采空区地基稳定性评价报告

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 序号 设备名称 数量 设备外形尺寸 长×宽×高（mm） 重量（单台）（吨） 备注 1 煤浆给料泵 3 5500×4600×3000 26 2 循环气压缩机 1 5400×3400×3600 19.5 3 煤浆磨机 2 12500×3600×4000 25 4 汽化炉 3 Φ2900×14000 280×4 5 碳洗涤塔 3 Φ2400×18000 73.5 6 甲醇洗涤塔 1 Φ3100×52000 320 操作重量 7 H2S洗涤塔 1 Φ3200×48000 85 8 热再生塔 1 Φ3200×26000 50 9 甲醇合成塔 2 Φ4094 H=11859 375 操作重量 10 预精馏塔 Φ2800×38000 11 加压精馏塔 1 Φ2200×47000 12 常压精馏塔 1 Φ3200×53000 13 空压机 1 24000×12000 150 14 冷箱 Φ4200×72000 上塔：120下塔：240 15 澄清槽 Φ19000×5600 1645 注：以上这些设备的基础全部打桩，全部为钢筋混凝土基础。 表1-1 主要建、构筑物一览表 序号 建、构 筑 物 名 称 平面尺寸 WxL(m) 建筑面积 (m2) 占地面积 (m2) 层数 建筑高度 （m） 结构形式 备 注 1 空压机厂房 24×96 4608 10000 2 18 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 2 磨煤厂房 34×24 1632 1700 2 22 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 3 气化框架 34×10.5 2499 3600 7 39 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 4 灰水处理设备框架 12×18 864 3200 4 22 钢框架 占地面积含室外设备 5 过滤机厂房 18×12 432 216 2 12 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 6 变换 3200 占地面积含室外设备 7 热回收 12×24 864 288 3 10.8 钢框架 占地面积含室外设备 8 脱硫脱碳设备框架 398 201 2、3 10 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 9 硫回收设备框架 10×10 260 100 3 8 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 10 硫回收切片机 30×20 1200 600 2 12 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 11 甲醇合成厂房 54×19.45 2100．6 1050.3 2 18 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 12 甲醇合成设备框架 121．6 121.6 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 13 甲醇精馏泵房 9×37.5 337．5 337.5 1 5 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 14 甲醇精馏设备框架 9×37.5 337．5 337.5 1 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 15 冷冻站 18×32 1152 1600 2 18 钢筋混凝土排架 占地面积含室外设备 16 产品罐区 150×60 9000 9000 钢筋混凝土 占地面积含室外设备 17 产品罐区泵房、操作间 6×32 192 192 1 5 砖混 占地面积含室外设备 18 火车灌装站台 2.5×144 720 360 2 5 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 19 汽车灌装站台 4.5x16.5 148.5 74.25 2 5 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 20 控制室 15×32 1440 480 3 14 砖混 占地面积含室外设备 21 锅炉房 112×48 5000 5376 3 35 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 22 150米烟囱 (φ3.