2024年4月5日发(作者：步飞宇)
第
35
卷
第
2
期
岩土工程技术
Vol35No2
Apr
,
2021
2021
年
4
月
文章编号
：
1007-2993(2021)02-0128-06
GeotechnicalEngineeringTechnique
煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析
石
磊
（
江苏长江机械化基础工程有限公司
,
江苏南京
210046
）
【摘要
】
结合一煤矿采空区场地作为新建高层住宅小区场地
，
通过开采条件
、
地表移动变形综合确定煤矿采空区的稳定
性;采用工程类比法
、
采空区特征判别法
、
活化影响因素分析法、
地表剩余变形判别法等判别采空区场地工程建设适宜性;建
议采空区场地采取吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施来确保拟建建筑物的安全
。
【
关键词
】
煤矿采空区
;
地基变形
;
地基稳定性
;
建筑场地适宜性
【
中图分类号
】
TU
442
【
文献标识码
】
B
doi
：
103969
/
jissn102012
Analysis
on
the
Stability
and
Suitability
of
the
Ground
in
Goaf
ShiLei
(Jiangsu
Changjiang
Mechanization
Foundation
Engineering
Co.
,Ltd.
,
Nanjing
210046
,Jiangsu,China)
【
Abstract
]
Agoafisproposedasthegroundofanewhigh-riseresidentialarea
Thestabilityofcoalminegoafisdetermined
synthetical
ybyminingconditionsandsurfacemovementdeformation
Engineeringanalogymethod
,
goaffeaturediscriminationmeth
od,
activation
influence
factor
analysis
method,
surface
residual
deformation
discrimination
method
and
other
methods
were
used
to
de
termine
the
suitability
of
goaf
site
construction.
It
is
suggested
that
flexible
measures
to
absorb
surface
subsidence
deformation
and
rigid
measures
to
resist
surface
subsidence
deformation
should
be
adopted
to
ensure
the
safety
of
the
proposed
building.
【Key
words
]
coal
mine
goaf
；
foundation
deformation
；
foundation
stability
；
construction
site
suitability
0
引言
随着我国城市化进程的加快
，建设用地越来越
层地下室
）
、
3
栋多层建筑物
（
7F,
框架结构
）
及配套
设施
。
拟采用天然地基
,
柱下独立基础或筏板基础
。
紧张
，
因此开采煤炭资源遗留下来的采空区场地需
要利用
。
煤矿采空区建设工程在设计和施工前
，
应
按规范
12
1
要求进行岩土工程勘察
，
煤矿采空区岩土
1.
1
工程地质条件
评估区地表覆盖有第四系全新统黏土
,
第四系
上更新统黏土等
,
覆盖层厚度约
3
〜
7
m
,
地层主要
为
①
层表土
、
②层黏土
、
③层含砂姜黏土
、
④层黏土
。
其中
②
层黏土为灰褐色
，
可塑一
硬塑
，
土质较均匀
，
工程勘察应在查明采空区特征的基础上
，
分析评价
煤矿采空区场地的稳定性
,
并综合评价煤矿采空区
场地的工程建设适宜性及拟建建筑物的地基稳定
干强度中等
，
韧性中等;
③
层含砂姜黏土为黄色
，
硬
塑
,
含铁锰质结核及砂姜
;
④
层黏土为黄棕色及黄褐
色
，
含少量青灰色黏土条带
，
硬塑
，
低压缩性
，
韧性
性
，
同时提出煤矿采空区治理措施建议
。
结合一建
筑场地的实例
，
分析老煤矿采空区的稳定性及作为
工程建筑场地的适宜性评价中各类参数的选取问
高,局部含风化残积物及块石
。
第四系以下基岩为
题
，
并针对拟建建筑物场地提出了采空区治理技术
措施建议
。
可为城市发展利用采空区场地作为建设
用地提供参考和借鉴
。
二叠系
、
石炭系地层
。
1.
2
水文地质条件
评价区内第四系松散层厚度
3
〜
7
m
,
土性为黏
1
工程概况
该建设场地处于某煤矿矿区范围内
，
场地及周
土
、
含砂姜黏土
，
富水性较差
，
单井涌水量一般为
10
〜
100
m
3
/d
,
地下水埋深约
0.6
〜
1.4
m
。
第四系松
边均进行过地下采掘活动,遗留有多层采空区
。本
工程主要建设
9
栋高层建筑
（
11F,
框剪结构
，
含
2
散层潜水或上层滞水接受大气降水和基岩裂隙水的
越流补给
，
其埋藏和分布受地形
、
采空区
、
河流等因
作者简介
:
石
磊
，
男
，
1969
年生
，
汉族
，
江苏邳州人
,
高级工程师
，
主要从事岩土工程勘察
、
设计
、
施工方面研究
。
:
shi-lei
@
163com
石
磊:煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析
素控制
,
第四系潜水的埋藏深度随季节性变化
，
雨季
2
采空区场地稳定性评价
129
水位升高
，
枯水季节水位下降
，
第四系孔隙水通过煤
参考国内外有关煤矿采空塌陷理论及经验
，
采
系含水层露头直接入渗补给井下
。
区内裂隙孔隙含
水层均被松散岩类孔隙含水层所覆盖
,
故松散岩类
空区场地稳定性应根据采空区勘察结果进行分析和
评价
。
下面将从开采条件
、
地表移动变形判别场地
稳定性
。
孔隙含水层的越流或下渗为其主要补给源
。
裂隙水
向开采井巷汇流
，
而为矿坑排水所排泄
。
裂隙岩溶
地下水的补给来源主要是大气降水入渗和上覆孔隙
2.
1
开采条件判别场地稳定性
2.1.1
采动持续影响时间
煤层开采影响一般表现为从采空区上方顶板至
水下渗
（
或越流
）
补给
，
裂隙岩溶水最主要的排泄途
径是人工开米和米煤疏干
。
1.
3
地质构造
地表岩层出现垮落
、
断裂
、
弯曲下沉
。
煤层采出达到
一定面积后
，
引起上覆岩层的移动并逐渐波及地表
,
使地表出现一种在时间上和空间上连续有规律的移
动和变形
。
这种移动和变形存在一个时空发展过程
,
主要断裂构造展布方向为北东向
、
北西向和东
西向
。
北东向构造主要构造形迹有江庄复式背斜和
贾汪复式向斜;北西向构造主要构造形迹为汴塘断
即地表移动变形的初始期
、
活跃期和衰退期,进而进
入稳定期,使采空区上方的岩层形成新的应力平衡
。
采煤引起的地表移动持续时间
,
参考国内外研
裂;东西向构造主要构造形迹为泉河断裂
。
分布在
评价区以南约
500
m
的
F
2
断层规模较大
，
是开采煤
矿矿山井田边界的控制性断层
。
F
2
断层自评价区
究成果
38
]
,
对于缓倾斜
、
倾斜煤层而言
，
依照
《
煤矿
以南约
500
m
通过
，
走向
NEE
,
倾向
SSE,
倾角
70°
断距
200
〜
250
m
,
为南东盘下降之正断层
,
规模较
大
，
切割贾汪复式向斜北东端
，
使诸地层在走向上不
采空区岩土工程勘察规范
》
[
1
]
H.
0.
6
条
，
当采空区
埋深小于
400
m
时
，
其开采地表移动的持续时间可
按式
（
1
）
计算
。
连续
，
其北东端被近南北和北东向断层切割而在走
T
=
2.
