煤矿采空区对拟建工程场地稳定性影响分析
老采空区地表建筑地基稳定性评价
王亚军1,2，晏鄂川1，闫鹏阳2，贺江洪2
（1.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉
&430074； 2.华北有色工程勘察院有限公司，石家庄
摘要：煤矿老采空区地表建（构）筑物地基稳定性的分析与评价是一个较复杂的问题，它与开采煤层厚度、埋深、场地地质环境条件、建（构）筑物荷载大小等多个因素有关，评价方法一般有力平衡分析法、附加应力分析法和数值分析法。本文介绍了石家庄井陉煤矿的地质背景资料和煤田开采情况，运用附加应力分析法对拟建工程场地老采空区上覆岩的稳定性进行了合理分析，分析认为煤矿采空区属于老采空区，且基础底面到采空区顶板间的距离，大于建筑物荷载的附加应力影响深度、垮落带高度和断裂带高度三者之和，拟建工程场地地基稳定，进行工程建设基本可行。
关键词：采空区；工程场地；稳定性；附加应力
Evaluation about foundation stability on earth surface
above old coal goaf
Ya-jun1,2, Yan E-chuan1, Yan Peng-yang2, He Jiang-hong2
(1. China University of Geosciences (Wuhan) Engineering Faculty, Wuhan& 430074&
China Engineering Investigation Institute Limited Company, Shijiazhuang&
It is a complex problem to analyze and evaluate the foundation stability of
buildings on earth surface above the old coal goaf, which is related to many
factors included coal seam thickness of mining, buried deep, conditions of
geological environment, building load, etc, and the evaluation method is generally mechanics balance analysis, additional stress analysis and numerical analysis. This paper reasonably
analyzes the rock stability above the old coal mine goaf through the method of
additional stress analysis, after describing the geological background
information and the basic situation of coal mining about the Jingxing mining
site of Shijiazhuang. The result of analysis is the coal mining area belongs to
the old goaf, meantime, the distance between bottom of foundation and roof of
mine goaf, is more than
the sum to three
kinds of distance which are the depth that is influenced by the additional stress with building load producing,
the height of caving and the altitude of fault zone. Therefore, the building
foundation of construction site is stable, and it is basic feasible to
construct project.
mine goaf; construction site; stability; additional