米） 钢筋混凝土 占地面积含室外设备 23 脱盐水站 64×50 1212 3200 1 9.5 钢筋混凝土框架 占地面积含室外设备 24 煤运系统： （1）卸煤间 9×36 670 350 2 8.3 钢筋混凝土框架 煤筒仓 φ15×78 3510 1170 4 43.5 钢筋混凝土框架 破碎楼 10×10 300 100 3 15 钢筋混凝土框架 转运站 6×9 108 54 2 钢筋混凝土框架 6.5×9.5 124 62 2 8 钢筋混凝土框架 6×6 72 36 2 30 钢筋混凝土框架 输煤栈桥 4.8×70 336 336 1 钢筋混凝土框架 4.8×121.5 584 584 1 钢筋混凝土框架 4.8×56.5 271.2 271.2 1 钢筋混凝土框架 4.8×120 96 576 1 钢筋混凝土框架 25 加压站： 加压泵房 20×8 160 160 1 6 砖混 半地下式 26 循环水池8000m3 221x20.3x2.6 4500 钢筋混凝土 27 给水站3800 m3 42x20 840 1 6 钢筋混凝土 28 泡沫泵房 8×16 128 128 1 5 砖混 29 喷淋循环水： 水池5500 m3 20×16 320 钢筋混凝土 30 (1)污水站 初期雨水池600m3 15x10 150 钢筋混凝土 (2)污水处理站 处理池3000m3 33x20 660 1 6 钢筋混凝土 31 气化变电所 9x36 324 在总变 1 4.5 钢筋混凝土框架 32 甲醇变电所 8x16 128 128 1 4.5 钢筋混凝土框架 33 锅炉变电所 锅炉房内 1 4.2 钢筋混凝土框架 34 循环水变电所 9x30 270 270 1 4.5 钢筋混凝土框架 35 总变电所 12x50 1200 600 2 9 钢筋混凝土框架 36 机修车间 30x15 450 450 1 7.5 钢筋混凝土框架 37 电仪修楼 24x40 2880 960 3 10.4 砖混 38 综合仓库 15×48 2160 720 3 18 钢筋混凝土框架 39 硫磺及化学品库 9×18 162 162 1 6 钢筋混凝土排架 40 厂综合办公楼 15×32 2400 480 5 12 砖混 合计 50851.9 59301.35 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。16上煤层厚0.99m，17煤层厚1.01m，16上和17煤层为主采煤层，全区可采，18上层煤为局部可采煤层。 石炭系本溪群，一般厚49.67m，本组为浅海及过渡相沉积。 奥陶系中、下统，厚450～750m。 图2-1为唐1钻孔柱状图，该钻孔位于拟建区域内，第四系厚18m，其下有细砂岩、粘土岩、细、粗、粉砂岩及石灰岩等组成，煤16下层深139.58m，煤17层深144.39m，整个煤层上覆岩层岩性属中硬型。 位于拟建区域南部的唐2钻孔（图2-2），第四系厚20.3m，煤16上深109.64m，煤17深125.54m。 2、构造 xx井田位于x州向斜的南翼浅部东端，地层走向近东西、向北倾斜的单斜构造，倾角3°～9°，平均6°。在峄山断层和一号井东断层之间地堑区以及一号井东断层西侧，局部倾角达20°。井田西部为浅状起伏和宽缓褶曲，地层产状平缓。在东部峄山支二断层和一号井东断层之间地堑区及一号井东断层西侧400～800m范围内属褶曲发育区。 本井田内断层分二组：一是北东东向的逆断层组；二是近南北的正断层组。逆断层组主要分布发育在南部和西部边缘，位于拟建区域南侧的xx断层是该区域唯一大断层，为逆断层，走向北60°～75°东，倾向NW，倾角30°～45°，落差30～50m，延展长度达4000m。 拟建区域除xx断层外没其它大型构造，条件简单。 3、开采情况 本区域仅开采了16上煤层和17煤层，16上煤层平均厚0.99m，结构简单；17煤层平均厚1.01m，结构简单；16上煤层距17煤层13.25m。 图2-3、2-4分别为拟建区域16上、17煤层开采情况平面图，大部分为1968～1973年左右开采的，附近区域最早也有1959年开采的，最晚也有1990年开采的。采用走向长壁开采方式，全陷法管理顶板。