5
H
0
（
1
）
向上不连续
。
F
0
断层自评价区西南约
500
m
通过
，
走向
NW,
倾向
NE,
倾角
60
。
〜
70°
为正断层
。
上述断
层形成于古近系之前
，
至今无活动记录
，
均为非活动
式中:
犜
为地表总移动时间
（
初始期
、
活跃期
）
，
d;
犎
0
为米深,
m
。
断裂
。
评价区内煤层最大开采深度为
210.
0
m,
H
°
取
210
m,
计算
T
=2.
5X210
=
525
d
。
依据表
1
判别采空区场地稳定性
。
表
1
按终采时间确定采空区场地稳定性等级
稳定等级
不稳定
l.
4
场地评价区煤矿开采状况
评价区分布有
17
、
20
、
21
煤
，
在评价区内因煤层
风氧化带煤质不好
、
地下水量大等原因
，
煤矿
50
m
基本稳定
稳定
以上煤层均未开采
。
各煤层开采情况如下:评价区
内
20
煤开采深度约
110
〜
180
m,
走向长壁顶板自
狋
V
O.
8
T
0.
8
T
QW1.
2
T
i
＞
1.
2
T
采空区终采时间
/
d
亠
或
（
V
365
且
狋
＞
365
且
狋
＞
730
*
注
：
*
为对应本场地情况
，
下同
。
然垮落采煤法
，终采时间〉
20
年
。
评价区内
21
煤
开采埋藏深度约
145
〜
210
m,
走向长壁顶板自然垮
落采煤法
，
终采时间
〉
20
年
。
综上所述可知
，
评价区内分布有大面积
20
煤
、
评价区内煤层开采活动终止于
1998
年,距今逾
20
年
,
＞
1.2
T
且
狋
＞
730
。
因此按经验估算公式地
表移动已进入衰退期
，
采空区场地已进入稳定状态
。
2.1.2
地表移动变形特征及覆岩特征
按地表变形特征及覆岩特征判别场地稳定性情
21
煤采空区
，
评价区内
20
煤
、
21
煤合计厚度
1.
40
m,
倾角
12
。
〜
20°
开采深度
110
〜
210
m
。
开采方法
为走向长壁顶板自然垮落采煤法
,
开采活动结束时
间
〉
20
年
。
周边煤矿采空区不会影响至本评价区
。
况见表
2
、
表
3
。
表
2
按变形特征确定采空区场地稳定性等级切
稳定等级
评价因子
不稳定
非连续变形
基本稳定
稳定
连续变形
盆地边缘区
地面倾斜
、
有地裂缝
连续变形
*
盆地中间区
*
地面无地裂缝
、
台阶
、
塌陷坑
*
地表变形特征
抽冒型或切冒型
地面有塌陷坑
、
台阶
130
岩土工程技术
表
3
覆岩特征判定场地稳定性切
稳定等级
2021
年第
2
期
评价因子
不稳定
顶板岩性
基本稳定
稳定
有厚层状坚硬岩层分布且层厚
上
150m
无坚硬岩层分布或为薄层或软硬岩
有厚层状坚硬岩层分布且
15.
0
m
>
层互层分布
*
h
冬
5
层厚
>
5.
0
m
5
<
犺
三
30
*
松散层厚度
h/m
h
>
30
评价区周边开采范围较大,开采厚度相当
，
煤层
倾角较小
，
因此可认为评价区处于塌陷盆地的中间
区
。
开采初期地表变形属连续变形
，
地面无地裂缝
、
台阶
、
塌陷坑分布
。
根据勘察报告
，
评价区覆盖层厚
2.
2
地表移动变形判别法
地表移动变形判别法可用于顶板垮落充分
、
规
则开采的采空区场地稳定性定量评价
。
对于顶板垮
落不充分且不规则开采的采空区场地稳定性,
也可
参照评价
。
评价指标见表
4
。
度
3.0
〜
7.0
m,
顶部灰岩属较硬岩
。
综合以上依据
表
2
、
表
3
判定评价区场地稳定性为基本稳定
。
表
4
地表移动变形值确定场地稳定性等级
［
1
，
］
评价因子
稳定状态
下沉速率犞
”
倾斜值
曲率值
水平变形值
△/
(mm
•
m
备注
△
/
(mm
・
m
T
1
)
犽
(mm
・
m
一
1
)
T
1
)
同时具备
具备其一
具备其一
稳定
基本稳定
不稳定
<
1
0
mm/d
,
且连续
6
个月累计下沉
<
30
mm
*
<
1
0
mm/d
,
且连续
6
个月累计下沉
上
30
mm
上
1
0
mm/
d
<
3
*
3
〜
10
<
02
*
02
〜
06
<
2
*
2
〜
6
上
10
上
0.6
上
6
评价区内未进行较为精密的水准测量
，因本区
程地质手册
》
(第五版
)
9
1
中的经验公式进行计算
，
计
为缓倾斜煤层
，
采空区的地表移动变形计算采用《
工
算结果见表
5
。
表
5
采空区地表最大变形预测值
地表变形
最大变形计算经验公式
地表最大变形值
1120
224
068
最大残余变形值
560
下沉值
W
max/
mm
倾斜值
犻
max
/
(mm
•
m
_1
)
犠犠
max
_
狇
m
2max
—
'犠'
max
/
狉
犽
max
=
±1.52
犠
max/
狉
S
112
034
曲率值
犽
mx/
(mm
・
m
—
2
)
水平变形值
S
max
/
(mm
・
m
T1
)
max
=
士
1
52Z?Z
max
749
375
注:表中
狇
为下沉系数
，
取
0.
80
；
犿
为矿层开采厚度
，取
1.
4
m
；
按地表影响区半径
，
取
50
m
；
为水平移动系数
，
取
0.
22
；
残余沉降系数取
0.
5
。
根据周围经验
，
评价区内地表连续
6
个月累计
合评价
。
下沉
<
30mm,
下沉速率
<
1.
0
mm/d
,
倾斜
、
曲率及
水平变形值计算见表
5
,根据计算结果评价区场地
3.
