采空区上方建筑物地基稳定性评价

采空区地基稳定性问题实例分析建筑工程所 任彦会 万叶青摘 要针对潍柴动力股份有限公司铸造中心一期工程建设，最初选址为采空区地基的问题，通过多方论证和预测分析，对该采空区地基进行了综合评价，最终否定了该选址方案，从而避免了灾害的发生。

本文汇总有关评价方法，以供类似工程参考。

关键词采空区 地基 塌陷1 采空区概念采空区是将岩体中间的煤层或矿层开挖后在顶板和底板岩层之间形成的空间区域。

采空区根据开采现状可分为老采空区、现采空区和未来采空区三类，其中老采空区是指建筑物兴建时，历史上已经采空的场地；现采空区是指建筑物兴建时，地下正在采掘的场地；未来采空区则是指建筑物兴建时，地下富存有工业价值的矿层，目前尚未开采，而规划中要开采的场地，见图一。

图一 采空区剖面示意图采空区所带来的主要灾害是地表变形和采空塌陷，其特点是：采空区面积区域性差异大，所产生的地质灾害及带来的影响也各不相同，一般是同一地区采深采厚比越大、采空区面积越大、开采层数越多其所造成的地面影响也越大。

大面积的采空区扰动了地球环境，改变与破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡，产生了大面积的采空塌陷等地质灾害。

其结果导致江河断流，泉水、地下水枯竭，土地干旱贫瘠，农业欠收，生态环境恶化；还会导致高速公路、铁路、机场和西气东输、南水北调等重大工程以及城市建筑因处理采空问题而增加建设难度的费用。

2 工程概况本工程潍柴动力股份有限公司铸造中心一期工程，占地面积约为800亩，总投资约12亿元人民币，工艺先进，居世界领先水平，一期工程均为新建建筑，主要建筑物包括1号铸铁车间（70000㎡）、综合库、成品库、金属炉料库、焦炭石灰石及耐火材料库、膨胀土煤粉合金库、砂库、气体机装配试验车间及其配套服务的厂区办公楼、食堂、浴室、其他辅助站房等共计10万余平方米建筑面积。

1号铸铁车间是主要生产车间，屋架下弦标高标高12.000~15.000米，跨度18~24米，钢排架结构；主要结构采用焊接H型钢柱，梯形钢屋架钢天窗架，1.5x6.0米预应力大型钢筋混凝土屋面板构件；维护结构采用煤矸石砖墙体，外加单层彩钢板；冲天炉是铸造中心关键设备，为美国公司厂品，30多米高钢框架结构，对地基不均匀沉降要求较高，不允许有沉降差；其余大部分生产线采用进口设备，对地基不均匀沉降要求也较高，允许沉降差2/1000。

INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究对公路采空区进行勘察及稳定性评价，查明采空区分布及特征，并对采空区进行稳定性计算评价，为下一步是否进行治理设计提供依据。

采空区勘察主要是通过收集资料、采空区调查与测绘、移动变形观测、物探、工程钻探等手段进行，稳定性评价方法有开采条件判别法、地表移动变形预计法（概率积分法）、地表移动变形观测法、极限平衡分析法以及数值模拟分析法等。

本文基于S233至S315连接线（荥巩界至口头段）项目，介绍该线路采空区勘察和稳定性评价方法。

一、工程概况S233至S315（荥巩界至口头段）连接线起点桩号K3+421.5，终点桩号K7+865.325，整体呈东西走向，路线全长4.444km，采用设计速度为80km/h、双向四车道一级公路标准，路基宽24.5m。

线路征地范围内有3个煤矿，分别为宏基煤矿、双楼煤矿和富堡煤矿。

二、煤矿开采情况（一）富堡煤矿开采情况富堡煤矿矿山目前已建成主、副井和风井，开采煤层为一1煤层和二1煤层。

属稳定性煤层，煤层结构简单，在2014年巷道基建完成后发生突水，现一直处于停产状态。

（二）双楼煤矿开采情况巩义市米河镇双楼煤矿，开采方式为地下开采，始建于1997年。

该矿主要开采一1煤层，矿井开拓方式采用立井单水平（±0）上下山开拓，主、副井和风井均为立井，主井位于矿区南部，副井位于矿区西部，风井位于矿区东南部，井筒落底到一1煤层顶板，开采水平最深为-200m。