随着我国经济建设的发展，土地资源慢慢变得紧张，在老采空区上建设工业与民用建筑越来越多。在煤田煤层采出后，采空区周围及上覆岩体内部结构遭到破坏，对于老采空区上覆岩层虽然在经过一定时间的自然压实后基本趋于稳定，但在采空区上方新建建（构）筑物可能打破覆岩中原来相对的应力平衡状态，形成采空区及覆岩的二次移动和变形，对工程安全造成严重威胁[1]。因此，必须对老采空区拟建工程场地地基稳定性进行评价。
目前，国内外文献中有关老采空区地表建（构）筑物地基稳定性评级方法主要有以下几种[2]。
（1）力平衡分析法
《工程地质手册》（第四版）中提供了临界深度的计算公式，用以评价采空区场地建筑的适宜性。该方法对埋深较浅、地质条件简单的小煤窑采空区场地较为实用[3]。
（2）附加应力法
滕永海等提出了以建筑物影响深度与采空区垮落断裂带发育高度是否重叠来判断采空区地基的稳定性[4]。
（3）数值分析法
上个世纪80年代，Sirivardane和Amanda[5]、X.L.Yao和D.J.Reddish [6]、Wood[7]等学者相继运用有限元法和边界元法研究了采动覆岩产生垮落的开采条件和垮落高度、覆岩产生离层裂缝的力学条件及离层裂缝的位置和高度等。这些数值分析法的研究成果为进一步研究老采空区在建（构）筑物荷载作用下的地基稳定性奠定了基础。
本文以石家庄钢铁公司拟建鑫跃焦化有限公司原料基地工程场地为例，考虑工程实际特点与拟建场地的地质环境条件，采用附加应力分析法对煤矿老采空区地表建（构）筑物地基稳定性进行了定量计算与定性分析，科学的评价了拟建工程场地地基稳定性，节约了宝贵土地资源。
石家庄钢铁有限公司拟在位于石家庄井陉矿区的鑫跃焦化公司东北侧建设原料基地，拟建原料基地处于石家庄井陉矿区中部，位于井陉矿区贾庄镇和凤山镇之间。北距贾庄镇西王舍约0.5km，东南侧为石家庄市井陉矿区井陉矿务局一矿的工业广场，西侧为空旷地（图1）。
该工程占地面积约为180亩，主要为机械化料场、烧结室、烟囱、配料室、配电室等建（构）筑物组成，设计最大单位荷载为250kN/m2。
因拟建场地位于井陉矿务局一矿的采掘范围内，在规划场地东侧存在较大面积的老采空区，同时规划场地构造发育，工程地质条件较复杂。因此，在工程规划设计前需要分析采空区对拟建工程场地建（构）筑物地基稳定性的影响。
图1& 拟建工程场地位置图
Fig.1 The location of proposed construction site
2地质环境条件
2.1气象水文与地形地貌
石家庄井陉矿区位于我国大陆东部中纬度地带，多年平均气温12.8℃（1956～2008年），年平均相对湿度59%，多年平均降雨量543.4mm（1956～2008年），多年平均蒸发量2159.3mm（1956～2008年）。年平均日照时间2593.2小时，无霜期194天。该区域主导风向为东北风、西南风。
井陉矿区周围地表水系主要是冶河及农灌引水渠道。冶河距离井陉矿区东侧约5km，由南向北流向平山县。在其上游分为两支，西支绵河，南支为甘陶河。
流经井陉矿区的人工渠道为绵左渠，近南北方向通过井陉矿区，为多年兴建的农灌渠，是季节性人工渠道。
拟建工程场地整体呈西高东低，局部堆有土堆，西侧最大高程约为322m，东侧最低高程约为308m，场地相对高差14m左右。地形起伏不大，相对平坦。
2.2拟建场地煤层分布与开采情况
2.2.1采空区概况
井陉煤田距离石家庄市西约50km，位于太行群山之间的井陉断陷盆地内。盆地南北长约20km，东西平均宽6km，面积约为120km2，盆地内形成东西向带状丘陵。井陉煤田开发较早，距今100多年的开采历史，兴盛时期有5个矿，12对生产井，最高年产量曾达454.7万吨（1960年）。由于煤炭资源开采殆尽，一些矿井相续停采关闭，目前仅三矿一个矿井处于生产状态。
拟建工程场地位于井陉矿务局一矿的采掘范围内（图1），井陉矿务局一矿属老煤矿，有近百年的开采史，由新井井田、贾庄井田等组成。该矿始建于1898年，曾与德国人合资办矿，最高年产量曾达200多万吨，随着开采年限的增长，储量日渐枯竭，于1997年开始停产关井。新井井田为立井盘区开拓，贾庄井田为立斜井、暗立井、斜井，多水平，采区上下山盘区开拓。
规划场地西邻贾庄井田，东侧为新井井田，位于无煤可采的白彪地堑之上（图1）。
2.2.2地层情况