1
采空区对本工程的影响程度
采空区对本工程的影响程度
，
可根据采空区场
处于稳定状态
。
根据开采条件及地表移动变形综合确定采空区
地稳定性
、
建筑物重要程度和变形要求
、
地表变形特
征及发展趋势
、
地表移动变形值
、
采深或采深采厚
比
、
垮落裂隙带的密实状态
、
活化影响因素等
，
采用
工程类比法、
采空区特征判别法
、
活化影响因素分析
场地稳定性为
“基本稳定
”
。
3
采空区场地工程建设适宜性评价
采空区场地工程建设适宜性评价
，
应以采空区
法
、
地表剩余变形判别法等方法判别
。
场地稳定性为主控因素
，并考虑采空区剩余移动变
形与拟建工程间的相互影响程度
、
拟采取的抗采动
影响技术措施的难易程度及工程造价等方面进行综
3.1.1
采用工程类比法定性分析
采用工程类比法定性分析采空区对工程影响程
度见表
6
。
石
磊:煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析
表
6
采用工程类比法定性分析采空区对工程影响程度
影响程度
大
131
类比工程或场地特征
地面
、
建
（
构
）
筑物开裂
、
塌陷
，
且处于发展
、
活跃阶段
地面
、
建
（
构
）
筑物开裂
、
塌陷
，
但已稳定
6
个月以上且不再发展
地面
、
建
（
构
）
筑物无开裂
、
塌陷
，
但已稳定
2
年以上且不再发展;邻近同类型采空区场地有类似工程的成功经验
*
中等
小
评价区附近已建建筑主要为单层厂房
、
多层办
公楼及部分高耸构筑物
。
根据现场走访
，
评价区附
评价区北侧道路
，
在煤矿开采初期
，
局部曾出现
地基下沉,路面出现裂缝
，
目前使用状况良好
，
未见
有地基下沉现象
。
评价区西侧已建
2
层轻钢结构商
近多年未见有地基下沉导致的建
（
构
）
筑物破坏
现象
。
评价区东南侧泰和小区
（
距离场地约
100
m,
工
业及围墙
，
已建成约
3
年
，
目前使用状况良好。
因此
采用工程类比法分析认为采空区对工程的影响程
度小
。
程及地质情况相似
，
未进行处理
），
目前已建多幢
6
层住宅
，
建成已超过
2
年;毗邻场地南侧的
3
层办公
3.1.2
根据采空区特征及活化因素
采空区特征及活化影响因素定性分析采空区对
楼及厂房
，
建成已超过
5
年
，
均使用状况良好
，
目前
未发现有倾斜
、
开裂等现象
。
工程的影响程度见表
7
。
表
7
采空区特征及活化影响因素定性分析采空区对工程的影响程度
[
1
1
]
影响
程度
采深及采深采厚比
采空区特征
，
活化影响
密实状态及充水状态
存在空洞
，
钻探过程中出现掉
钻
、
孔口窜风
基本密实,钻探过程中采空区部
地表变形特征及发展趋势
正在发生不连续变形或现阶段
相对稳定,但存在发生不连续变
因素
备注
大
H
<
50
m
或
H/M
C
30
活化的可能性
大
，
影响强烈
具备其一
形的可能性大
现阶段相对稳定
，
旦存在发生不
中等
50
m
W
H
W
200
m
或
30
三
犎/犕
三
80
*
活化的可能性中
具备其一
位大量漏水
*
连续变形的可能
*
不再发生不连续变形
等
，
影响一般
*
小
H
>
200
或
H/M
〉
80
密实，
钻探过程中不漏水
、
微量
漏水但返水或间接返水
活化的可能性
小,影响小
同时具备
评价区内各已采煤层均为薄煤层
，
单层采厚
0.
67
〜
0.
73
m,
煤层倾角
12
。
〜
20
计算采深采厚比
164
〜
209
。
。
根据本次深孔钻探资料并参考场地周围煤矿采
空区勘察经验
，
评价区内采空区局部仍存在少量尚
未完全塌落洞隙
,
这些洞隙在地震
、
地下水及建筑荷
载的影响下有可能发生塌落
，
对地表建筑产生一定
评价区各煤层及最小采深采厚比计算见表
8
。
表
8
煤层
20
采深采厚比计算表
采厚
/m
0.
73
0.
67
的影响
，
现阶段地表相对稳定
,
采空区活化对地表建
采深采厚比
151
209
采深
/m
110
140
筑物影响的可能性小
，
危害小
。
根据采空区地表剩余变形值参照表
9
确定采空
区对工程的影响程度
。
21
表
9
根据剩余变形值确定采空区对工程的影响程度⑴
地表剩余变形
影响程度
下沉值
W
max/
mm
倾斜值
水平变形值
S
max
/
(mm
・
m
-1
)
曲率值
备注
犻
max/
(mm
・
m
-1
)
犽
max/
(mm
・
m
-2
)
大
中等
小
上
200
100
〜
200
上
10
3
〜
10
上
6
2
〜
6
上
0.
6
02
〜
06
<02
具备其一
具备其一
<
100
*
<
3
*
<
2
*
*
同时具备
132
岩土工程技术
2021
年第
2
期
根据表
9,
判定地表剩余变形对工程影响程度小
。
筑物荷载及影响深度等
，采用荷载临界影响深度判
别法
、
附加应力分析法等方法判别
,
并按表
10
划分
3.2
拟建工程对采空区稳定性影响
拟建工程对采空区稳定性影响程度
，
应根据建
影响程度等级
。
表
10
根据荷载临界影响深度定量评价工程建设对采空区稳定性影响的评价标准⑴
影响程度
评价因子
大
荷载临界影响深度
H
d
和采空区深度
H
附加应力影响深度
H
a
和垮落断裂带深度
H
lf
中等
小
H
>
1
5
H
d
*
H
W
H
d
H
iW
H
a
H
d
V
H
W
L
5
H
d
H
a
V
H
lW2.
0
H
a
H
1f
>
2
0
H
a
*
3.2.1
荷载临界影响深度
H
d
和采空区深度
犎
当建筑物建在影响范围以内时,可按下式验算
深度增加而减少,对地基扰动深度逐渐减弱
。
根据
《
建筑地基基础设计规范
》
9
］
第
5.
3.
8
条
，
当无相邻
地基的稳定性，
设建筑物基底单位压力为
0
0
,
当巷
荷载影响
，
基础宽度在
1
〜
30
m
范围内时,基础中
点的地基变形计算深度可按式
(
3
)
进行计算
。
道顶板的埋藏深度
H
增大到一定的深度时
，
使顶板
岩层恰好保持自然平衡(即作用在采空段顶板上的
压力
Q
=0
),
此时的附加应力的影响深度称为临界
犣
”
=
犫
(
2.5
—
0
4nb)
m,
计算
Z
n
=
22.
2
m
。
(3)
式中
：
为基础宽度,
m
；
评价区
11
层楼基础宽度
16
根据
《
岩土工程勘察规范
》
2
第
4.
1.
