沉陷區(qū)地表變形研究及施工建筑物可行性分析

張 來 鵬

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

沉陷區(qū)地表變形研究及施工建筑物可行性分析

張 來 鵬

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

對(duì)煤礦沉陷區(qū)形成、地表變形特點(diǎn)及穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)分析，闡述了沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物的相關(guān)要求，并以山西某礦區(qū)沉陷區(qū)為例，對(duì)在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物的可行性進(jìn)行了分析，該研究對(duì)于指導(dǎo)沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物具有一定的借鑒意義。

沉陷區(qū)，地表變形，建筑物，可行性分析

人多地少是我國土地資源的基本國情，隨著我國土地資源的不斷開發(fā)和利用，國有建設(shè)用地供應(yīng)日益減少。煤礦的無節(jié)制開采破壞了大量的可用土地，煤炭采出后，地表出現(xiàn)移動(dòng)變形、沉陷和地下水位下降，尤其是山西、內(nèi)蒙、淮南等部分礦區(qū)出現(xiàn)大面積沉陷區(qū)，且隨著當(dāng)前煤礦開采能力和強(qiáng)度的提高，沉陷區(qū)的發(fā)展規(guī)模仍呈擴(kuò)大趨勢(shì)，資料顯示，我國因煤礦開采產(chǎn)生的沉陷區(qū)總面積已經(jīng)超過10 000 km2，超過國土面積的千分之一[1，2]。對(duì)于沉陷區(qū)治理，目前采取的方式多是進(jìn)行綠化和復(fù)墾，如淮南礦區(qū)、平頂山礦區(qū)等均采用綠化和復(fù)墾來治理沉陷區(qū)。但是，隨著城市人口的發(fā)展和對(duì)土地資源的不斷需求，通過治理沉陷區(qū)來構(gòu)筑建筑物顯得越來越有必要，但是建筑物設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)若選擇和處理不當(dāng)則會(huì)造成建筑物產(chǎn)生傾斜、開裂甚至坍塌，因此建筑物施工對(duì)沉陷區(qū)的地表穩(wěn)定性要求相對(duì)較高。

1 煤礦沉陷區(qū)概述

1.1 沉陷區(qū)形成和地表變形特點(diǎn)

煤礦開采理論和實(shí)踐表明，煤炭采出后，在采空區(qū)頂?shù)装逍纬勺杂煽臻g，遭到破壞的原巖應(yīng)力重新分布促使頂板巖層出現(xiàn)變形破壞，我們根據(jù)其變形特點(diǎn)將采空區(qū)上部巖層分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。垮落帶和裂隙帶巖層整體性缺失，且二者無明顯界限，其移動(dòng)變形破壞特點(diǎn)無明顯規(guī)律，而裂隙帶之上的巖層完整性未遭到破壞，在自重作用下出現(xiàn)法向彎曲變形，對(duì)地表影響顯著，即可形成我們所說的開采沉陷區(qū)。沉陷區(qū)研究成果表明，地表變形穩(wěn)定后，其分布曲線形態(tài)與概率積分型分布具有相似性，具體特點(diǎn)是：1)下沉曲線特點(diǎn)：地表變形穩(wěn)定后，塌陷區(qū)走向主斷面下沉曲線一般位于采空區(qū)正上方，下沉曲線各點(diǎn)呈中心對(duì)稱性，且其拐點(diǎn)向采空區(qū)偏移，若井下開采較為充分和均衡，地表下沉曲線出現(xiàn)平底現(xiàn)象，若井下開采不充分，下沉曲線呈現(xiàn)多個(gè)漏斗形；2)傾斜曲線特點(diǎn)：地表變形穩(wěn)定后，沉陷區(qū)傾斜曲線上各點(diǎn)以走向主斷面最大下沉點(diǎn)為中心呈對(duì)稱分布，塌陷區(qū)左右呈對(duì)向傾斜狀，對(duì)于所開采的呈傾斜狀煤層而言，傾斜曲線因煤層開采深度的變化出現(xiàn)非對(duì)稱分布，淺部煤層傾斜值要稍大于深部煤層；3)水平曲線特點(diǎn)：水平曲線分為移動(dòng)曲線和變形曲線，其中沉陷區(qū)穩(wěn)定后，水平移動(dòng)曲線各點(diǎn)指向沉陷區(qū)中心，相比于最大下沉點(diǎn)對(duì)稱分布，充分采動(dòng)下在沉陷區(qū)中部形成水平區(qū)，否則是非水平區(qū)，對(duì)于傾斜煤層而言，水平移動(dòng)曲線呈非對(duì)稱狀，淺部煤層開采相比于深部煤層開采其最大水平移動(dòng)值相對(duì)要??；4)曲率曲線特點(diǎn)：沉陷區(qū)穩(wěn)定后，充分采動(dòng)條件下，走向主斷面曲率曲線在沉陷區(qū)域有正、負(fù)兩個(gè)曲率區(qū)，分別位于采空區(qū)兩側(cè)保護(hù)煤柱上方和采空區(qū)上方；非充分采動(dòng)條件下，曲率曲線有兩個(gè)正曲率區(qū)和一個(gè)負(fù)曲率區(qū)；在傾斜主斷面上，曲率曲線呈非對(duì)稱分布，非充分開采時(shí)，位于采空區(qū)上方最大負(fù)曲率值要高于兩側(cè)煤柱上方最大正曲率值；充分開采時(shí)，淺部煤層開采區(qū)域最大正、負(fù)曲率均大于深部煤層開采區(qū)域正、負(fù)曲率值。