拟建区域范围内最小采深105m（位于场地南部），最大采深160m（位于场地北部）。 三、采动影响与建（构）筑物破坏关系 图3-1 地表移动盆地示意图 1、地表移动与变形 煤层开采后，采空区上覆岩层产生垮落带、断裂带、弯曲带，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，如图3-1所示。描述地表移动盆地内移动和变形的指标是下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形等。下沉盆地内任一点的地表移动过程可分为三个阶段：初始期、活跃期和衰退期。一般规定衰退期从活跃期结束时开始，到六个月内下沉值不超过30mm为止。在按照规程规定的“移动稳定”后，实际上地表还有少量残余下沉量，这个残余下沉量将持续相当长一段时间，与开采深度、覆岩性质、顶板管理方法等有关。在老采空区上方新建建（构）筑物时，应根据开采结束时间，估计残余下沉的影响。 2、地表移动与变形对建（构）筑物的影响 地下开采引起的地表移动和变形，对座落在影响范围内的建（构）筑物将产生影响，这种影响一般是由地表通过建（构）筑物的基础传到建（构）筑物上部结构的。在不同的地表变形及大小作用下，对建（构）筑物将产生不同的影响效果。 （1）地表下沉和水平移动对建（构）筑物的影响 地表大面积、平缓、均匀的下沉和水平移动，一般对建（构）筑物影响很小，不致引起建（构）筑物破坏，故不作为衡量建（构）筑物破坏的指标。如建（构）筑物位于盆地的平底部分，最终将呈现出整体移动，建（构）筑物各部件不产生附加应力，仍可保持原来的形态。但当下沉值很大时，有时也会带来严重的后果，特别是在地下水位很高的情况下，地表沉陷后盆地积水，使建（构）筑物淹没在水中，即使其不受损害也无法使用。非均匀的下沉和水平移动，对工农业和交通线路等有不利影响。 (2)地表倾斜对建（构）筑物的影响 移动盆地内非均匀下沉引起的地表倾斜，会使位于其范围内的建（构）筑物歪斜，特别是对底面积很小而高度很大的建（构）筑物，如水塔、烟囱、高压线铁塔等，影响较严重。 倾斜会使公路、铁路、管道、地面上下水系统等的坡度遭到破坏，从而影响它们的正常工作状态。倾斜变形还使设备偏斜，磨损加大或不能正常运转。 (3)地表曲率变形对建（构）筑物的影响 曲率变形表示地表倾斜的变化程度。建（构）筑物位于正曲率(地表上凸)和负曲率(地表下凹)的不同部位，其受力状态和破坏特征也不相同。前者是建（构）筑物中间受力大，两端受力小，甚至处于悬空状态，产生破坏时，其裂缝形状为倒八字，后者是中间部位受力小，两端处于支撑状态，其破坏特征为正八字形裂缝。 曲率变形引起的建（构）筑物上附加应力的大小，与地表曲率半径、土壤物理力学性质和建（构）筑物特征有关。一般是随曲率半径的增大，作用在建（构）筑物上的附加应力减小；随建（构）筑物长度的增大、底面积增大，建（构）筑物产生的破坏也加大。 (4)地表水平变形对建（构）筑物的影响 地表水平变形是引起建（构）筑物破坏的重要因素。特别是砖木结构的建（构）筑物，抗拉伸变形的能力很小，所以它在受到拉伸变形后，往往是先在建（构）筑物的薄弱部位(如门窗上方)出现裂缝，有时地表尚未出现明显裂缝，而在建（构）筑物墙上却出现了裂缝，破坏严重时可能使建（构）筑物倒塌。拉伸变形能把管道和电缆拉断，使钢轨轨缝加大。压缩变形则能使建（构）筑物墙壁挤碎、地板鼓起，出现剪切或挤压裂缝，使门窗变形、开关不灵等。 水平变形对建（构）筑物的影响程度与地表变形值的大小，建（构）筑物的长度、平面形状、结构、建筑材料、建造质量、建筑基础特点，建（构）筑物和采空区的相对位置等因素有关。其中地表变形值的大小及其分布，又受开采深度、开采厚度、开采方法、顶板管理方法、采动程度、岩性、水文地质条件、地质构造等因素的影响。 地表水平变形对甲醇厂的设备影响很大。由于独立设备基础面积较小，刚度较大，水平变形对其影响不大，但对具有两个或两个以上相互独立基础的设备危害很大，水平变形能使其两个独立基础之间的距离拉长或缩短，从而使设备不能正常运转，甲醇厂的大多数建（构）筑物都是由两个或两个以上独立基础支撑的，因此，水平变形对甲醇厂设备影响很大。 3、建（构）筑物破坏与地表变形的关系 地表变形使建（构）筑物的基础及其结构产生附加应力，从而使建（构）筑物遭受到某种程度的损害。建（构）筑物受开采影响的损害程度取决于地表变形值的大小和建（构）筑物本身抵抗采动变形的能力。对于长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构建（构）筑物，其损坏等级划分见表3-1。