采煤方法为走向长壁式放炮落煤，全部垮落法管理顶板。

该矿于2011年正式关闭。

（三）宏基煤矿开采情况宏基煤矿现有生产矿井两对，其中十号井开采一1煤层，谷山井开采二1煤层。

十号井位于井田中部，煤层结构简单。

立井单水平开拓布置，分区分水平开采，为采区工作面走向后退式长壁式采煤法，炮采落煤，一次采全高。

该煤层基本采完。

谷山井采用综采分层开采采煤方法，全部垮落法管理顶板。

该矿井为煤与瓦斯突出矿井，为了保证工作面的正常接替，采区还配备一个瓦斯抽采工作面。

一、工程概况xx集团拟在xx煤矿工业广场区域新建一座50万吨/年的甲醇厂，拟建厂址利用xx煤矿的工业广场留设煤柱没有开采的有利条件,尽可能把新建甲醇厂的重要建（构)筑物布置在工业广场留设的煤柱之上（xx煤矿工业广场建筑物平面图见图1—1所示），其他建（构)筑物布置在工业广场周围的采空区之上。

拟建厂址东西长约1200m，南北宽约760m，占地面积900余亩；西为邹唐公路，北与西侧为xx煤矿铁路专用线。

交通十分便利,基础设施齐全，地形较为平坦开阔。

拟建工程建（构）筑物总平面布置见图1-2所示.主要建、构筑物名称及要素见表1-1所示。

大型重要设备尺寸见表1-2.荷重最大的设备为甲醇合成塔、甲醇洗涤塔、气化炉、澄清槽等.建构筑物最高的为煤筒仓（高度43。

5m）和气化框架（高度39m）.大部分设备基础采用桩基础，钢筋混凝土结构。

精密设备、超长轴设备如大型压缩机、泵，基本都是联合平台，联合基础，不允许局部沉降.大部分设备对下沉都比较敏感，特别是大型压缩机有轴位移和轴震动非常精密的检测报警设备，位移和振幅一般要求小于0.5mm。

表1-2 大型重要设备尺寸234二、地质采矿条件xx煤矿是xx矿区开发最早的矿井，位于xx市南xx镇和xx镇境内,井口北距xx市约11km。

xx煤矿于1960年开始建设，设计生产能力为30万t/年，1978年改扩建至45万t/年,1990年后矿井进入衰老期，1991年底注销矿井设计生产能力，之后回收部分煤柱，至2002年回收完毕，然后闭坑。

1、地层x州煤田位于鲁西隆起区西南缘的x州向斜内,属石炭二迭系含煤地层.井田内地层自上而下分述如下:第四系，厚15.92~58.50m,由棕黄色砂质粘土及粘土质砂砾组成，含3层含水砂或砂砾层.上侏罗系，厚0~266.59m，以紫红色厚层状中、细砂岩为主，泥质胶结，夹薄层砾岩、砂砾岩和泥岩。

下部含绿灰岩、粉砂岩互层。

底部为一层不稳定的砾岩。

石炭系太原群,井田内沉积厚度一般为151.48m，由薄层深灰色粉砂岩、泥岩和灰～绿灰色砂岩组成，中夹灰岩8层、薄煤层15层,是本区主要含煤层段，可采煤层为第16上、17、18上层煤。

一、工程概况xx集团拟在xx煤矿工业广场区域新建一座50万吨/年的甲醇厂，拟建厂址利用xx煤矿的工业广场留设煤柱没有开采的有利条件，尽可能把新建甲醇厂的重要建（构）筑物布置在工业广场留设的煤柱之上（xx煤矿工业广场建筑物平面图见图1-1所示），其他建（构）筑物布置在工业广场周围的采空区之上。

