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【摘 要】采空区地基稳定性评价工作是在矿区开采之后在采空塌陷区上进行建设前的必要工作。本文以某煤层采空区住宅楼场地为例，分析了采动影响与建筑物的破坏关系，采用概率积分法对场地地面沉降量进行预测，对围岩破坏高度和建筑物荷载影响深度进行量化计算，对于采空塌陷区的地基稳定性和建筑适宜性进行客观的评价。最后针对建设场地评价结果，针对拟建工程地基处理措施及建筑设计提出建议。
【关键词】采空区；地基稳定性；评价；残余变形。
1、序言
在资源枯竭型城市老采空区上进行工程建设，是一项节约城市土地资源和土地综合利用的举措。但是采空区与一般建设场地相比，其工程地质条件要复杂的多。
因此，在进行工程建设前，做好采空区的地基稳定性评价工作显得尤为重要。
2、地质背景条件
2.1地形地貌
拟建场地地貌类型属山前冲洪积倾斜平原，地形北高南低，地面标高为108～121m，自然坡降约为0.015。
2.2地层
地层上部60m为第四系洪积相粉土、粉质粘土、粘土及卵砾石、泥质砾石层；下伏为二叠系石河子组泥岩、砂质泥岩、砂岩及山西组煤系地层；其下寒武系崮山组厚层状白云质灰岩；石炭、奥陶系地层缺失。
2.3水文地质条件
场地内地下水类型为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。松散岩类孔隙水含水层岩性以卵砾石、含泥砾石为主，富水性差，单井涌水量小于100m3/d，水位埋深26.8m。
2.4工程地质条件
1、土体：上部为粉土，具中等压缩性。工程地质性质一般，可作为一般工业及民用建筑物的天然地基，不宜做多层或高层建筑的地基，多层建筑应采用必要的地基处理措施。下部以粉质粘土为主，含有上更新统卵砾石、中更新统泥质碎石及下更新统泥质砾石、泥砾，砾质土工程地质性质一般均较好，是良好的工程建筑物持力层。
2、岩体
碎屑岩：较坚硬中厚层状砂页岩岩组由二叠系、三叠系陆相沉积碎屑岩组成，力学强度较高，工程地质性质良好。页岩属软弱夹层，遇水易软化，力学强度降低，工程地质性质较差。
碳酸盐岩：坚硬厚层状中等岩溶化石灰岩岩组由寒武系海相碳酸盐岩夹页岩组成。力学强度较高，工程地质性质良好。
建设场地位于己组煤采空区之上，采空塌陷长期的沉降变形在基底岩层内形成一系列的小断裂，这些小断裂的存在破坏了岩体的完整性，降低岩石强度。
3、拟建工程概况
3.1拟建场地概况
拟建场地分为A、B两个区域，其中A区位于煤矿采空区内，B区大部分未手采动影响，仅东北部小面积地区位于矿区风氧化带内。A区拟建6层住宅楼，B区拟建6层办公楼。
3.2矿层开采状况
建设场地范围内开采的煤层主要为丁、戊、已、庚组煤，其中丁、戊组煤开采时间多在60年代以前，采空区距离拟建区约400m，其开采活动对拟建区没有影响。
己组煤的开采范围在拟建A区正下方。矿区在己组煤露头附近开采了己15、己16、己17三层煤，己15煤層最小采深125m左右，平均开采厚度1.8m，煤层倾角5～14°；己16煤层最小采深120m左右，平均开采厚度1.5m，煤层倾角3～15°；己17煤层最小采深127m左右，平均开采厚度1.8m，煤层倾角1～15°。己组煤均采用长壁炮采、全陷法管理顶板。
4.2计算参数选取及结果
依据拟建场地区域的覆岩岩性、地质构造、开采情况等，参考矿区的地表移动参数，选取预计参数如下：
下沉系数：q=0.03～0.05
水平移动系数：b=0.3
主要影响角正切：tgβ=2.0
采动影响传播系数：k=0.5
拐点偏移矩：s/H=0.05
将上述确定的地表移动变形参数、开采范围及地面地物等情况输入计算机，采用适用于多煤层多工作面的概率积分法预计程序和等值线绘制程序进行计算和处理，对今后地表有可能产生的残余沉陷变形进行预计。
分别计算了建设场地区域的地表下沉、南北方向和东西方向倾斜变形、南北方向和东西方向水平变形，并绘制了等值线图（图2）。
4.3采空区残余变形影响分析