拟建工程场地位于石家庄井陉矿区，处于井陉矿务局一矿的新井井田与贾庄井田之间。井陉矿区大部分为第四系所覆盖，主要为中上更新统冲洪积物，岩性为黄土状粉土、粉质粘土、粉土、碎石土等，厚度15～25m。井陉矿区西部山区有大面积奥陶系（O）灰岩裸露，个别冲沟中零星有二叠系（P）石盒子组、石千峰组地层，区域内煤层主要分布于石炭系（C）地层中。
2.2.3煤层分布情况
井陉矿务局一矿含煤地层主要为石炭系太原组，含煤五层，由上而下分别为一、二、三、四、五层煤，其中一、二、四、五层煤可采。石炭系中统本溪组，虽然含有数层薄煤，但由于厚度较小，均不可采。二叠系山西组，厚约150m，底部含有甲、乙层煤，仅甲层煤局部可采。主要煤层由上而下简述如下：
（1）甲层煤
厚0～2m，简单结构，厚度和层位均不稳定，局部可采，下距一层煤24m左右。
（2）一层煤
厚0.6～1.2m，平均0.80m，简单结构，层位较稳定，全区可采。下距二层煤5.5～9.3m，平均6.4m。
（3）二层煤
复杂结构煤层，上部小煤厚0.2～0.6m，中部夹矸0.25～0.3m，下部大煤厚1.1～1.2m。层位较稳定，全区可采。下距三层煤11.1～16.1m，平均15.6m。
（4）三层煤
厚0.5m，简单结构，层位稳定，但不可采。下距四层煤22.6～26.3m，平均24.2m。
（5）四层煤
复杂结构煤层，上部大煤厚1.1～1.4m，中部夹矸0.5～1.4m，下部小煤厚0.4～0.6m。层位较稳定，全区可采，大部地区因夹矸厚仅开采上部大煤。下距五层煤12.9～17.9m，平均14.5m。
（6）五层煤
正常厚度7～8m，简单结构，为煤田主采煤层，通常分3个分层进行开采。
在规划场地东南侧约700m处为井陉矿务局一矿新井井田15#钻孔（图1），钻孔柱状图见图2。
图2 井陉矿务局一矿新井井田15#钻孔柱状图
Fig.2 15# drilling histogram in Xingjing Mining Area of
First Mine of Jingxing Coal Bureau
钻孔资料显示该区域黄土层厚20m；其下还有砾、黄土、砂等厚22m；再其下主要为页岩、砂岩、砂质页岩、煤层等组成。
其中一煤层底板深160.70m，煤层厚0.9m；二煤层底板深167.20m，煤层厚1.9m（分上下两层）；三煤层底板深182.50m，煤层厚0.80m；四煤层底板深209.20m，煤层厚2.2m（分上下两层）；五煤层底板深232.50m，煤层厚7.50m。煤层以上整个覆岩岩性属中硬。
2.2.4各煤层开采情况
井陉矿务局一矿区自1903年开始开采，1904年出煤，至1996年停采，1997年闭坑，累计开采93年。
规划场地东侧开采区域为新井井田，西部开采区域为贾庄井田，两井田之间为白彪地堑，属无煤带。两井田范围内各煤层在不同时期和不同范围的开采情况见表1。
新井井田早期开采方法为洞室开采，1958年后用长壁垮落全采，贾庄井田为1982年开始开采的井田，全部采用垮落全采法。
表1&&& 各煤层开采情况一览表
Table 1 List of each coal seam mining
拟建场地以东及东南侧。
1967～1969
拟建场地以东及东南侧。
拟建场地以北，由于断层影响，开采范围较凌乱。
1982～1983
拟建场地的西北侧。
拟建场地的东北侧、南侧、东南侧。
1967～1969
拟建场地东南侧。
1980～1981
拟建场地以北，由于断层较多，开采范围较凌乱。
1982～1983
拟建场地西北侧开采数个工作面。
拟建场地北侧、东北侧、东南侧等。
拟建场地东南侧。
1969～1970
拟建场地东南侧。
1979～1983
拟建场地以北，由于断层较多，开采范围较凌乱。
1988～1989
拟建场地西北侧，开采数个工作面。
拟建场地北侧、东北侧、东南侧、南侧等。
1950～1986
在解放前开采范围内复采，由于断层较多，开采范围凌乱。
1989～1996
拟建场地西北侧，开采数个工作面。
井陉矿区经受剧烈的构造运动有三期，即太古代的阜平运动和下元古代以来的吕梁运动，形成了本区的结晶基底；中生代的燕山运动奠定了井陉构造盆地的基本格架。
区内断裂构造比褶皱构造相对发育，而且成组成带出现，每一个断裂带中，断层常具有共轭性，故使本区构造具有断块性。数条主要断层规模大，延伸达数十公里，以高角度的正断层和逆冲断层为主，断距达数百米，主要发育的断层有井陉大断层、中林沟断层、西岗头断层、白彪断层、刘赵村断层、赵村铺断层（图1）。
水文地质条件