其它结构类型的建（构）筑物参照表3-1的规定执行。 表3-1 砖混结构建筑物损坏等级 损坏 等级 建筑物损坏程度 地表变形值 损坏 分类 处理 方式 水平变形 ε(mm/m) 曲率 k(10-3/m) 倾斜 (mm/m) Ⅰ 自然间砖墙上出现宽度1～2mm的裂缝 ≤2.0 ≤0.2 ≤3.0 极轻微损坏 不修 自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于10mm 轻微损坏 简单 维修 Ⅱ 自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于30mm，钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长；门窗略有歪斜 ≤4.0 ≤0.4 ≤6.0 轻度损坏 小修 Ⅲ 自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于50mm，钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；砖柱上出现小于5mm的水平错动；门窗严重变形 ≤6.0 ≤0.6 ≤10.0 中度损坏 中修 图3-2 建(构)筑物长度与地表变形的关系 Ⅳ 自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝；多条裂缝总宽度大于50mm；梁端抽出小于60mm；砖柱出现小于25mm的水平错动 ＞6.0 ＞0.6 ＞10.0 严重损坏 大修 自然间砖墙上出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝，以及严重外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通；梁端抽出大于60mm；砖柱出现大于25mm的水平错动；有倒塌危险 极度严重损坏 拆建 建（构）筑物的损害程度与其长度有很大的关系，见图3-2所示，相同地表变形值作用下，当建（构）筑物长度增大后，其损害程度是相应增大的。 4、断层对地表移动与变形的影响 断层对地表移动与变形产生影响的原因在于断层带处岩层的力学强度大大地低于周围岩层的力学强度。由于应力的集中作用，故使该处成为岩层变形集中的有利位置，地下煤层开采后，在上覆岩层发生移动与变形的同时，岩层还沿着断层面发生滑动，于是在断层露头处的地表就出现台阶状的破坏。同时，由于断层的变形集中作用，也使盆地内移动与变形的正常分布发生改变。在断层露头处的地表变形加剧，大大地超过了正常值。位于断层露头两侧附近的地表变形变得缓和，小于正常值。 为此，在建筑物平面布置时，重要建筑物应尽量避开断层露头带。拟建区域南侧存在王炉断层，走向北60°～75°东，倾向NW，倾角30°～45°，断层露头距离拟建区域较远，因此对新建甲醇厂影响不大。 四、地表残余沉陷变形计算 拟建甲醇厂的重要建（构）筑物布置在xx煤矿工业广场留设煤柱之上，其他建（构）筑物布置在工业广场周围的采空区之上。该区域地下老采空区开采时间为1968～1973年，开采煤层有16和17层2层煤，采深110～160米，总采厚2米左右。根据开采沉陷规律，煤层开采后在相当长时间内地表仍会有少量残余沉陷变形发生；此外，由于采空区残留煤柱较多，今后在外在因素（如地震、采空区水位变化等）的影响下有可能致使这些煤柱失稳破坏，造成地表再次发生不均匀沉降，而这些残余沉陷变形虽小但且会对新建（构）筑物产生不利影响，所以，必须对地表残余沉陷变形进行计算。 计算采用我国常用的概率积分法，根据采空区回采情况，考虑覆岩岩性，参照有关矿区经验，选取计算参数如下： 下沉系数：q＝0.05 水平移动系数:b＝0.3 主要影响角正切：tgβ＝2.0 开采影响传播系数：k＝0.65 拐点偏移系数：s/H＝0.05 利用计算机对今后拟建区域老采空区地表可能产生的残余沉陷变形进行了计算。图4-1～图4-5分别为拟建区域老采空区地表残余下沉、倾斜变形（东西方向和南北方向）、水平变形（东西方向和南北方向）等值线图。从等值线图上可以看出，老采空区的残余沉陷变形会影响大多数新建建（构）筑物，沉陷变形值虽不大，但却会对新厂区域内对沉陷非常敏感的建（构）筑物产生不利影响。 五、采空区残余沉陷影响评价 从等值线图4-1—图4-5可以看出，新建甲醇厂区域内地表最大下沉值100mm，东西方向地表最大倾斜变形值为1.4mm/m，南北方向地表最大倾斜变形值为1.6mm/m，东西方向地表最大水平变形值为0.8mm/m，南北方向地表最大水平变形值为1.2mm/m。 