由图2可以看出，拟建区A区全部区域皆处于采空沉陷变形影响范围内，区域地表最大下沉为280mm，南北方向最大倾斜变形为2.2mm∕m，东西方向最大倾斜变形为2.6mm∕m，南北方向最大水平变形为1.6mm∕m，东西方向最大水平变形为1.0mm∕m，处于Ⅰ级采动影响范围内；B区根据采动影响情况可划分为Ⅰ、Ⅱ区，Ⅰ区预计区域内地表最大下沉为24mm，南北方向最大倾斜变形为1.5mm∕m，东西方向最大倾斜变形为0.5mm∕m，南北方向最大水平变形为1.2mm∕m，东西方向最大水平变形0.2mm∕m，处于Ⅰ级采动影响范围内，Ⅱ区没有受到采动影响。由于本区最小采深约120m，第四系松散层厚度约81m，基岩厚度仅为39m左右，地质条件较差，且位于己组煤层露头带附近，建议拟建区A区、B-Ⅰ区谐按Ⅱ级采动影响对新建建筑物进行保护，B-Ⅱ区位于开采影响范围之外，可以根据需要自主建设。
5、采空区地基稳定性评价
地下煤层开采结束以后，当地表半年累计下沉量小于30mm，可认为地表移动期结束。
5.1覆岩破坏高度计算
煤层开采后，一般上覆岩层形成垮落带、断层带、弯曲带。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，甚至造成建筑物的破坏。
垮落断层带的发育高度，主要与开采煤层的厚度、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等有关，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采工程》，选取计算公式如下： 拟建场地开采煤层累计采厚达5.2m，垮落带最大高度为49m。拟建区内最小采深120m，所以，垮落断裂带的顶板距离地表的垂直距离为71m。
5.2建筑物荷载影响深度计算
假定整个建筑荷载作用在建筑平面大小的矩形荷载计算地基附加应力。式中竖向附加应力系数K可查表取值。地基附加应力随深度增加而减小，而地基中自重应力随深度增加而增大。计算地基附加应力相当于地基自重应力10%处深度，即建筑荷载影响深度，计算结果见表1。
经计算，A、B两区建设场地拟建5、7层住宅楼的荷载影响深度（H影）分别为20m、23m。
5.3采空区地基稳定性评价
煤层开采后，当最小采深（H临）大于垮落断裂高度（H裂）与建筑荷载影响深度（H影）两者之和时，采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动，即：
H临>H裂+H影
拟建区A区位于己组煤层采空正上方H裂=49m，拟建5、7层住宅楼的荷载影响深度（H影）分别为20、23m，两者之和分别位69m、72m，而该区域煤层最小采深为120m。因此，该区域新建7层以下住宅楼的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。
拟建区B区大部分位于煤层风氧化带正上方，只有东北角局部区域位于采空区正上方，根据是否受采动影响，B区分为B-Ⅰ区和B-Ⅱ区。根据拟建区域与地下采空区的位置关系，又可将B-Ⅰ区分为B-Ⅰ1、B-Ⅰ2两个区域，B-Ⅰ1区正下方没有采空区，不存在采动垮落断裂带，可以建设高层建筑物；B-Ⅰ2区正下方有采空区，该区域内不能建设高层建筑物，但可以建设7层住宅楼（图3）。
此外，由于擬建区域下方附近煤层斌存情况复杂，致使该区域煤层开采时残留了较多的煤柱，为了保证拟建区域地基的长期稳定性，避免地表由于再次产生较大的不均匀沉降而危及新建建筑物的安全，今后应严禁在拟建区域正下方和周围区域进行煤层的开采或复采。
5.4建筑可行性评价
拟建场地新建7层住宅楼是可行的。受到老的采空区影响，拟建场地地表今后还将产生一定量的沉降变形，因此对新建建筑物要采用能够抵抗地表残余变形的抗变形结构技术措施，以确保新建建筑物正常安全使用。
6、结论与建议
6.1结论
（1）拟建场地地貌属山前坡洪积平原，地貌类型单一，地形较平坦，地质构造简单，土体工程地质性质较差，工程水文地质条件复杂。