1.2 沉陷區(qū)地表穩(wěn)定性分析

沉陷區(qū)觀測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)井下開采結(jié)束后，會(huì)一定程度的引起地表沉陷變形，這種變形隨著時(shí)間的延續(xù)會(huì)逐漸變緩直至相對(duì)停止，如若對(duì)沉陷區(qū)地表不予施工任何工程時(shí)，此時(shí)的地表將會(huì)持續(xù)保持這種穩(wěn)定。盡管我們認(rèn)為沉陷區(qū)經(jīng)過一定時(shí)間后地表發(fā)生變形基本可以忽略，但是實(shí)際上地表變形確是依然繼續(xù)，即使是在開采后數(shù)十年后，地表也會(huì)一定程度的產(chǎn)生微量殘余沉降變形。在沉陷區(qū)進(jìn)行建筑物構(gòu)筑時(shí)應(yīng)考慮的也是受地表初期變形和殘余變形兩個(gè)方面的影響，我們認(rèn)為，在沉陷區(qū)相對(duì)穩(wěn)定條件下若將殘余變形控制到一定程度，沉陷區(qū)建筑物不會(huì)受到地表變形的影響，構(gòu)筑建筑物時(shí)期地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)只需要考慮建筑物的載荷對(duì)沉陷區(qū)地表的作用力即可。

2 沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物要求

事實(shí)證明，將沉陷區(qū)作為建設(shè)用地是相對(duì)較好的土地利用途徑，不僅可以緩解沉陷區(qū)外建筑用地的需求，減少耕地使用量，還可以避免沉陷區(qū)土地復(fù)墾所需的大量投入；同時(shí)，在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物還可以改善礦區(qū)職工生活水平，符合城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢(shì)，且沉陷區(qū)土地費(fèi)用相對(duì)低廉，有利于降低投資成本。但是，在沉陷區(qū)條件下構(gòu)筑建筑物需要遵循一定的技術(shù)條件，盡管尚未有系統(tǒng)性的規(guī)范形成，但是如《巖土工程勘察規(guī)范》《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》等文件對(duì)沉陷區(qū)建設(shè)場(chǎng)地的勘察和建筑物平面布置、設(shè)計(jì)等進(jìn)行了相關(guān)闡述[3-5]。同時(shí)借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物除了需要特殊勘察外，遵循的主要是地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和建筑物抗采動(dòng)影響設(shè)計(jì)和施工等。國內(nèi)外有的資料中也給出了沉陷區(qū)適宜構(gòu)筑建筑物的條件，某些情況下甚至不需要做評(píng)價(jià)，如地表傾斜小于3 mm/m，地表曲率小于0.2/m的地段等。

3 沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物可行性實(shí)例分析

3.1 沉陷區(qū)概況

山西某礦區(qū)井田走向和傾斜長度分別為4.2 km和1.2 km，井田面積為4.5 km2，所采煤層采深為575 m～698 m，平均為630 m，煤層厚度為3.6 m，工作面上覆巖層以砂巖、石灰?guī)r和頁巖為主，開采方式為分區(qū)式開采，由于礦區(qū)井田范圍內(nèi)煤層賦存條件較好，井下煤層開采較為充分，礦井閉坑時(shí)間為1986年，根據(jù)地表沉陷觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，1996年之后地表變形基本可以忽略。