处于工业广场煤柱之上的空分，脱硫、脱碳及甲醇，总变电所和热电等基本上不受老采空区的残余沉陷影响，这些位置建（构）筑物可以按正常情况设计。 灰水处理、变换处的地表残余下沉值为0—95mm，最大倾斜变形值1.4mm/m，最大水平变形值0.7mm/m。残余沉陷变形可能会对其产生一定影响，会使其产生轻微损坏。 气化处的地表残余下沉值为0—65mm，最大倾斜变形值1.1mm/m，最大水平变形值0.8mm/m。残余沉陷变形可能会对其产生一定影响，会使其产生轻微损坏。 洗煤，破碎、磨浆，污水处理，甲醇装车站台等处区域的地表残余下沉值为0—100mm，最大倾斜变形值1.2mm/m，最大水平变形值1.2mm/m。残余沉陷变形可能会对其产生一定影响，会使其产生轻微损坏。 循环水系统、脱盐水站、柴油及易燃品罐区、净水站等处区域的地表残余下沉值为0—100mm，最大倾斜变形值1.5mm/m，最大水平变形值0.8mm/m。残余沉陷变形可能会对其产生一定影响，会使其产生轻微损坏。 检修车间、综合仓库、电仪修、化学贫库、消防水系统及加压站等处区域的地表残余下沉值为0—100mm，最大倾斜变形值1.6mm/m，最大水平变形值1.2mm/m。残余沉陷变形可能会对其产生一定影响，会使其产生轻微损坏。 汽车衡、倒班宿舍、食堂、综合楼等处区域的地表残余下沉值为0—100mm，最大倾斜变形值1.2mm/m，最大水平变形值1.2mm/m。残余沉陷变形可能会对其产生一定影响，会使其产生轻微损坏。 整体来看，除位于工业广场煤柱之上的空分、甲醇等少数建（构）筑物基本上不受老采空区的残余沉陷影响外，其他均或多或少要受到老采空区的残余沉陷变形影响。从最大倾斜变形值为1.6mm/m、最大水平变形值为1.2mm/m来看，残余沉陷变形影响较轻微，按表3-1的损坏等级划分属于Ⅰ级，也仅为轻微损坏，只要对这部分新建建（构）筑物采取简易抗变形结构措施即能保证安全。 六、采空区地基稳定性评价 拟建厂址一部分区域为xx煤矿的工业广场，一部分为工业广场周围的采空区，该区域地下老采空区开采时间大部分为1968～1973年，开采煤层有16和17层2层煤，采深110～160米，总采厚2米左右。 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，当地表半年累计下沉量小于30mm，此时可认为地表移动稳定。当在此采空区地表不进行大规模工程建设时，地表会一直保持这种稳定状态。但若在此采空区上地表新建建（构）筑物，由于新建建（构）筑物的荷载向地下有一定影响深度，当这个深度与地下采空区的垮落带、断裂带相交叠时，就会破坏垮落断裂带业已平衡状态，而使覆岩重新发生较大的移动变形。 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，甚至造成建筑物的破坏。 垮落断裂带的发育高度，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规程》，选取计算公式如下： 式中：∑M——每个煤层的累计采厚，m。 由于该区域开采2个煤层，2个煤层的开采厚度相差不大，因此仅计算上煤层的垮落断裂带的发育高度即可。这里取上煤层的开采厚度1.0m，代入公式计算得H裂=30m。由计算结果可知，垮落断裂带的最高发育高度位于16上煤层之上30m。 2、建（构）筑物荷载影响深度计算 建（构）筑物的建造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。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（H影）。 地基中自重应力用下式计算： 式中：r1、r2、…、rn——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。 该区域第四系表土层厚取20m，表土层计算容重取20kN /m3，以下岩层计算容重取25kN /m3。 地基附加应力按下式计算： σZ=kP0 式中： k——各种荷载（矩形、方形、条形荷载等）下的竖向附加应力系数； P0——作用于基础底面平均附加压力，kN/ m2； P0= P - r0D P——建（构）筑物基础底面处竖向均布荷载，kN/ m2； r0——基础底面标高以上天然土层的容重，r0=20kN/ m3； D——基础埋深，m。 