（2）拟建场地位于采煤塌陷区范围内，最小开采深度120m左右，累计采厚5.2m，开采时间为1957～1977年。经计算A区地表残余下沉量为280mm，处于Ⅰ级采动影响范围内；B-I区地表最大残余下沉为24mm，处于Ⅰ级采动影响范围内。考虑到拟建区内地质条件较差，建议拟建区A区、B-Ⅰ区新建建筑物按抗Ⅱ级采动影响标准采取抗变形结构技术措施。
（3）A区、B-Ⅰ2区位于己组煤层采空正上方，经计算采空区垮落断裂带的发育高度为49m，拟建5、7层建筑物荷载影响深度分别为20m、23m，两者之和为69m、72m，而该区域煤层最小采深为120m，因此A区、B-Ⅰ2区新建7层建筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。项目区A区新建7层住宅楼是可行的，但新建建筑物应采取抗变形结构技术措施。
6.2拟建工程建议
（1）新建建筑物采取的抗变形结构技术措施主要有设置变形缝；
（2）各单体体型应力求简单，避免立面高低起伏和平面凹凸曲折；
（3）建筑物的基础设置钢筋混凝土基础梁，且同一单体的钢筋混凝土基础梁应成一闭合的箍；
（4）建筑前应对地基进行处理；基础应尽可能浅埋，设置一定厚度的砂垫层或碎石垫层，在基础梁下设置水平滑动层，且同一单体水平滑动层应设置在同一标高上；设置墙壁圈梁、构造柱等加大上部结构刚度与整体性；管道间增设柔性接头。
（5）为了保证拟建工程地基的长期稳定性，今后应严禁在拟建区域正下方和周围区域进行煤层的开采或复采，避免地表由于再次产生较大的不均匀沉降而危及新建建筑物的安全。
参考文献：
[1]张俊英，王金庄；采空区地表新建建筑地基稳定性评价技术研究；[J]矿山测量，2003。
[2]井彦林，李寅良等；煤矿采空区建筑场地的稳定性分析；[J]，陕西煤炭，2002。
[3]国家煤炭工业局，建筑物、水体、铁路及主要井苍煤柱留设与压煤开采规程[S]，北京，煤炭工业出版社，2004。
[4]常士骠，张苏民，工程地质手册；北京：中国建筑工业出版社，2004。
[5]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。
[6]龙荣生.矿井地质学，北京：煤炭工业出版社，[D]，1991，
[7]王云海.铁矿区采空区勘测及其危害评价研究；[J]；中国安全生产科学技术，2005。
[8]王永申，姜升，杨凌等；煤矿采空区建筑地基应考虑的一些基本条件；[J]，矿山测量，2006。
【关键词】采空区；地基稳定性；评价；残余变形。
1、序言
在资源枯竭型城市老采空区上进行工程建设，是一项节约城市土地资源和土地综合利用的举措。但是采空区与一般建设场地相比，其工程地质条件要复杂的多。
因此，在进行工程建设前，做好采空区的地基稳定性评价工作显得尤为重要。
2、地质背景条件
2.1地形地貌
拟建场地地貌类型属山前冲洪积倾斜平原，地形北高南低，地面标高为108～121m，自然坡降约为0.015。
2.2地层
地层上部60m为第四系洪积相粉土、粉质粘土、粘土及卵砾石、泥质砾石层；下伏为二叠系石河子组泥岩、砂质泥岩、砂岩及山西组煤系地层；其下寒武系崮山组厚层状白云质灰岩；石炭、奥陶系地层缺失。
2.3水文地质条件
场地内地下水类型为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。松散岩类孔隙水含水层岩性以卵砾石、含泥砾石为主，富水性差，单井涌水量小于100m3/d，水位埋深26.8m。
2.4工程地质条件
1、土体：上部为粉土，具中等压缩性。工程地质性质一般，可作为一般工业及民用建筑物的天然地基，不宜做多层或高层建筑的地基，多层建筑应采用必要的地基处理措施。下部以粉质粘土为主，含有上更新统卵砾石、中更新统泥质碎石及下更新统泥质砾石、泥砾，砾质土工程地质性质一般均较好，是良好的工程建筑物持力层。
2、岩体
碎屑岩：较坚硬中厚层状砂页岩岩组由二叠系、三叠系陆相沉积碎屑岩组成，力学强度较高，工程地质性质良好。页岩属软弱夹层，遇水易软化，力学强度降低，工程地质性质较差。
碳酸盐岩：坚硬厚层状中等岩溶化石灰岩岩组由寒武系海相碳酸盐岩夹页岩组成。力学强度较高，工程地质性质良好。
