探究采空区大型工业建筑关键理论与应用
【摘要】本文结合某煤矿企业实际案例，重点针对采空区大型工业建筑的关键理论与应用问题展开分析与探讨，采取多种技术手段，对采空区的结构现状进行了客观分析与评价，为工业建筑的建设提供了一定的意见与建议，望引起重视。
【关键词】结构;采空区;工业建筑;评价
所谓采空区是指地下固体矿床开采后所留下的空间区域，我国各个行业领域的发展中对于煤炭能源的需求是非常巨大的。在多年高速度的开发作用之下，形成了大量的采空区。矿区开采造成地表塌陷面积越来越大，为少占或不占耕地，许多矿区正在或准备在采空区地表新建建(构)筑物，由于采空区的特殊性，在采空区地表新建建(构)筑物应进行地基稳定性评价，防患于未然。在采空区上进行大型工业建筑建设作业时，必须通过对采空区破坏规律以及地表变化情况的深入分析，研究新建建筑的可行性，研究相应的加固处理方案。本文即围绕这一问题展开分析与探讨。
1、工程实例分析
以某煤矿企业工业建筑实例作为本次研究对象，根据国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)矿井所在地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组A.0.10-3(第一组)。本案例场地地势平坦，地貌单元属平原。场内地质条件较好，自然地表下30m以内的地层层位沉积年代较近，土结构性较强，土质较密实，压缩性低，强度高。本场地地基土主要由粘性土、粉土、砂土等组成。前期资料显示，本场区及附近未发现滑坡、泥石流、活动性断裂等不良地质现象，地形平坦，地基土为中硬土，建筑场地类别为Ⅱ类，为抗震有利地段，适宜工程建设。厂区内工业建筑总体积为588930.0m3，主要工业建筑及构筑物构成情况为：
1)提升系统：主井承担原煤、矸石提升任务，根据提升系统要求，采用双提升系统，天轮中心高度为63.8m，采用薄壁箱形钢井架，基础为锥形混凝土独立基础。副井承担部分提矸、下料、提升人员等任务。根据提升系统要求，天轮中心高度为40.5m，采用薄壁箱形钢井架，基础为锥形混凝土独立基础。
2)输变电系统：110kv变电所采用框架结构，钢筋混凝土独立基础。
3)供热系统：锅炉房采用框架结构，基础为独立基础;烟囱为钢筋混凝土烟囱，高度为45m。
4)通风及压风系统：通风、压风机房及瓦斯抽采泵站均采用框架结构，基础为独立基础。
2、采空区勘察分析
目前，对采空的探测，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方式为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。区在采空区基础之上新建工业建筑，勘察的重点在于评估采空区基础的稳定性以及工业建筑建设施工的适应性。稳定性分析方法包括预计法、解析法、半预测半解析法及数值模拟方法，主要通过计算地基承载力、剩余地表变形量及残留空洞的稳定性、地表破坏范围等来进行评价。
本案例中，除了针对正常的工程地质详细勘察内容以外，还参照岩土工程勘察规范中的相关要求，针对厂区建设区域内的采空区基础资料进行了收集整理，共涉及到120个钻孔检查项目，其中100个为一般性钻孔，20个为采空区钻孔，以上钻孔均跨过采空区并进入底板内。为了更加明确采空区冒落问题的空间分布情况，同时对其渗透性以及冒落程度进行科学合理的.评估，需要进一步通过进行弹性波CT层析成像测试的方式，得到相应的数据，从而总结归纳有关采空区的一般特征情况。在此基础之上，有以下几个方面的问题需要引起高度关注与重视：
2.1 地表变形
通过对本采空区相关资料的收集整理，可以了解建筑施工区域内的地层构成情况，同时得到有关矿层分布，构建层数，以及埋藏特征在内的相关信息。由于本案例中采空区是在不同时期的开采条件下所形成的，因此总结各方资料认为：本区域内的煤层开采厚度在1.5～4.0m左右，煤层上覆基岩层依次为页岩，泥岩，砂岩，以及碳质页岩，场地上覆基岩为单斜构造呈平缓褶曲。
2.2 采空区钻探
通过对本采空区内钻探资料的分析认为：由于在采空后，岩层出现明显的变形问题，因此导致上覆岩层出现一定的裂缝，钻探期间存在一定的缩颈以及掉块问题。并且，部分采空区钻孔出现了间隔性不反水的问题，该特征显示裂缝与破碎带存在一定程度上的连通局限性问题。钻探数据另一方面还能够反映采空区塌落堆积以及空化情况的具体表现，根据底板岩芯资料认为：本案例中，采空区底板的岩层结构比较稳定，且完整性好，岩石结构有轻微风化现象，最长岩芯达到1.2m，证实底板岩层的完整性佳。
2.3 弹性波CT层析成像
本案例中观察数据显示：即采空医顶板岩层中均m现了大小不一的低速区，这表明顶板岩层塌落形成的冒落带、岩石破碎带或裂缝发育带。但同时，由于上覆岩石结构的波速数值较高，因此提示岩层结构稳定性好。以91#～87#钻孔为例，跨孔CT成像如下图1所示。
图1：91#～87#钻孔跨孔CT成像示意图
3、采空区评价与建议
综合以上数据分析结果认为：对于本文所例举的工程案例而言，本采空区当前处于临界稳定状态下。但在新建建筑物的影响下，可能会导致下覆岩层结构受到较大的附加荷载作用力影响，岩体应力也会产生较大的改变。考虑到采空区内的埋藏深度较浅，冒落带有松散堆积的问题，加载后可能造成地表变形的问题，因此必须在建筑物新建前对采空区的影响问题进行处理。
目前，建(构)筑物行下采空区的处理措施主要有以下两类：
⑴地面构筑物抗变形结构设计措施，采用柔性设计原则、刚性设计原则或综合措施，以吸收和抵抗变形。
⑵采空区地基与基础处理措施，预防和控制地表残余变形的发生。此类措施可细分如下4种方法：
①全部充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用注浆填充、水力充填和风力充填等，其中以注浆法应用最广泛、效果最好。
②局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度以防止顶板的垮落，常用的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直径采用桩基法等。
③注浆加固和强化采空区围岩结构，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层裂缝，使之形式一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全。
④采取措施释放老采空区的沉降潜力法。在采空区地表未利用前，采取强制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有效大危险的地下空洞。
4、结束语
结合已有的实践工作经验来看，在采空区上新建工业建筑是一个全新的课题，本课题最大的难度在于：采空区上既有建筑物的荷载水平较大，同时受到动载以及静载作用力的影响，工程对沉降有非常敏感的要求，地质条件相对比较复杂，采空区顶板覆岩属于风化软岩，构造与性状众多。为了确保新建建筑物结构的稳定，同时确保其结构耐久性以及使用寿命能够满足设计要求，就需要在工业建筑的建设前，采取各种技术手段与方法，针对采空区的地质、地形情况进行综合分析，以做出对采空区结构现状的真实性评价，为后续工作提供指导。
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