19
条
，
地基
变形计算深度
，
对中
、
低压缩性土可取附加应力等于
深度
H
d
［
1
］
,
则
：
H
d
=
—
-------------------
;
-----
丄
----
—
(2)
2
y
tan 2 (45° — 2 ) 式中: H d 为临界深度, m ； B 为巷道宽度, m, 此处按 By ./B 2 y 2 +4 B y 0 0 tan 9 tan2 ( 45° — 9 ) 上覆土层有效自重压力 20% 的深度 ， 对高压缩性土 可取附加应力等于上覆土层有效自重压力 10% 的 深度 , 一般当地基中的附加应力 。 z 为上覆地基土自 重应力兀的 10 % 时 ， 可认为附加应力对该深度处的 4m 计算 Y 为岩土层平均重度 , kN/m 3 呼 为内摩擦 角 ， 取平均值 30° 以上参数的取值为经验取值 ，是参考徐州地区 煤矿采空区以往的验算资料及岩石测试结果 。 以上 地基压缩影响微弱 ， 该深度称为地基受压层深度 。 受压层深度以下的岩 、 土层中附加应力很小 , 其对地 参数有一定的可信度 ， 但也存在着一定的局限性 , 有 待在下一步的工作中进行验证 。 基沉降的影响可忽略不计 。 地基附加应力 ， 按式 (4 ) 计算 。 o z = aP 0 对于拟建 11 层住宅楼 ， 按平均基底压力 0 为 (4) 180 kPa 估算,矿井煤层开采的井下残留空洞宽度 式中 ： 为各种荷载下的竖向附加应力系数; 犘 0 为作 用于基础底面平均附加压力 ， kN/m 2 。 估算 11 层楼基础下 23 m 深度(基础开挖深度 4. 0 m, 岩石平均重度按 23. 5 kN/m 3 计,计算的 H d = 26. 7 m,1. 5 H d = 40. 1 m 。 评价区内采空区埋深 〉 80 m , 大于 1. 5 H d 约 5. 0 m) 处附加应力 cr z 约为 62. 6 kPa 。 地面以下 (40. 1 m), 因此根据荷载临界影响深度判别拟建工 程对采空区稳定性影响程度小 。 任一层面处的自重应力按式 (5) 计算 。 G c = + 7 2 ^ -2 H ------- 7 n h n = 为 Y 犺 (5) 犻 = 1 3.2.2 附加应力影响深度 H a 和垮落断裂带深 度 H f 对于在长壁垮落法开采的老采空区上进行建 式中: n 为从天然地面到深度 z 处的土层总数; 犺 为 第 2 层土的厚度, m ; , 为第 犻 层土的重度 ,kN/m 3 , 地下水位以上的土层一般采用天然重度(地下水位 筑 , 在没有新的开采扰动的情况下 ， 可以采用以建筑 物荷载影响深度 、 采空区垮落 、 断裂带发育高度不能 取 1.0 m , 土层按 5 m 计算 ) ， 地下水位以下的土层 采用浮重度 ,毛细饱和带的土层采用饱和重度 。 计算场地地表下 28 m 深度处土层的自重应力 约为 630 kPa 。 因地表下 28 m 深度处附加应力 5 z < 10% 5 C z , 因此认 11 层住宅楼应力影响深度约为地面以下 相互重叠 ， 作为评价老采空区的活化 、 地基稳定性及 其对建筑物影响的依据 。 ( 1 ) 建筑物荷载影响深度计算 根据 《 地基与基础 》 ［ 12 ］ 中的岩土力学理论， 不同 的基础形式和不同荷载作用下 ， 附加应力的扩散随 28m 。 石 磊:煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析 133 综合以上两种算法 ,11 层住宅楼应力影响深度 约为地面以下 28 m 。 (2) 垮落带 、 断裂带计算 依据地层资料 ， 确定拟建区下采煤工作面的上 覆岩层为软硬岩互层 ， 煤层倾角 12 。 〜 20° 根据 《 煤 矿采空区岩土工程勘察规范 》 E 附录 L, 当煤层顶板 为硬质岩 、 软质岩层或其互层时 , 开采空间和垮落岩 层本身的空间可由顶板的下沉和垮落岩石的碎胀填 满 , 开采单一煤层时垮落带的最大高度可按式 (6) 计算 。 . = M_W 一 m (k 1)cos a ( 6 ) 式中: M 为单层采厚 , m , 取 0. 7 m ； 犠 为下沉值 ， 取 0. 595 m ； 为岩石的碎胀系数 ， 取 1. 3 ; 为煤层倾 角 ， 取 20° 计算 H m 为 0.4 m 。 断裂带最大高度 H 犻 计算公式见式 (7 ) 。 H 犻 = 20 槡工 M + 10 (7) 此处 工 M 取 1. 40 m, 计算 H 犻 为 33. 7 m 。 计算垮落及断裂带高度之和为 34. 1 m 。 (3) 稳定性影响评价 评价区 11 层楼附加应力影响深度为 H a = 28 m ； 而采空区垮落 、 断裂带最大发育高度 34. 1 m, 深 度 H n 为 110 — 34. 1 = 75. 9 m, H lt ^2 H a o 因此根 据附加应力影响深度 H a 和垮落断裂带深度 H f 判 别拟建工程对采空区稳定性影响程度小 。 综合以上分析 ， 认为采空区场地工程建设适宜 性为 “ 基本适宜 ” 。 评价区地基按不均匀地基考虑,变形计算应包 括采空区地表剩余变形值与附加荷载引起的正常地 基沉降变形值 。 4 建筑技术措施 场地地基基本稳定 ， 工程设计适当考虑残余变 形对建筑的影响 。 本场地地基变形是由采空区的残 余变形及拟建荷载导致的地基压缩变形两部分组 成 ， 因此应控制地基土层的压缩变形值 。 建议对建 筑物的基础及上部结构采取能够抵抗地表残余沉陷 变形的抗变形结构技术措施 ， 确保建筑物的安全 。 抗变形结构技术措施包括吸收地表沉陷变形的柔性 措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施 。 5 结论 充分利用好开采煤炭资源遗留下来的采空区场 地,可以增加建设用地 。 以一建筑场地的实例 ， 分析 煤矿采空区场地作为建筑场地的稳定性和适宜性 , 根据开采条件及地表移动变形 ， 综合确定采空区场 地稳定性为 “ 基本稳定 ” ， 采用工程类比法、 采空区特 征判别法 、 活化影响因素分析法 、 地表剩余变形判别 法等判别采空区场地工程建设适宜性为 “ 基本适 宜 ” 。 为确保建筑物的安全 ， 采空区场地采取一定的 抗变形结构技术措施包括吸收地表沉陷变形的柔性 措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施等 ， 在此措施 下 ， 拟建煤矿采空区场地作为建筑用地是可行的 。 参考文献 [ 1 1 GB51044 — 2014 煤矿采空区岩土工程勘察规范 [ S 1 . 北京 ： 中国计划岀版社 ,2014. [ 2 1 GB50021 — 2001 岩土工程勘察规范 ( 2009 年版 ) [ S 1 . 北京 ： 中国建筑工业岀版社 ,2009. [ 3 1 MITCHELL S , BEVEN K , FREERJ , et al. Proces ses influencing model-data mismatch in drought- stressed ， fire-disturbededdyfluxsites [ J 1 Journalof Geophysical Research ： Biogeosciences ， 2011 ， 116 (G2) ： G0200 & [ 4 1 史卫国 ， 崔鹏伟 ， 薛 飞 . 小窑采空区变电站采动变 形特征及稳定性评价 [ J 1 . 山西建筑 ， 2019 , 45(8 ) ： 47-49 [ 5 1 赵忠海 . 京西某村小窑采空区的稳定性分析 [ J 1 . 资 源调查与环境 ， 2010(4)=68-72. [ 6 1 贺丽萍 ， 于永江 . 采空区建筑物地基稳定性影响因素 分析 [ J1. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版 ), 2011 , 30 ( 6 ) ： 814-817 [ 7 1 胡炳南 ， 胡广福 . 煤矿采空区勘察与地基稳定性评估 技术及其工程实践 [J 1. 煤矿开采 ,2010,15(2) ： 810. [ 8 1 方 磊 ， 李春苗,裴宗平 . 煤矿采空区稳定性评价 [ J 1 . 地下空间与工程学报 ,2013,9(2 ) 2034 - 2039. [ 9 1 GB50007 — 2011 建筑地基基础设计规范 [ S 1. 北京 ： 中 国建筑工业岀版社 , 2011 [ 0 1 《 工程地质手册 》 编委会 . 工程地质手册(第五版 ) [M 1. 北京 ： 中国建筑工业岀版社 ,201& [ 1 1 张永波 ， 孙雅洁 ， 卢正伟 . 老采空区建筑地基稳定性评 价理论与方法 [ M 1 . 北京 ： 中国建筑工业岀版 社 , 2006 [ 12 1 顾晓鲁 ， 钱鸿缙,刘惠珊 ， 等 . 地基与基础 [M1. 北京 ： 中国建筑工业岀版社 , 2003 收稿日期 : 2020-04-14
2024年4月5日发(作者：步飞宇)
第
35
卷
第
2
期
岩土工程技术
Vol35No2
Apr
,
2021
2021
年
4
月
文章编号
：
1007-2993(2021)02-0128-06
GeotechnicalEngineeringTechnique
煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析
石
磊
（
江苏长江机械化基础工程有限公司
,
江苏南京
210046
）
【摘要
】
结合一煤矿采空区场地作为新建高层住宅小区场地
，
通过开采条件
、
地表移动变形综合确定煤矿采空区的稳定
性;采用工程类比法
、
采空区特征判别法
、
活化影响因素分析法、
地表剩余变形判别法等判别采空区场地工程建设适宜性;建
议采空区场地采取吸收地表沉陷变形的柔性措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施来确保拟建建筑物的安全
。
【
关键词
】
煤矿采空区
;
地基变形
;
地基稳定性
;
建筑场地适宜性
【
中图分类号
】
TU
442
【
文献标识码
】
B
doi
：
103969
/
jissn102012
Analysis
on
the
Stability
and
Suitability
of
the
Ground
in
Goaf
ShiLei
(Jiangsu
Changjiang
Mechanization
Foundation
Engineering
Co.