建设场地位于己组煤采空区之上，采空塌陷长期的沉降变形在基底岩层内形成一系列的小断裂，这些小断裂的存在破坏了岩体的完整性，降低岩石强度。
3、拟建工程概况
3.1拟建场地概况
拟建场地分为A、B两个区域，其中A区位于煤矿采空区内，B区大部分未手采动影响，仅东北部小面积地区位于矿区风氧化带内。A区拟建6层住宅楼，B区拟建6层办公楼。
3.2矿层开采状况
建设场地范围内开采的煤层主要为丁、戊、已、庚组煤，其中丁、戊组煤开采时间多在60年代以前，采空区距离拟建区约400m，其开采活动对拟建区没有影响。
己组煤的开采范围在拟建A区正下方。矿区在己组煤露头附近开采了己15、己16、己17三层煤，己15煤層最小采深125m左右，平均开采厚度1.8m，煤层倾角5～14°；己16煤层最小采深120m左右，平均开采厚度1.5m，煤层倾角3～15°；己17煤层最小采深127m左右，平均开采厚度1.8m，煤层倾角1～15°。己组煤均采用长壁炮采、全陷法管理顶板。
4.2计算参数选取及结果
依据拟建场地区域的覆岩岩性、地质构造、开采情况等，参考矿区的地表移动参数，选取预计参数如下：
下沉系数：q=0.03～0.05
水平移动系数：b=0.3
主要影响角正切：tgβ=2.0
采动影响传播系数：k=0.5
拐点偏移矩：s/H=0.05
将上述确定的地表移动变形参数、开采范围及地面地物等情况输入计算机，采用适用于多煤层多工作面的概率积分法预计程序和等值线绘制程序进行计算和处理，对今后地表有可能产生的残余沉陷变形进行预计。
分别计算了建设场地区域的地表下沉、南北方向和东西方向倾斜变形、南北方向和东西方向水平变形，并绘制了等值线图（图2）。
4.3采空区残余变形影响分析
由图2可以看出，拟建区A区全部区域皆处于采空沉陷变形影响范围内，区域地表最大下沉为280mm，南北方向最大倾斜变形为2.2mm∕m，东西方向最大倾斜变形为2.6mm∕m，南北方向最大水平变形为1.6mm∕m，东西方向最大水平变形为1.0mm∕m，处于Ⅰ级采动影响范围内；B区根据采动影响情况可划分为Ⅰ、Ⅱ区，Ⅰ区预计区域内地表最大下沉为24mm，南北方向最大倾斜变形为1.5mm∕m，东西方向最大倾斜变形为0.5mm∕m，南北方向最大水平变形为1.2mm∕m，东西方向最大水平变形0.2mm∕m，处于Ⅰ级采动影响范围内，Ⅱ区没有受到采动影响。由于本区最小采深约120m，第四系松散层厚度约81m，基岩厚度仅为39m左右，地质条件较差，且位于己组煤层露头带附近，建议拟建区A区、B-Ⅰ区谐按Ⅱ级采动影响对新建建筑物进行保护，B-Ⅱ区位于开采影响范围之外，可以根据需要自主建设。
5、采空区地基稳定性评价
地下煤层开采结束以后，当地表半年累计下沉量小于30mm，可认为地表移动期结束。
5.1覆岩破坏高度计算
煤层开采后，一般上覆岩层形成垮落带、断层带、弯曲带。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，甚至造成建筑物的破坏。
垮落断层带的发育高度，主要与开采煤层的厚度、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等有关，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采工程》，选取计算公式如下： 拟建场地开采煤层累计采厚达5.2m，垮落带最大高度为49m。拟建区内最小采深120m，所以，垮落断裂带的顶板距离地表的垂直距离为71m。
5.2建筑物荷载影响深度计算
假定整个建筑荷载作用在建筑平面大小的矩形荷载计算地基附加应力。式中竖向附加应力系数K可查表取值。地基附加应力随深度增加而减小，而地基中自重应力随深度增加而增大。计算地基附加应力相当于地基自重应力10%处深度，即建筑荷载影响深度，计算结果见表1。
经计算，A、B两区建设场地拟建5、7层住宅楼的荷载影响深度（H影）分别为20m、23m。
5.3采空区地基稳定性评价
煤层开采后，当最小采深（H临）大于垮落断裂高度（H裂）与建筑荷载影响深度（H影）两者之和时，采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动，即：