拟建工程中，气化炉单位面积荷重最大（约42t/m2)，气化框架平面尺寸为34×10.5m2，整个框架平面内单位面积荷重考虑为300kN /m2(约30t/m2)；产品罐区建筑平面尺寸最大（约150×60m2)，单位面积荷重考虑为200kN/m2。由于尚没有进行地基工程勘察，基础埋置深度没法确定，根据类似工程经验一般采用桩基础，假设桩基埋深20m。 分别以气化框架、产品罐区建筑作为计算对象，假定整个建筑荷重作用在给出的平面尺寸的矩形基础上，按最不利情况考虑，基础假定为桩基，单位面积建筑荷重作为作用于基础底面（20m深处）平均附加压力，按均布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，计算见表6-1、表6-2。需要说明的 表6-1 气化框架建（构）筑物荷载影响深度计算表 深 度 （m） 附 加 应 力（kN/m2） 自 重 应 力（kN/m2） 基底下深度 地面下深度 0 20 300 400 10 30 159 650 15 35 106 775 18 38 88 850 20 40 74 900 是，地基附加应力是从基础底面算起的，地基自重应力是从地面算起的，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，即为建筑荷载影响深度，此处气化框架、产品罐区的建（构）筑物荷载影响深度分别为39m、60m（从地面算起）。考虑一定的安全系数，拟建工程新建建（构）筑物的荷载影响深度取60m，也即：H影=60m。 表6-2 产品罐区建（构）筑物荷载影响深度计算表 深 度 （m） 附 加 应 力（kN/m2） 自 重 应 力（kN/m2） 基底下深度 地面下深度 0 20 200 400 10 30 196 650 20 40 183 900 30 50 162 1150 40 60 139 1400 3、采空区地基稳定性 煤层开采后，采空区垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动时，最小采深（H临）应该大于垮落断裂带高度（H裂）与建筑荷载影响深度（H影）两者之和，即： H临>H裂＋H影 当实际采深大于H临时，建筑荷载不会使垮落断裂带重新移动；当实际采深小于H临时，覆岩和地表会再次发生较大的不均匀移动。 根据前面计算，H裂=30m，拟建工程新建建（构）筑物的荷载影响深度H影=60m，两者之和为90m，而该区域煤层开采深度为105～160m，即最小采深为105m。因此，拟建工程新建建（构）筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。 以上是依据产品罐区平面尺寸150×60m2，单位面积荷重考虑为200kN/m2作为计算基础，若建筑基础平面尺寸增大、或单位面积建筑荷重增大，则建筑荷载影响深度也相应增大。拟建工程区域最小采深为105m，为了使新建建（构）筑物荷载不致引起采空区再次发生较大不均匀沉降，考虑基础面积仍为150×60m2，深基础仍为20m的前提下，再考虑一定的安全系数，则拟建工程区域内单位面积建筑荷重不得大于280kN/m2(约28t/m2)；如果基础面积为90×30m2，则拟建工程区域内单位面积建筑荷重不得大于500kN/m2(约50t/m2)。当荷载比之大时，新建建（构）筑物的建筑荷载可能使采空区再次发生较大不均匀沉降，对新建建（构）筑物的保护不利，应对地下采空区进行注浆处理或加大建（构）筑物的抗变形结构技术措施。 七、建筑可行性评价 随着矿区经济建设的发展，许多矿区在采煤塌陷区地表进行了建筑开发利用，如平顶山、开滦、本溪、阳泉、晋城、潞安等矿区。在采空区上方建有住宅楼、办公楼、大型工业厂房等，只要合理地采取技术措施，均能确保建（构）筑物安全正常使用。我国从1978年首次提出并经试验成功的采动区抗变形结构建筑技术，经二十多年的发展和推广，在全国许多矿区已兴建近百万平方米的抗变形建（构）筑物，经受了各种采矿地质条件的采动影响考验，取得了显著的经济和社会效益。 1、实例 （1）资江采动区建筑实例 在资江煤矿采动区上建起36栋2～5层砖混结构抗变形建筑群，包括招待所、办公楼、家属住宅楼等，建筑面积达24586 m2 。井下开采了三个煤层24个工作面，总采厚为4.1m，煤层倾角24°，采深为120～230m。地表最大下沉达2843mm，最大倾斜36.0mm/m，最大正曲率0.7×10-3/m，负曲率0.9×10-3/m ，最大水平拉伸变形16.5mm/m，水平压缩变形25.9 mm/m，该建筑群经受了剧烈的长期采动影响，抗变形建筑物没有出现明显的采动破坏，实践 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了抗变形技术措施可靠。