拟建厂址东西长约1200m，南北宽约760m，占地面积900余亩；西为邹唐公路，北与西侧为xx煤矿铁路专用线。

交通十分便利，基础设施齐全，地形较为平坦开阔。

拟建工程建（构）筑物总平面布置见图1-2所示。

主要建、构筑物名称及要素见表1-1所示。

大型重要设备尺寸见表1-2。

荷重最大的设备为甲醇合成塔、甲醇洗涤塔、气化炉、澄清槽等。

建构筑物最高的为煤筒仓（高度43.5m）和气化框架（高度39m）。

大部分设备基础采用桩基础，钢筋混凝土结构。

精密设备、超长轴设备如大型压缩机、泵，基本都是联合平台，联合基础，不允许局部沉降。

大部分设备对下沉都比较敏感，特别是大型压缩机有轴位移和轴震动非常精密的检测报警设备，位移和振幅一般要求小于0.5mm。

表1-2 大型重要设备尺寸234二、地质采矿条件xx煤矿是xx矿区开发最早的矿井，位于xx市南xx镇和xx镇境内，井口北距xx市约11km。

xx煤矿于1960年开始建设，设计生产能力为30万t/年，1978年改扩建至45万t/年，1990年后矿井进入衰老期，1991年底注销矿井设计生产能力，之后回收部分煤柱，至2002年回收完毕，然后闭坑。

1、地层x州煤田位于鲁西隆起区西南缘的x州向斜内，属石炭二迭系含煤地层。

井田内地层自上而下分述如下：第四系，厚15.92～58.50m，由棕黄色砂质粘土及粘土质砂砾组成，含3层含水砂或砂砾层。

上侏罗系，厚0～266.59m，以紫红色厚层状中、细砂岩为主，泥质胶结，夹薄层砾岩、砂砾岩和泥岩。

下部含绿灰岩、粉砂岩互层。

底部为一层不稳定的砾岩。

石炭系太原群，井田内沉积厚度一般为151.48m，由薄层深灰色粉砂岩、泥岩和灰～绿灰色砂岩组成，中夹灰岩8层、薄煤层15层，是本区主要含煤层段，可采煤层为第16上、17、18上层煤。

采空区建筑地基的稳定性分析和施工处理方法摘要：结合工作实践，探讨了采空区建筑地基的稳定性分析方法及工程实践中对采空区的常用处理方法，对采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有重要的理论和实际运用价值。

关键词：采空区，建筑地基，稳定性分析，施工处理方法在过去几十年中，我国中西部煤炭资源的开发对国民经济的发展做出了巨大贡献。

但由于煤炭资源的开采，在中西部地区的一些老能源基地造成了大规模、大范围的采空塌陷区，导致上覆岩体冒落、断裂和弯曲，使岩体力学强度降低，造成老采空区上方建筑地基的承载能力下降。

随着西部大开发战略和基础建设的加速实施，以及小城镇建设的不断发展，可供建筑的地面严重不足，一些地区的公路、铁路、厂房、住宅楼等不得不穿越或建立在老采空区上方。

在这些静荷载或动荷载作用下，有可能使原本处于相对平衡状态的冒裂带岩体重新“活化”，使冒裂带岩体再压密、地下残留空洞再冒落，导致地表产生附加移动和变形，进而使新建建筑物沉降、局部开裂、倾斜、直至倒塌。

因此，开展对老采空区建筑地基稳定性评价及其变形破坏规律的研究工作，对老采空区建筑地基的处理、采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有极其重要的理论和实际运用价值。

