论如下：对建筑物影响较大的是地表水平变形影响，达到-10～＋8mm／m，沿建筑物长轴方向即最不利方向达到Ⅳ级变形.受全部老采空区影响的地表残余水平变形预计等值线图如图6所示.必须对建筑物采取抗变形措施，以抵消地表残余变形.图7为鹤岗矿区地表变形引起的建筑物破坏.

图6 受全部老采空区影响的地表残余水平变形预计等值线图（单位：mm／m）Fig.6 Expected isoline map of horizontal deformation of surface residual deformation influenced by all the old goaf

图7 鹤岗矿区地表移动变形引起的建筑物破坏Fig.7 Building damages caused by ground movement and deformation in Hegang mining area

4 结 语

（1）残余变形是地表移动期结束后在老采空区新建建筑物对地基产生扰动，地表继续产生的移动和变形.

（2）老采空区对地面新建建筑物的影响分为地表残余变形影响和地基承载能力影响两方面.提出了地基稳定性分析的计算公式、评价方法、地表残余变形预测的岩层移动参数.

（3）依据提出的计算公式、岩层移动参数、分析方法，在鹤岗市和谐花园小区进行建筑物地基稳定性分析，结果与实际情况吻合.

［1］朱元武，刘春香，贺金强.采空区场地高层建筑地基稳定性评价［J］.工业建筑，2009（39）：738-740.

［2］赵明华.土力学与基础工程［M］.2版.武汉：武汉理工大学出版社，2004：200-235.

［3］国家煤炭工业局.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，2004：226-230.

［4］何国清，杨伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1991：122-127，135-142.

［5］朱广轶，沈红霞，朱乐君，等.开采沉陷动态分析方法研究［J］.沈阳大学学报，2011，23（5）：1-4.

Effect of Old Mined-out Areas and Surface Residual Deformation on Buildings

ZHU Guangyi1，XIE Chen1，DOU Ming2，LIU Xiaoqun1，GUO Ying1

（1.Architectural and Civil Engineering College，Shenyang University，Shenyang，110044，China；2.Shenyang Coal Trade Group Corporation Limited Liability Company，Shenyang 110122，China）

Under shallow mining conditions，analysis of residual deformation is a difficult problem in rock movement field.Through analysis of residual deformation influence and ground-bearing capacity influence which constructing the buildings on the old coal surface，the foundation bearing capacity formula，the building foundation stability evaluation methods，rock movement parameters are proposed.The method is verified by Hegang Harmony Garden District.

old mined-out areas；surface residual deformation；foundation stability；effect

TD 325

A

1008-9225（2012）03-0070-05

2011-12-09

辽宁省自然科学基金资助项目（201102154）；辽宁省教育厅科研项目（L2010379）.

朱广轶（1962-），男，辽宁喀左人，沈阳大学教授，博士生导师.

李 艳】