,Ltd.
,
Nanjing
210046
,Jiangsu,China)
【
Abstract
]
Agoafisproposedasthegroundofanewhigh-riseresidentialarea
Thestabilityofcoalminegoafisdetermined
synthetical
ybyminingconditionsandsurfacemovementdeformation
Engineeringanalogymethod
,
goaffeaturediscriminationmeth
od,
activation
influence
factor
analysis
method,
surface
residual
deformation
discrimination
method
and
other
methods
were
used
to
de
termine
the
suitability
of
goaf
site
construction.
It
is
suggested
that
flexible
measures
to
absorb
surface
subsidence
deformation
and
rigid
measures
to
resist
surface
subsidence
deformation
should
be
adopted
to
ensure
the
safety
of
the
proposed
building.
【Key
words
]
coal
mine
goaf
；
foundation
deformation
；
foundation
stability
；
construction
site
suitability
0
引言
随着我国城市化进程的加快
，建设用地越来越
层地下室
）
、
3
栋多层建筑物
（
7F,
框架结构
）
及配套
设施
。
拟采用天然地基
,
柱下独立基础或筏板基础
。
紧张
，
因此开采煤炭资源遗留下来的采空区场地需
要利用
。
煤矿采空区建设工程在设计和施工前
，
应
按规范
12
1
要求进行岩土工程勘察
，
煤矿采空区岩土
1.
1
工程地质条件
评估区地表覆盖有第四系全新统黏土
,
第四系
上更新统黏土等
,
覆盖层厚度约
3
〜
7
m
,
地层主要
为
①
层表土
、
②层黏土
、
③层含砂姜黏土
、
④层黏土
。
其中
②
层黏土为灰褐色
，
可塑一
硬塑
，
土质较均匀
，
工程勘察应在查明采空区特征的基础上
，
分析评价
煤矿采空区场地的稳定性
,
并综合评价煤矿采空区
场地的工程建设适宜性及拟建建筑物的地基稳定
干强度中等
，
韧性中等;
③
层含砂姜黏土为黄色
，
硬
塑
,
含铁锰质结核及砂姜
;
④
层黏土为黄棕色及黄褐
色
，
含少量青灰色黏土条带
，
硬塑
，
低压缩性
，
韧性
性
，
同时提出煤矿采空区治理措施建议
。
结合一建
筑场地的实例
，
分析老煤矿采空区的稳定性及作为
工程建筑场地的适宜性评价中各类参数的选取问
高,局部含风化残积物及块石
。
第四系以下基岩为
题
，
并针对拟建建筑物场地提出了采空区治理技术
措施建议
。
可为城市发展利用采空区场地作为建设
用地提供参考和借鉴
。
二叠系
、
石炭系地层
。
1.
2
水文地质条件
评价区内第四系松散层厚度
3
〜
7
m
,
土性为黏
1
工程概况
该建设场地处于某煤矿矿区范围内
，
场地及周
土
、
含砂姜黏土
，
富水性较差
，
单井涌水量一般为
10
〜
100
m
3
/d
,
地下水埋深约
0.6
〜
1.4
m
。
第四系松
边均进行过地下采掘活动,遗留有多层采空区
。本
工程主要建设
9
栋高层建筑
（
11F,
框剪结构
，
含
2
散层潜水或上层滞水接受大气降水和基岩裂隙水的
越流补给
，
其埋藏和分布受地形
、
采空区
、
河流等因
作者简介
:
石
磊
，
男
，
1969
年生
，
汉族
，
江苏邳州人
,
高级工程师
，
主要从事岩土工程勘察
、
设计
、
施工方面研究
。
:
shi-lei
@
163com
石
磊:煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析
素控制
,
第四系潜水的埋藏深度随季节性变化
，
雨季
2
采空区场地稳定性评价
129
水位升高
，
枯水季节水位下降
，
第四系孔隙水通过煤
参考国内外有关煤矿采空塌陷理论及经验
，
采
系含水层露头直接入渗补给井下
。
区内裂隙孔隙含
水层均被松散岩类孔隙含水层所覆盖
,
故松散岩类
空区场地稳定性应根据采空区勘察结果进行分析和
评价
。
下面将从开采条件
、
地表移动变形判别场地
稳定性
。
孔隙含水层的越流或下渗为其主要补给源
。
裂隙水
向开采井巷汇流
，
而为矿坑排水所排泄
。
裂隙岩溶
地下水的补给来源主要是大气降水入渗和上覆孔隙
2.
1
开采条件判别场地稳定性
2.1.1
采动持续影响时间
煤层开采影响一般表现为从采空区上方顶板至
水下渗
（
或越流
）
补给
，
裂隙岩溶水最主要的排泄途
径是人工开米和米煤疏干
。
1.
3
地质构造
地表岩层出现垮落
、
断裂
、
弯曲下沉
。
煤层采出达到
一定面积后
，
引起上覆岩层的移动并逐渐波及地表
,
使地表出现一种在时间上和空间上连续有规律的移
动和变形
。
这种移动和变形存在一个时空发展过程
,
主要断裂构造展布方向为北东向
、
北西向和东
西向
。
北东向构造主要构造形迹有江庄复式背斜和
贾汪复式向斜;北西向构造主要构造形迹为汴塘断
即地表移动变形的初始期
、
活跃期和衰退期,进而进
入稳定期,使采空区上方的岩层形成新的应力平衡
。
采煤引起的地表移动持续时间
,
参考国内外研
裂;东西向构造主要构造形迹为泉河断裂
。
分布在
评价区以南约
500
m
的
F
2
断层规模较大
，
是开采煤
矿矿山井田边界的控制性断层
。
F
2
断层自评价区
究成果
38
]
,
对于缓倾斜
、
倾斜煤层而言
，
依照
《
煤矿
以南约
500
m
通过
，
走向
NEE
,
倾向
SSE,
倾角
70°
断距
200
〜
250
m
,
为南东盘下降之正断层
,
规模较
大
，
切割贾汪复式向斜北东端
，
使诸地层在走向上不
采空区岩土工程勘察规范
》
[
1
]
H.
0.
6
条
，
当采空区
埋深小于
400
m
时
，
其开采地表移动的持续时间可
按式
（
1
）
计算
。
连续
，
其北东端被近南北和北东向断层切割而在走
T
=
2.