3.2 構(gòu)筑建筑物可行性分析

理論認(rèn)為，在沉陷區(qū)構(gòu)筑建筑物應(yīng)滿足兩個(gè)基本條件，即選取構(gòu)筑物施工時(shí)間要合理和建筑物地基載荷傳播深度應(yīng)處于穩(wěn)定巖層。構(gòu)筑建筑物時(shí)間要合理是指建筑物構(gòu)筑時(shí)應(yīng)保證沉陷區(qū)地表處于穩(wěn)定狀態(tài)，即自沉陷區(qū)地表變形至構(gòu)筑建筑物的時(shí)間T1要大于地表變形直至穩(wěn)定的時(shí)間T2。建筑物有一定的自重，其自身載荷會(huì)向下傳遞，如果載荷傳遞至穩(wěn)定巖層，則地表建筑物不會(huì)出現(xiàn)下沉，如若載荷傳遞至裂隙帶或者垮落帶等不穩(wěn)定巖層，則會(huì)造成采空區(qū)上方覆巖繼續(xù)出現(xiàn)下沉、移動(dòng)等變形，故建筑物地基產(chǎn)生的載荷傳播深度不應(yīng)超過彎曲下沉帶。

從時(shí)間角度出發(fā)，該沉陷區(qū)自1986年開始形成，直至1996年基本穩(wěn)定，距今已近20年，由此可知滿足T1>T2，故從時(shí)間上滿足構(gòu)筑建筑物的要求。該礦區(qū)采深為575 m～698 m，平均為630 m，屬于煤層埋深相對(duì)較大的礦區(qū)。假設(shè)建筑物為一矩形構(gòu)筑物，按照矩形截面豎向均布載荷作用機(jī)理可知，其載荷傳播深度與傳播系數(shù)Kc密切相關(guān)，引入相關(guān)數(shù)據(jù)同時(shí)結(jié)合沉陷區(qū)實(shí)際情況，認(rèn)為建筑物載荷傳播深度不會(huì)超過彎曲下沉帶。另外，國內(nèi)外實(shí)踐認(rèn)為對(duì)于采深較大的礦區(qū)，即埋深H/煤厚h>30的沉陷區(qū)地表穩(wěn)定后殘余變形較小，一般不會(huì)對(duì)建筑物造成影響，該礦區(qū)平均埋深630 m，煤厚3.6 m，H/h=175>30。綜上所述，可以在該礦區(qū)沉陷區(qū)上方構(gòu)筑建筑物，但構(gòu)筑物規(guī)模具體還需進(jìn)一步探討。

4 結(jié)語

煤礦沉陷區(qū)占有我國大量的國土面積，是重要的潛在可利用土地。在沉陷區(qū)上構(gòu)筑建筑物應(yīng)掌握沉陷區(qū)地表變形的規(guī)律及相關(guān)影響因素，同時(shí)也要了解構(gòu)筑物對(duì)地表變形的影響，確保穩(wěn)定地表殘余變形滿足建筑物穩(wěn)定要求，只有這樣才能有針對(duì)性的構(gòu)筑建筑物，避免因地表變形引起的建筑物出現(xiàn)裂紋、傾斜和坍塌等現(xiàn)象。本文僅是對(duì)沉陷區(qū)表面變形規(guī)律及建筑物施工可行性進(jìn)行初探，在沉陷區(qū)如何施工建筑物、地基加固方式的選擇及建筑物規(guī)模的確定還需詳細(xì)探討。

[1] 王明立,胡炳南,趙有星.采煤沉陷區(qū)工程建筑物地基的穩(wěn)定性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006，34(4):72-75.

[2] 張貴雙.開采沉陷區(qū)建設(shè)大型廠房地基基礎(chǔ)的處理[J].河北煤炭,2005(1):47-48.

[3] 張建濤,種麗麗.煤礦開采沉陷區(qū)地表與建筑物變形探討[J].山西建筑,2012，38(9):83-84.

[4] 張洪波,陳桂海.鶴崗市盤活沉陷區(qū)土地利用情況分析[J].黑龍江國土資源,2017(1):50.

[5] 張雅瓊,白新密.平頂山采煤沉陷區(qū)綜合治理工程規(guī)劃[J].中州煤炭,2012(9):48-49.

Study on surface deformation in subsidence area and feasibility analysis of construction building

Zhang Laipeng

(TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030001,China)

Analyzed the formation of coal mine subsidence area, surface deformation characteristics and stability in detail, gave the relevant requirements in subsidence area of constructing a building, take a Shanxi mining subsidence zone as an example to analysis of the feasibility of building a building in a settlement area, the research has certain reference significance for guiding the construction of buildings in subsidence area.

subsidence area, ground deformation, building, feasibility analysis

1009-6825(2017)20-0055-02

2017-04-24

張來鵬(1984- ),男,工程師

P624

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