1、采空区建筑物地基的稳定性分析老采空区建筑地基的危害程度及稳定性评价在国内外都属于一个较新的课题。

在老采空区上方修建建筑物的关键问题是对老采空区建筑地基的稳定性评价问题。

目前，我国的相关分析方法有以下三种。

1.1力平衡分析法[1]如图1所示，矿层采空后其顶板岩块ABCD 因重力W 的作用而下沉，两边的楔体ABM 和CDN 也对其施加水平压力P 。

因此，在AB 和CD 两个面上又受到因P 的作用而产生的摩阻力f 的抵抗。

现取采空段(巷道)单位长度为计算单元，则作用在巷道顶板的压力为:Q=W-2f （1）W=B H γ。

f =P tan φ=21γH 2(45°-2φ) （2） P=2Hγtan 2(45°-2φ) （3）式中:Q ———巷道单位长度顶板上所受的压力，kN/m ；W ———巷道单位长度顶板上所受的总重力，kN/m ；P ———楔体ABM 和CDN 作用在AB 和CD 面上的主压应力的最大值，kN/m ； f ———巷道单位长度侧壁的摩阻力，kN/m ；H ———巷道顶板的埋藏深度，m ；B ———巷道宽度，m ；φ———岩层的内摩擦角，(°)。

一、工程概况xx集团拟在xx煤矿工业广场区域新建一座50万吨/年的甲醇厂，拟建厂址利用xx煤矿的工业广场留设煤柱没有开采的有利条件，尽可能把新建甲醇厂的重要建（构）筑物布置在工业广场留设的煤柱之上（xx煤矿工业广场建筑物平面图见图1-1所示），其他建（构）筑物布置在工业广场周围的采空区之上。

拟建厂址东西长约1200m，南北宽约760m，占地面积900余亩；西为邹唐公路，北与西侧为xx煤矿铁路专用线。

交通十分便利，基础设施齐全，地形较为平坦开阔。

拟建工程建（构）筑物总平面布置见图1-2所示。

主要建、构筑物名称及要素见表1-1所示。

大型重要设备尺寸见表1-2。

荷重最大的设备为甲醇合成塔、甲醇洗涤塔、气化炉、澄清槽等。

建构筑物最高的为煤筒仓（高度43.5m）和气化框架（高度39m）。

大部分设备基础采用桩基础，钢筋混凝土结构。

精密设备、超长轴设备如大型压缩机、泵，基本都是联合平台，联合基础，不允许局部沉降。

大部分设备对下沉都比较敏感，特别是大型压缩机有轴位移和轴震动非常精密的检测报警设备，位移和振幅一般要求小于0.5mm。

表1-2大型重要设备尺寸表1-1主要建、构筑物一览表234二、地质采矿条件xx煤矿是xx矿区开发最早的矿井，位于xx市南xx镇和xx镇境内，井口北距xx市约11km。

xx煤矿于1960年开始建设，设计生产能力为30万t/年，1978年改扩建至45万t/年，1990年后矿井进入衰老期，1991年底注销矿井设计生产能力，之后回收部分煤柱，至2002年回收完毕，然后闭坑。

1、地层x州煤田位于鲁西隆起区西南缘的x州向斜内，属石炭二迭系含煤地层。

井田内地层自上而下分述如下：第四系，厚15.92～58.50m，由棕黄色砂质粘土及粘土质砂砾组成，含3层含水砂或砂砾层。

上侏罗系，厚0～266.59m，以紫红色厚层状中、细砂岩为主，泥质胶结，夹薄层砾岩、砂砾岩和泥岩。

下部含绿灰岩、粉砂岩互层。

底部为一层不稳定的砾岩。

山西建筑SHANXI ARCHITECTURE第44卷第4期・54・2 3 2 1年2月Voi. 44 No. 4Feb. 2321文章编号:1039-6825( 2321)34-0354-34某煤矿老采空区地基稳定性评价张德成 李维*代亚（江苏华晟建筑设计有限公司，江苏徐州221046）摘要：以多层煤矿老采空区上建设民用住宅的地基稳定性为研究对象,通过搜集资料、物探、钻探验证，得出评价场地的煤田地 质、煤层开采情况等，探明了 1煤、3煤采空区影响范围内岩土体完整程度，根据煤田地质构造、煤层开采、采空塌陷情况等，分别 评价煤层开采、地表变形、建筑荷载对其地基稳定性的影响，综合评价后得出地基不稳定的结论，并提出了相应处理措施。

