煤矿老采空区岩土工程稳定性探讨

某大酒店高21层，由主楼及裙楼组成，主楼东西长42m，南北宽20m，框剪结构；裙楼位于主楼东、南、西三侧，外包尺寸东西长66m，南北宽43～50m，高度均为3层，框架结构，主、群楼均设一层地下室，彼此结构独立。
场区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，分组为第二组。
场区地层主要为石炭～二叠系煤系地层，整体走向NE，倾向NW，倾角平缓，上覆第四系地层由黏性土组成，厚度约10m。场区共含煤21层，煤层总厚度5.32m，其中场地可采、局部可采煤层6层，场地位置实际开采煤层为17煤、20煤和21煤。
场区内煤矿开采方法为走向长臂法，顶板管理为自由垮落法。各采煤工作面基本情况详见表1。根据开采时间确定，场区采空区为老采空区。
表1                       场区地段采煤工作情况简表

煤层 编号	煤层顶板 特征	煤层底板 特征	工作面 编号	采深 （m）	采厚 （m）	开采 时间
17煤	页岩，平均厚度0.56m	砂页岩，平均厚度2.27m	1704	-242.5	0.85	1980-1981
			1702	-241.5		1974
			1720	-237.8		1977
20煤	灰岩，平均厚度3.87m	砂岩，平均厚度5.38m	2004	-265.7	0.80	1981
			2006	-258.0		1981
			2002	-274.4		1976
			2020	-257.0		1979
21煤	灰岩，平均厚度9.11m	砂页岩，平均厚度2.50m	2106	-262.7	0.65	1990
			/	-282.5		1993
			2104	-292.4		/
			2102	-298.9		1994
			/	-301.4		1991-1992

场地稳定性评价
（1）开采时间判定采空区地基稳定性
煤矿采空区地面变形活跃期结束时间为T=2.5H₀（天）    式中H₀为采深，单位m。
场地煤层最大采深约为333m（从地面算起），根据上式估算其地面变形活跃期结束时间为833天，而场地煤层最后开采时间为1994年,因此从开采时间评价，场地采孔区地面变形已经趋于稳定。然而需要说明的是，采空地面塌陷变形稳定并不代表采空区上覆岩土体变形的绝对终止，只是其变形量在一定时间内小于一定限值，并且在特定条件下还将发生活化，发生二次较大变形。
（2）采深采厚比判定采空区地基稳定性
场地内煤层最小埋深约238m，采深采厚比280,远大于30,地表一般出现连续沉降变形，但在地表沉降移动盆地边缘，裂缝较发育，其大小随着采深的增大而减小。
（3）根据地基附加应力与冒落带发育高度判定采空区地基稳定性
    a.建筑物荷载影响深度计算
取地基中的附加应力Oz占上覆地基土自重应力Ocz的10%所对应的深度为地基受压层深度。以采用筏板基础考虑，计算21层主楼中心位置43m深度处附加应力Oz约为78kPa，不足该深度处岩土自重应力（Ocz=915 kPa）的10%，据此确定建筑物基底附加应力最大影响深度约为地面以下43m。
b.冒落带、导水裂隙带计算
经验公式取：Hm=100M/(3.3n+3.8)+5.1    式中M为累计采厚（m），n为煤层分层数；
计算Hm约为22m。
场地深部17、20和21煤采空区冒落、导水裂隙带发育高度远在建筑物基底附加应力的影响深度43m以下，新建建筑物不会导致17、20和21煤采空区活化失稳。
（4）根据工程荷载与煤层顶板力学性能判定采空区地基稳定性
根据公式估算采空区顶板岩石的稳定性：

式中：H₀为临界深度；B为巷道宽度（m），按4m计算；γ为岩土层平均重度，按26.5kN/m³计；φ为摩擦角，取平均值30⁰。
对于高度21层的建筑物，按平均基底压力P₀为420kPa估算，H₀=31.6m，1.5H₀=47.4m。场地17、20和21煤采空区采深大于245m，远大于1.5H₀=47.4m，因此，地基基本稳定。
（5）老采空区活化判定采空区地基稳定性
老采空区在遭受重复采动、地震、地下水超采等强烈地质环境条件改变作用时，其上方原来基本稳定的岩土体因应力平衡的破坏将发生二次变形，直至达成新的应力平衡，从而形成老采空区 “活化”现象。老采空区活化的变形特征与现采空相似，但强度明显减弱。
综合上述分析可知，场地的稳定性主要受老采空区残余变形及“活化”作用的不利影响；综合评定，在采取合适的建筑结构抗变形措施后，场地基本稳定。
进一步工作的思考
（1）加强采空区的地质勘察工作。根据资料的收集和勘察成果，首先应考虑采空区在附加荷载作用下是否会“活化”，然后再计算其在使用年限内的残余沉降量以及采空区地基的承载力。
（2）老采空区岩土工程稳定性问题要从多重地质因素共同作用的角度进行分析论证，除上述论述说论述的条件外，还应考虑场区自然地理概况、区域地质条件及采空区塌陷状况等，并应根据工程需要，论述采空区地面变形特征，计算剩余沉降量和预测变形的发展趋势。
（3）老采空区评价方法多采用定性与半定量的综合分析方法确定场区的稳定性。
（4）关于老采空区稳定性的研究，特别是在工程建筑行业经验积累较少，因此，没有实际建筑经验可供参考，高层建筑建成以后的变形特征及安全运行情况难以准确预计，因此场地用作高层建筑物的建设场地时尚缺少建筑实践经验的支撑，需委托权威机构进行专门性论证工作。
 
 
 
参考文献
[1]中华人民共和国建设部.GB50021-2001  岩土工程勘察规范.北京：中国建筑工业出版社，2009.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2010  建筑抗震设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程.北京：煤炭工业出版社，2000.
[4]康省桢，崔颖超.高速公路下伏采空区治理工程.北京：人民交通出版社，2008.
[5]常士骠，张苏民.工程地质手册-4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

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文章名称： 煤矿老采空区岩土工程稳定性探讨

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