H临>H裂+H影
拟建区A区位于己组煤层采空正上方H裂=49m，拟建5、7层住宅楼的荷载影响深度（H影）分别为20、23m，两者之和分别位69m、72m，而该区域煤层最小采深为120m。因此，该区域新建7层以下住宅楼的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。
拟建区B区大部分位于煤层风氧化带正上方，只有东北角局部区域位于采空区正上方，根据是否受采动影响，B区分为B-Ⅰ区和B-Ⅱ区。根据拟建区域与地下采空区的位置关系，又可将B-Ⅰ区分为B-Ⅰ1、B-Ⅰ2两个区域，B-Ⅰ1区正下方没有采空区，不存在采动垮落断裂带，可以建设高层建筑物；B-Ⅰ2区正下方有采空区，该区域内不能建设高层建筑物，但可以建设7层住宅楼（图3）。
此外，由于擬建区域下方附近煤层斌存情况复杂，致使该区域煤层开采时残留了较多的煤柱，为了保证拟建区域地基的长期稳定性，避免地表由于再次产生较大的不均匀沉降而危及新建建筑物的安全，今后应严禁在拟建区域正下方和周围区域进行煤层的开采或复采。
5.4建筑可行性评价
拟建场地新建7层住宅楼是可行的。受到老的采空区影响，拟建场地地表今后还将产生一定量的沉降变形，因此对新建建筑物要采用能够抵抗地表残余变形的抗变形结构技术措施，以确保新建建筑物正常安全使用。
6、结论与建议
6.1结论
（1）拟建场地地貌属山前坡洪积平原，地貌类型单一，地形较平坦，地质构造简单，土体工程地质性质较差，工程水文地质条件复杂。
（2）拟建场地位于采煤塌陷区范围内，最小开采深度120m左右，累计采厚5.2m，开采时间为1957～1977年。经计算A区地表残余下沉量为280mm，处于Ⅰ级采动影响范围内；B-I区地表最大残余下沉为24mm，处于Ⅰ级采动影响范围内。考虑到拟建区内地质条件较差，建议拟建区A区、B-Ⅰ区新建建筑物按抗Ⅱ级采动影响标准采取抗变形结构技术措施。
（3）A区、B-Ⅰ2区位于己组煤层采空正上方，经计算采空区垮落断裂带的发育高度为49m，拟建5、7层建筑物荷载影响深度分别为20m、23m，两者之和为69m、72m，而该区域煤层最小采深为120m，因此A区、B-Ⅰ2区新建7层建筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。项目区A区新建7层住宅楼是可行的，但新建建筑物应采取抗变形结构技术措施。
6.2拟建工程建议
（1）新建建筑物采取的抗变形结构技术措施主要有设置变形缝；
（2）各单体体型应力求简单，避免立面高低起伏和平面凹凸曲折；
（3）建筑物的基础设置钢筋混凝土基础梁，且同一单体的钢筋混凝土基础梁应成一闭合的箍；
（4）建筑前应对地基进行处理；基础应尽可能浅埋，设置一定厚度的砂垫层或碎石垫层，在基础梁下设置水平滑动层，且同一单体水平滑动层应设置在同一标高上；设置墙壁圈梁、构造柱等加大上部结构刚度与整体性；管道间增设柔性接头。
（5）为了保证拟建工程地基的长期稳定性，今后应严禁在拟建区域正下方和周围区域进行煤层的开采或复采，避免地表由于再次产生较大的不均匀沉降而危及新建建筑物的安全。
参考文献：
[1]张俊英，王金庄；采空区地表新建建筑地基稳定性评价技术研究；[J]矿山测量，2003。
[2]井彦林，李寅良等；煤矿采空区建筑场地的稳定性分析；[J]，陕西煤炭，2002。
[3]国家煤炭工业局，建筑物、水体、铁路及主要井苍煤柱留设与压煤开采规程[S]，北京，煤炭工业出版社，2004。
[4]常士骠，张苏民，工程地质手册；北京：中国建筑工业出版社，2004。
[5]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。
[6]龙荣生.矿井地质学，北京：煤炭工业出版社，[D]，1991，
[7]王云海.铁矿区采空区勘测及其危害评价研究；[J]；中国安全生产科学技术，2005。
[8]王永申，姜升，杨凌等；煤矿采空区建筑地基应考虑的一些基本条件；[J]，矿山测量，2006。