关键词：煤矿采空区，地基，稳定性,评价中图分类号:TU441.33 文献标识码:A0引言改革开放以来，国民经济发展迅速，煤矿采空区及其周 边的场地逐渐被开发。

由于煤矿经历了长时间的开采，形 成采空区,采空区以上的岩土层、地表失去平衡而发生大的 移动和变形，经过一段时间后变形会逐渐稳定，但地表还会 存在部分剩余沉降,特别是在采空区上施加较大荷载后，在 荷载的作用下，地基岩土体中将产生附加应力并向下传递, 因此会改变老采空区上方破裂岩土体的受力状态，使破裂 岩土体的应力增加，产生附加沉降,影响新建建筑物的安 全，出现建筑物开裂等隐患。

多年以来,众多学者对煤矿采空区地基稳定性进行了 大量研究[°6],但对大面积的多层老采空区上新建高层建筑 的地基稳定性研究并不多。

本文以徐州市贾汪区某住宅小 区工程为例,对煤矿老采空区建筑地基稳定性进行评价,以坡上存在的裂缝宽度较大，多数裂缝处已生长出大量植被, 植被的存在会使浆砌片石下方土体更为松散，雨季时加剧 护坡内土体流失，从而加剧空洞和裂缝的发展。

护坡空洞 的存在会加剧护坡下侧土体流失,从而形成恶性循环,加剧 裂缝的发展。

当局部空洞连成大面积空洞时，上部浆砌 片石护坡与下部土体接触面积减小，两者间摩阻力进一 步减小，最终随着空洞范围逐渐增大，摩阻力不能有效抵 抗浆砌片石自重作用而出现护坡整体滑落，造成较大的 安全事故。

地基稳定性分析评价内容2014-07-16 19:05 来源：中国岩土网阅读：1005影响地基稳定性的因素，主要的是场地的岩土工程条件、地质环境条件、建（构）筑物特征等。

一般情况下，需要对如下建（构）筑物进行地基稳定性评价：经常受水平力或倾覆力矩的高层建筑、高耸结构、高压线塔、锚拉基础、挡墙、水坝、堤坝和桥台等。

影响地基稳定性的因素，主要的是场地的岩土工程条件、地质环境条件、建（构）筑物特征等。

一般情况下，需要对如下建（构）筑物进行地基稳定性评价：经常受水平力或倾覆力矩的高层建筑、高耸结构、高压线塔、锚拉基础、挡墙、水坝、堤坝和桥台等。

通常涉及到岩土工程方面主要的内容有：（1）岩土工程条件包括组成地基的岩、土物理力学性质，地层结构。

特别是有特殊性岩土，隐伏的破碎或断裂带，地下水渗流等特殊情况；（2）地质环境条件包括是否建造在斜坡上、边坡附近、山区地基上，建（构）筑物与不良地质作用、特殊地貌的关联度和可能引起地基破坏失稳的各种自然因素或组合。

如岩溶、滑坡、崩塌、采空区、地面沉降、地震液化、震陷、活动断裂、岸边河流冲刷等。

按照《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)(2009年版)、《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-2004)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定，通常需要分析评价的内容总结如下：1、地基承载力计算与验算验算地基稳定性实质上就是验算地基极限承载能力是否满足要求。

应严格按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)5.2和《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72-2004)8.2.6~8等条款执行。

2、变形验算建筑物的地基变形计算值，不应大于建筑物地基允许变形值。

在勘察阶段往往建筑物特征参数不明确，一味要求勘察报告中能有准确的结论也勉为其难，但在岩土工程勘察报告中应提供符合规范要求的岩土变形参数，供上部结构计算条件具备时按照(GB50007-2011)5.3、(JGJ72-2004)8.2.9~12和《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)有关条款计算。