本区域地下水的补给来源主要为大气降水，年平均降水量为543.4mm，降水量主要集中在每年的6～9月份。本区内奥陶系灰岩裸露面积约为1000km2，井陉盆地内下伏的奥陶系灰岩为本区主要含水层，基底分布寒武系下统隔水层。大气降水通过基岩节理裂隙垂直入渗补给地下水，同时由于区内断裂构造发育，地下水也通过断裂构造破碎带侧向补给地下水。
井陉盆地为一个三面环山、一面开阔的盆地，地下水沿盆地边缘向盆地中径流，地下水流向总的趋势为由西南向东北径流。
区域内地下水的排泄主要为自然排泄和人为开采。自然排泄受地形地貌、地层岩性、构造等因素控制，多以泉的形式排泄。区内含水介质主要为大面积奥陶系灰岩，岩溶及断裂构造发育，地下水在地形地貌等因素的控制下，通过岩溶和导水断层通道以泉的形式溢出地表，如井陉县威州泉群。随着工农业的发展，矿区人民生活水平大幅提高，用水量也随着增加，目前井陉矿区地下水年开采量约为1200万m3。
根据鑫跃焦化公司三号水井量测，工程场地静水位标高约为+199m。
3拟建工程场地地基稳定性分析
3.1理论分析
拟建工程场地东侧西岗头断层以东下方开采了一、二、四、五层等4个煤层，累计煤层厚度为12m以上，早期开采方法为洞室开采，1958年后用长壁垮落全采，开采时间从解放前一直持续到1996年。
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》（煤炭工业出版社，2000年）附录四第4.2.2条，对于长壁工作面正规大面积开采而言，地下煤层开采结束以后，当地表移动延续一段时间T后，地表趋于稳定。当无实测资料时，地表移动的延续时间T可根据下式计算[8]：
式中：H0——工作面的平均采深，m。
利用井陉矿务局一矿新井井田的15#钻孔资料，计算地表移动的延续时间T为：
即：T=1.3年，远小于该矿停采时间。因此，该区域内采空区属于老采空区，在不进行工程建设时，场地处于稳定状态。
但如果在此采空区上新建建（构）筑物，新建建（构）筑物的荷载会对地基土产生附加应力。若附加应力被传递到老采空区的断裂带及垮落带以下，有可能诱发老采空区的进一步沉降和变形，导致地表塌陷。
新建的建（构）筑物荷载产生的附加应力随深度逐渐递减，向地下有一定影响深度，设其影响深度为。
另外，煤层开采后，一般上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带，岩层被断裂成块状，岩块间存在较大孔隙和裂缝。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂缝，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本上呈整体下沉，但软硬岩层间可形成暂时性离层，其岩体结构破坏轻微。因此，垮落带、断裂带的岩层虽经多年的压实，仍不可避免地存在一定的裂缝和离层，其抗拉、抗压、抗剪强度明显低于原岩的强度。如果新建建筑物荷载传递到这两带，在附加荷载作用下会进一步引起沉降和变形，甚至造成建（构）筑物的破坏。不妨设垮落带的高度为，断裂带的高度为。
则，当基础底面到采空区顶板间的距离（）大于建筑物荷载的附加应力影响深度（）、垮落带的高度为（）、断裂带的高度为（）三者之和，则可以认为采空区上覆岩体处于稳定状态。、、、之间的关系见下图3附加应力与采空垮落示意图。
图3& 附加应力与采空垮落示意图
Fig. 3 Schematic drawing of additional stress and mine
goaf caving
3.2外荷载影响深度计算
建（构）筑物的建造在地基内引起附加应力，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（构）筑物荷载的影响深度随建筑荷载的增加而增大，产生附加应力的大小随深度增大而减小。参照《建筑地基基础设计规范》（GB）中分层总和法的计算深度的确定方法，计算时，采用应力比法确定附加应力的影响深度[9]。一般地，当地基中建筑荷载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可忽略不计，但当其下方有高压缩性土或别的不稳定性因素，如采空区垮落、断裂带时，则应计算附加应力直至地基自重应力10%位置处，方可认为附加应力对该深度处以下的地基不产生多大影响，该深度即为建（构）筑物荷载影响深度（）。
地基中自重应力按下式计算：