5
H
0
（
1
）
向上不连续
。
F
0
断层自评价区西南约
500
m
通过
，
走向
NW,
倾向
NE,
倾角
60
。
〜
70°
为正断层
。
上述断
层形成于古近系之前
，
至今无活动记录
，
均为非活动
式中:
犜
为地表总移动时间
（
初始期
、
活跃期
）
，
d;
犎
0
为米深,
m
。
断裂
。
评价区内煤层最大开采深度为
210.
0
m,
H
°
取
210
m,
计算
T
=2.
5X210
=
525
d
。
依据表
1
判别采空区场地稳定性
。
表
1
按终采时间确定采空区场地稳定性等级
稳定等级
不稳定
l.
4
场地评价区煤矿开采状况
评价区分布有
17
、
20
、
21
煤
，
在评价区内因煤层
风氧化带煤质不好
、
地下水量大等原因
，
煤矿
50
m
基本稳定
稳定
以上煤层均未开采
。
各煤层开采情况如下:评价区
内
20
煤开采深度约
110
〜
180
m,
走向长壁顶板自
狋
V
O.
8
T
0.
8
T
QW1.
2
T
i
＞
1.
2
T
采空区终采时间
/
d
亠
或
（
V
365
且
狋
＞
365
且
狋
＞
730
*
注
：
*
为对应本场地情况
，
下同
。
然垮落采煤法
，终采时间〉
20
年
。
评价区内
21
煤
开采埋藏深度约
145
〜
210
m,
走向长壁顶板自然垮
落采煤法
，
终采时间
〉
20
年
。
综上所述可知
，
评价区内分布有大面积
20
煤
、
评价区内煤层开采活动终止于
1998
年,距今逾
20
年
,
＞
1.2
T
且
狋
＞
730
。
因此按经验估算公式地
表移动已进入衰退期
，
采空区场地已进入稳定状态
。
2.1.2
地表移动变形特征及覆岩特征
按地表变形特征及覆岩特征判别场地稳定性情
21
煤采空区
，
评价区内
20
煤
、
21
煤合计厚度
1.
40
m,
倾角
12
。
〜
20°
开采深度
110
〜
210
m
。
开采方法
为走向长壁顶板自然垮落采煤法
,
开采活动结束时
间
〉
20
年
。
周边煤矿采空区不会影响至本评价区
。
况见表
2
、
表
3
。
表
2
按变形特征确定采空区场地稳定性等级切
稳定等级
评价因子
不稳定
非连续变形
基本稳定
稳定
连续变形
盆地边缘区
地面倾斜
、
有地裂缝
连续变形
*
盆地中间区
*
地面无地裂缝
、
台阶
、
塌陷坑
*
地表变形特征
抽冒型或切冒型
地面有塌陷坑
、
台阶
130
岩土工程技术
表
3
覆岩特征判定场地稳定性切
稳定等级
2021
年第
2
期
评价因子
不稳定
顶板岩性
基本稳定
稳定
有厚层状坚硬岩层分布且层厚
上
150m
无坚硬岩层分布或为薄层或软硬岩
有厚层状坚硬岩层分布且
15.
0
m
>
层互层分布
*
h
冬
5
层厚
>
5.
0
m
5
<
犺
三
30
*
松散层厚度
h/m
h
>
30
评价区周边开采范围较大,开采厚度相当
，
煤层
倾角较小
，
因此可认为评价区处于塌陷盆地的中间
区
。
开采初期地表变形属连续变形
，
地面无地裂缝
、
台阶
、
塌陷坑分布
。
根据勘察报告
，
评价区覆盖层厚
2.
2
地表移动变形判别法
地表移动变形判别法可用于顶板垮落充分
、
规
则开采的采空区场地稳定性定量评价
。
对于顶板垮
落不充分且不规则开采的采空区场地稳定性,
也可
参照评价
。
评价指标见表
4
。
度
3.0
〜
7.0
m,
顶部灰岩属较硬岩
。
综合以上依据
表
2
、
表
3
判定评价区场地稳定性为基本稳定
。
表
4
地表移动变形值确定场地稳定性等级
［
1
，
］
评价因子
稳定状态
下沉速率犞
”
倾斜值
曲率值
水平变形值
△/
(mm
•
m
备注
△
/
(mm
・
m
T
1
)
犽
(mm
・
m
一
1
)
T
1
)
同时具备
具备其一
具备其一
稳定
基本稳定
不稳定
<
1
0
mm/d
,
且连续
6
个月累计下沉
<
30
mm
*
<
1
0
mm/d
,
且连续
6
个月累计下沉
上
30
mm
上
1
0
mm/
d
<
3
*
3
〜
10
<
02
*
02
〜
06
<
2
*
2
〜
6
上
10
上
0.6
上
6
评价区内未进行较为精密的水准测量
，因本区
程地质手册
》
(第五版
)
9
1
中的经验公式进行计算
，
计
为缓倾斜煤层
，
采空区的地表移动变形计算采用《
工
算结果见表
5
。
表
5
采空区地表最大变形预测值
地表变形
最大变形计算经验公式
地表最大变形值
1120
224
068
最大残余变形值
560
下沉值
W
max/
mm
倾斜值
犻
max
/
(mm
•
m
_1
)
犠犠
max
_
狇
m
2max
—
'犠'
max
/
狉
犽
max
=
±1.52
犠
max/
狉
S
112
034
曲率值
犽
mx/
(mm
・
m
—
2
)
水平变形值
S
max
/
(mm
・
m
T1
)
max
=
士
1
52Z?Z
max
749
375
注:表中
狇
为下沉系数
，
取
0.
80
；
犿
为矿层开采厚度
，取
1.
4
m
；
按地表影响区半径
，
取
50
m
；
为水平移动系数
，
取
0.
22
；
残余沉降系数取
0.
5
。
根据周围经验
，
评价区内地表连续
6
个月累计
合评价
。
下沉
<
30mm,
下沉速率
<
1.
0
mm/d
,
倾斜
、
曲率及
水平变形值计算见表
5
,根据计算结果评价区场地
3.