式中：、、…、——为地基中自上而下各层土或岩石的容重，kN/m3；
h1、h2、…、hn——为地基中自上而下各层土或岩石的厚度，m。
参考图2，拟建工程场地第四系表土层厚按20m取，本次计算，表土层容重取20kN/m3，以下岩层计算容重取25kN/m3。
则地基附加应力按下式计算：
式中：k——各种荷载（矩形、方形、条形、圆形荷载等）下的竖向附加应力系数，可按《建筑地基基础设计规范》（GB）附表K查取；
P0——作用于基础底面平均附加压力，kN/m2；
P——建（构）筑物基础底面处的竖向均布荷载，kN/m2；
r0——基础底面标高以上天然土层的容重，取r0=20kN/m3；
D——基础埋深，此处计算初步按最不利取20m。
地基附加应力σZ从基础底面算起的，地基自重应力从地面算起的，两者相差20m，计算地基附加应力相当于地基自重应力10%处深度，可以考虑为建（构）筑物荷载附加应力的影响深度。
此处取规划工程中荷载较大的烟囱进行计算，烟囱底面直径20m，设计单位荷载为P=250kN/m2。此处近似按基础和填土的容重r与基础底面标高以上天然土层的容重r0相等考虑，则基础底面产生的平均附加应力P0=P=250kpa。基础埋深初步取20m计算，则烟囱基础底面中心的附加应力与自重应力计算如下表2所示。
表2&&& 外荷载影响深度计算表
Table 2& Computation about affected depth of
external loads
基地以下深度Z（m）
平均附加应力系数k
由表2中的计算可知，当Z=20m时，=7.9%
& 10%。所以，外荷载影响深度=Z=20m。即经计算拟建建（构）筑物荷载影响深度约为基础底面以下20m。即： =20m。
3.3计算采空区垮落带和断裂带高度
采空区的垮落带的高度为和断裂带的高度为可以根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附录六中，附表6-1和附表6-2中的公式进行计算。
采空区垮落带的高度为按以下公式进行计算。
采空区断裂带的高度为按以下公式进行计算。
式中：∑M——分层开采煤层累计采厚，m。
采用拟建工程场地东侧的新井井田的15#钻孔进行计算，15#钻孔柱状图见图2。
通过计算得：
M=0.9+1.9+2.2+7.5=12.5m，取13m计算。
则：=18m；=82m。
而第五层煤的底板埋深为232.5m，所以，
+++D=20+18+82+20=140m
小于一层煤的顶板埋深159.8m，同时小于五层煤的底板埋深232.5m。
3.4拟建工程场地稳定性分析
煤层开采后，采空区垮落带和断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动时，基础底面到采空顶板间的距离（）应该大于垮落带、断裂带高度与建筑荷载影响深度之和，即：
通过计算，满足要求。因此，拟建工程建（构）筑物荷载不对老采空区的垮落带和断裂带产生影响，不会使其重新移动和变形。预计拟建工程的建（构）筑物的荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降，拟建工程场地稳定[10]。
通过对已有资料的分析和定量计算，可以认为，在新建建（构）筑物的荷载作用下，采空区上覆岩体有一定的安全厚度，不会引起采空区垮落带和断裂带进一步活化。同时，在拟建场地周围已进行了多个工程建设，且运行良好，实践证明，拟建工程场地进行工程建设可行。
考虑到老采空区地表今后还将产生一定量的残余沉陷变形，因此，对于新建建（构）筑物设计和建设时要采取能够抵抗地表残余沉陷变形的抗变形结构技术措施。
参考文献：
［1］戴兰芳，苏胜昔，李文秀. 采空区地表建筑物基础稳定性的Fuzzy测度分析[J].岩土力学，2004，25（11）：1791—1793.
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作者简介：王亚军（1977——），男，湖北黄冈人，博士，注册岩土工程师，从事岩土工程设计与研究。以下试题来自：
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    用全部垮落法管理顶板的工作面采空区冒落高度应普遍不小于采高的多少倍?
答：不少于采高的1.5倍。
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