1
采空区对本工程的影响程度
采空区对本工程的影响程度
，
可根据采空区场
处于稳定状态
。
根据开采条件及地表移动变形综合确定采空区
地稳定性
、
建筑物重要程度和变形要求
、
地表变形特
征及发展趋势
、
地表移动变形值
、
采深或采深采厚
比
、
垮落裂隙带的密实状态
、
活化影响因素等
，
采用
工程类比法、
采空区特征判别法
、
活化影响因素分析
场地稳定性为
“基本稳定
”
。
3
采空区场地工程建设适宜性评价
采空区场地工程建设适宜性评价
，
应以采空区
法
、
地表剩余变形判别法等方法判别
。
场地稳定性为主控因素
，并考虑采空区剩余移动变
形与拟建工程间的相互影响程度
、
拟采取的抗采动
影响技术措施的难易程度及工程造价等方面进行综
3.1.1
采用工程类比法定性分析
采用工程类比法定性分析采空区对工程影响程
度见表
6
。
石
磊:煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析
表
6
采用工程类比法定性分析采空区对工程影响程度
影响程度
大
131
类比工程或场地特征
地面
、
建
（
构
）
筑物开裂
、
塌陷
，
且处于发展
、
活跃阶段
地面
、
建
（
构
）
筑物开裂
、
塌陷
，
但已稳定
6
个月以上且不再发展
地面
、
建
（
构
）
筑物无开裂
、
塌陷
，
但已稳定
2
年以上且不再发展;邻近同类型采空区场地有类似工程的成功经验
*
中等
小
评价区附近已建建筑主要为单层厂房
、
多层办
公楼及部分高耸构筑物
。
根据现场走访
，
评价区附
评价区北侧道路
，
在煤矿开采初期
，
局部曾出现
地基下沉,路面出现裂缝
，
目前使用状况良好
，
未见
有地基下沉现象
。
评价区西侧已建
2
层轻钢结构商
近多年未见有地基下沉导致的建
（
构
）
筑物破坏
现象
。
评价区东南侧泰和小区
（
距离场地约
100
m,
工
业及围墙
，
已建成约
3
年
，
目前使用状况良好。
因此
采用工程类比法分析认为采空区对工程的影响程
度小
。
程及地质情况相似
，
未进行处理
），
目前已建多幢
6
层住宅
，
建成已超过
2
年;毗邻场地南侧的
3
层办公
3.1.2
根据采空区特征及活化因素
采空区特征及活化影响因素定性分析采空区对
楼及厂房
，
建成已超过
5
年
，
均使用状况良好
，
目前
未发现有倾斜
、
开裂等现象
。
工程的影响程度见表
7
。
表
7
采空区特征及活化影响因素定性分析采空区对工程的影响程度
[
1
1
]
影响
程度
采深及采深采厚比
采空区特征
，
活化影响
密实状态及充水状态
存在空洞
，
钻探过程中出现掉
钻
、
孔口窜风
基本密实,钻探过程中采空区部
地表变形特征及发展趋势
正在发生不连续变形或现阶段
相对稳定,但存在发生不连续变
因素
备注
大
H
<
50
m
或
H/M
C
30
活化的可能性
大
，
影响强烈
具备其一
形的可能性大
现阶段相对稳定
，
旦存在发生不
中等
50
m
W
H
W
200
m
或
30
三
犎/犕
三
80
*
活化的可能性中
具备其一
位大量漏水
*
连续变形的可能
*
不再发生不连续变形
等
，
影响一般
*
小
H
>
200
或
H/M
〉
80
密实，
钻探过程中不漏水
、
微量
漏水但返水或间接返水
活化的可能性
小,影响小
同时具备
评价区内各已采煤层均为薄煤层
，
单层采厚
0.
67
〜
0.
73
m,
煤层倾角
12
。
〜
20
计算采深采厚比
164
〜
209
。
。
根据本次深孔钻探资料并参考场地周围煤矿采
空区勘察经验
，
评价区内采空区局部仍存在少量尚
未完全塌落洞隙
,
这些洞隙在地震
、
地下水及建筑荷
载的影响下有可能发生塌落
，
对地表建筑产生一定
评价区各煤层及最小采深采厚比计算见表
8
。
表
8
煤层
20
采深采厚比计算表
采厚
/m
0.
73
0.
67
的影响
，
现阶段地表相对稳定
,
采空区活化对地表建
采深采厚比
151
209
采深
/m
110
140
筑物影响的可能性小
，
危害小
。
根据采空区地表剩余变形值参照表
9
确定采空
区对工程的影响程度
。
21
表
9
根据剩余变形值确定采空区对工程的影响程度⑴
地表剩余变形
影响程度
下沉值
W
max/
mm
倾斜值
水平变形值
S
max
/
(mm
・
m
-1
)
曲率值
备注
犻
max/
(mm
・
m
-1
)
犽
max/
(mm
・
m
-2
)
大
中等
小
上
200
100
〜
200
上
10
3
〜
10
上
6
2
〜
6
上
0.
6
02
〜
06
<02
具备其一
具备其一
<
100
*
<
3
*
<
2
*
*
同时具备
132
岩土工程技术
2021
年第
2
期
根据表
9,
判定地表剩余变形对工程影响程度小
。
筑物荷载及影响深度等
，采用荷载临界影响深度判
别法
、
附加应力分析法等方法判别
,
并按表
10
划分
3.2
拟建工程对采空区稳定性影响
拟建工程对采空区稳定性影响程度
，
应根据建
影响程度等级
。
表
10
根据荷载临界影响深度定量评价工程建设对采空区稳定性影响的评价标准⑴
影响程度
评价因子
大
荷载临界影响深度
H
d
和采空区深度
H
附加应力影响深度
H
a
和垮落断裂带深度
H
lf
中等
小
H
>
1
5
H
d
*
H
W
H
d
H
iW
H
a
H
d
V
H
W
L
5
H
d
H
a
V
H
lW2.
0
H
a
H
1f
>
2
0
H
a
*
3.2.1
荷载临界影响深度
H
d
和采空区深度
犎
当建筑物建在影响范围以内时,可按下式验算
深度增加而减少,对地基扰动深度逐渐减弱
。
根据
《
建筑地基基础设计规范
》
9
］
第
5.
3.
8
条
，
当无相邻
地基的稳定性，
设建筑物基底单位压力为
0
0
,
当巷
荷载影响
，
基础宽度在
1
〜
30
m
范围内时,基础中
点的地基变形计算深度可按式
(
3
)
进行计算
。
道顶板的埋藏深度
H
增大到一定的深度时
，
使顶板
岩层恰好保持自然平衡(即作用在采空段顶板上的
压力
Q
=0
),
此时的附加应力的影响深度称为临界
犣
”
=
犫
(
2.5
—
0
4nb)
m,
计算
Z
n
=
22.
2
m
。
(3)
式中
：
为基础宽度,
m
；
评价区
11
层楼基础宽度
16
根据
《
岩土工程勘察规范
》
2
第
4.
1.
19
条
，
地基
变形计算深度
，
对中
、
低压缩性土可取附加应力等于
深度
H
d
［
1
］
,
则
：
H
d
=
—
-------------------
;
-----
丄
----
—
(2)
2
y
tan 2 (45° — 2 ) 式中: H d 为临界深度, m ； B 为巷道宽度, m, 此处按 By ./B 2 y 2 +4 B y 0 0 tan 9 tan2 ( 45° — 9 ) 上覆土层有效自重压力 20% 的深度 ， 对高压缩性土 可取附加应力等于上覆土层有效自重压力 10% 的 深度 , 一般当地基中的附加应力 。 z 为上覆地基土自 重应力兀的 10 % 时 ， 可认为附加应力对该深度处的 4m 计算 Y 为岩土层平均重度 , kN/m 3 呼 为内摩擦 角 ， 取平均值 30° 以上参数的取值为经验取值 ，是参考徐州地区 煤矿采空区以往的验算资料及岩石测试结果 。 以上 地基压缩影响微弱 ， 该深度称为地基受压层深度 。 受压层深度以下的岩 、 土层中附加应力很小 , 其对地 参数有一定的可信度 ， 但也存在着一定的局限性 , 有 待在下一步的工作中进行验证 。 基沉降的影响可忽略不计 。 地基附加应力 ， 按式 (4 ) 计算 。 o z = aP 0 对于拟建 11 层住宅楼 ， 按平均基底压力 0 为 (4) 180 kPa 估算,矿井煤层开采的井下残留空洞宽度 式中 ： 为各种荷载下的竖向附加应力系数; 犘 0 为作 用于基础底面平均附加压力 ， kN/m 2 。 估算 11 层楼基础下 23 m 深度(基础开挖深度 4. 0 m, 岩石平均重度按 23. 5 kN/m 3 计,计算的 H d = 26. 7 m,1. 5 H d = 40. 1 m 。 评价区内采空区埋深 〉 80 m , 大于 1. 5 H d 约 5. 0 m) 处附加应力 cr z 约为 62. 6 kPa 。 地面以下 (40. 1 m), 因此根据荷载临界影响深度判别拟建工 程对采空区稳定性影响程度小 。 任一层面处的自重应力按式 (5) 计算 。 G c = + 7 2 ^ -2 H ------- 7 n h n = 为 Y 犺 (5) 犻 = 1 3.2.2 附加应力影响深度 H a 和垮落断裂带深 度 H f 对于在长壁垮落法开采的老采空区上进行建 式中: n 为从天然地面到深度 z 处的土层总数; 犺 为 第 2 层土的厚度, m ; , 为第 犻 层土的重度 ,kN/m 3 , 地下水位以上的土层一般采用天然重度(地下水位 筑 , 在没有新的开采扰动的情况下 ， 可以采用以建筑 物荷载影响深度 、 采空区垮落 、 断裂带发育高度不能 取 1.0 m , 土层按 5 m 计算 ) ， 地下水位以下的土层 采用浮重度 ,毛细饱和带的土层采用饱和重度 。 计算场地地表下 28 m 深度处土层的自重应力 约为 630 kPa 。 因地表下 28 m 深度处附加应力 5 z < 10% 5 C z , 因此认 11 层住宅楼应力影响深度约为地面以下 相互重叠 ， 作为评价老采空区的活化 、 地基稳定性及 其对建筑物影响的依据 。 ( 1 ) 建筑物荷载影响深度计算 根据 《 地基与基础 》 ［ 12 ］ 中的岩土力学理论， 不同 的基础形式和不同荷载作用下 ， 附加应力的扩散随 28m 。 石 磊:煤矿采空区场地地基稳定性及适宜性分析 133 综合以上两种算法 ,11 层住宅楼应力影响深度 约为地面以下 28 m 。 (2) 垮落带 、 断裂带计算 依据地层资料 ， 确定拟建区下采煤工作面的上 覆岩层为软硬岩互层 ， 煤层倾角 12 。 〜 20° 根据 《 煤 矿采空区岩土工程勘察规范 》 E 附录 L, 当煤层顶板 为硬质岩 、 软质岩层或其互层时 , 开采空间和垮落岩 层本身的空间可由顶板的下沉和垮落岩石的碎胀填 满 , 开采单一煤层时垮落带的最大高度可按式 (6) 计算 。 . = M_W 一 m (k 1)cos a ( 6 ) 式中: M 为单层采厚 , m , 取 0. 7 m ； 犠 为下沉值 ， 取 0. 595 m ； 为岩石的碎胀系数 ， 取 1. 3 ; 为煤层倾 角 ， 取 20° 计算 H m 为 0.4 m 。 断裂带最大高度 H 犻 计算公式见式 (7 ) 。 H 犻 = 20 槡工 M + 10 (7) 此处 工 M 取 1. 40 m, 计算 H 犻 为 33. 7 m 。 计算垮落及断裂带高度之和为 34. 1 m 。 (3) 稳定性影响评价 评价区 11 层楼附加应力影响深度为 H a = 28 m ； 而采空区垮落 、 断裂带最大发育高度 34. 1 m, 深 度 H n 为 110 — 34. 1 = 75. 9 m, H lt ^2 H a o 因此根 据附加应力影响深度 H a 和垮落断裂带深度 H f 判 别拟建工程对采空区稳定性影响程度小 。 综合以上分析 ， 认为采空区场地工程建设适宜 性为 “ 基本适宜 ” 。 评价区地基按不均匀地基考虑,变形计算应包 括采空区地表剩余变形值与附加荷载引起的正常地 基沉降变形值 。 4 建筑技术措施 场地地基基本稳定 ， 工程设计适当考虑残余变 形对建筑的影响 。 本场地地基变形是由采空区的残 余变形及拟建荷载导致的地基压缩变形两部分组 成 ， 因此应控制地基土层的压缩变形值 。 建议对建 筑物的基础及上部结构采取能够抵抗地表残余沉陷 变形的抗变形结构技术措施 ， 确保建筑物的安全 。 抗变形结构技术措施包括吸收地表沉陷变形的柔性 措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施 。 5 结论 充分利用好开采煤炭资源遗留下来的采空区场 地,可以增加建设用地 。 以一建筑场地的实例 ， 分析 煤矿采空区场地作为建筑场地的稳定性和适宜性 , 根据开采条件及地表移动变形 ， 综合确定采空区场 地稳定性为 “ 基本稳定 ” ， 采用工程类比法、 采空区特 征判别法 、 活化影响因素分析法 、 地表剩余变形判别 法等判别采空区场地工程建设适宜性为 “ 基本适 宜 ” 。 为确保建筑物的安全 ， 采空区场地采取一定的 抗变形结构技术措施包括吸收地表沉陷变形的柔性 措施和抵抗地表沉陷变形的刚性措施等 ， 在此措施 下 ， 拟建煤矿采空区场地作为建筑用地是可行的 。 参考文献 [ 1 1 GB51044 — 2014 煤矿采空区岩土工程勘察规范 [ S 1 . 北京 ： 中国计划岀版社 ,2014. [ 2 1 GB50021 — 2001 岩土工程勘察规范 ( 2009 年版 ) [ S 1 . 北京 ： 中国建筑工业岀版社 ,2009. [ 3 1 MITCHELL S , BEVEN K , FREERJ , et al. Proces ses influencing model-data mismatch in drought- stressed ， fire-disturbededdyfluxsites [ J 1 Journalof Geophysical Research ： Biogeosciences ， 2011 ， 116 (G2) ： G0200 & [ 4 1 史卫国 ， 崔鹏伟 ， 薛 飞 . 小窑采空区变电站采动变 形特征及稳定性评价 [ J 1 . 山西建筑 ， 2019 , 45(8 ) ： 47-49 [ 5 1 赵忠海 . 京西某村小窑采空区的稳定性分析 [ J 1 . 资 源调查与环境 ， 2010(4)=68-72. [ 6 1 贺丽萍 ， 于永江 . 采空区建筑物地基稳定性影响因素 分析 [ J1. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版 ), 2011 , 30 ( 6 ) ： 814-817 [ 7 1 胡炳南 ， 胡广福 . 煤矿采空区勘察与地基稳定性评估 技术及其工程实践 [J 1. 煤矿开采 ,2010,15(2) ： 810. [ 8 1 方 磊 ， 李春苗,裴宗平 . 煤矿采空区稳定性评价 [ J 1 . 地下空间与工程学报 ,2013,9(2 ) 2034 - 2039. [ 9 1 GB50007 — 2011 建筑地基基础设计规范 [ S 1. 北京 ： 中 国建筑工业岀版社 , 2011 [ 0 1 《 工程地质手册 》 编委会 . 工程地质手册(第五版 ) [M 1. 北京 ： 中国建筑工业岀版社 ,201& [ 1 1 张永波 ， 孙雅洁 ， 卢正伟 . 老采空区建筑地基稳定性评 价理论与方法 [ M 1 . 北京 ： 中国建筑工业岀版 社 , 2006 [ 12 1 顾晓鲁 ， 钱鸿缙,刘惠珊 ， 等 . 地基与基础 [M1. 北京 ： 中国建筑工业岀版社 , 2003 收稿日期 : 2020-04-14