该项技术先后在阳泉、平顶山、铁法、七台河、南桐、攀枝花、徐州、邢台、霍州等矿区推广应用，现在采动区抗变形建筑技术已日臻完善。 （2）本溪重型汽车制造厂后桥加工车间建设实例 后桥加工车间由主厂房、生活间、锅炉房组成，占地面积3244m2，主厂房为78m×36m，生活间为36m×8.1m，主厂房为两跨，柱网为6m×18m，柱顶标高10.5m，生活间采用砖混结构，四层建筑。厂下为本溪采屯煤矿开采区，采深超过800m，经多方调研、论证，采取了厂下压煤限厚开采，厂房建筑物按级临界变形值进行抗变形结构设计的综合保护 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，按整体柔性、局部刚性的抗变形设计原则，把主厂房与生活间分开，主厂房与生活间各切成两段，加强各分割单元刚度与强度，各分段柱基间要加底梁，呈封闭状，加设基础梁与基础联系梁，采用钢筋砼屋架、钢筋砼柱子等措施，有利于承受不均匀沉降，增强抵抗地表变形的能力。实践表明，抗变形措施得当，新建厂房经受了地下煤层的开采影响。没有出现明显的破坏现象。 （3）南桐特种水泥厂建设实例 南桐矿务局新建九龙特种水泥厂是一个设计生产能力30万吨，采用湿式生产的大型特种水泥厂，厂区占地9.45公顷，水泥厂下为南桐煤矿开采区，压有三个可采煤层，总厚4.7m，倾角35°，开采深度760m，上覆岩层有多层灰岩，比较坚硬。为了减小地面变形，井下采取了措施，提出了三个方案可供选择：第一为大条带开采，第二为超宽条带开采与覆岩内注浆，第三为水泥厂下留500m中心煤柱与两侧覆岩注浆。要求采后地表最大下沉为100～300m，最大倾斜为3mm/m，水平变形为3mm/m。 在控制地表采动沉陷变形的基础上，厂区建（构）筑物采取了保护措施，即采用刚性措施和柔性措施相结合的方法，设变形缝、水平滑动层，加基础联系梁、构造柱及上部圈梁，使建（构）筑物能够抵抗水平变形小于6mm/m的采动影响。对于大型设备，主要采用将基础连成一个整体的方法进行保护，对于基础不能连成一体的或小型设备，采用调节的方法进行保护。 （4）平煤集团乐福新村建筑实例 平煤集团在二矿1960～1984年开采的老采空区上方新建乐福新村，占地16公顷，共兴建59栋（5、6层）住宅楼，还有新村 小学 小学生如何制作手抄报课件柳垭小学关于三违自查自纠报告小学英语获奖优质说课课件小学足球课教案全集小学语文新课程标准测试题 、幼儿园、门诊部、中心公园等公用设施，于1992年10月开工，1998年全部建成。住宅楼均为砖混结构，设置了钢筋混凝土圈梁和构造柱，结构整体性好。然而有部分住宅楼在其窗台下部相继出现了不同程度的墙体裂缝。 新村下方从1960年到1984年先后开采了4个煤层，累计采厚6.7m，煤层倾角13°左右，开采深度60～230m，采煤方法均为炮采，长壁工作面，全陷法管理顶板。按岩移理论，1992年开始建房时已经采后8年，地表应该稳定了。 分析住宅楼开裂原因，发现受损住宅楼多位于老采空区开采上限边界附近，采深较浅，由于建筑物的兴建，建筑物荷载一方面使上覆岩层进一步压实，另一方面建筑物荷载逐渐传递至老采空区，使残留煤柱失稳垮落，从而产生地表残余沉陷变形。住宅楼虽增设了圈梁、构造柱，具有一定的抗变形能力，但没能按可能发生的沉降变形量的大小进行住宅楼抗变形设计，造成了住宅楼开裂破坏。 （5）开滦塌陷区地面建筑实例 开滦矿区可采煤层多，煤层开采总厚度达10m以上，地表下沉量大，随着矿区建设发展，老采空区上方建设了工业厂房、住宅楼等，塌陷区新建建筑物占地面积约3.77km2，采取的主要原则及措施是： （1）重要性建筑物、深度较小条件下 开滦矿区在二、三十年代开采的塌陷区内，建筑主要的工业厂房或高层住宅楼时，先勘测老采空区的垮落压实状况，这些已开采60年以上的塌陷区，一般深度小于200m，采煤方法为落垛式，残留煤柱较多，不易垮落压实。如林西新建电厂与赵各庄坑口电站的地址，地面打钻证明，老采空区内存在0.2～0.4m高的空洞，在此情况下，需要打钻注粉煤灰或水泥砂浆充填加固，确保在建筑物荷载作用下岩层不再活化移动，保证建筑物安全。 （2）二、三层楼房、采深较大条件 唐家庄矿17、18号小区楼群、唐山矿长青楼群、吕家坨矿医院以南居民楼等，大多为二、三层楼房，建于已开采20年以上的塌陷区上，一般限制建筑物长轴不超过30m，长轴平行于煤层走向方向，采取抗变形结构措施，经过10年的使用，没发现楼房有任何破坏。 （6）长治新建100万吨/年矿渣水泥工程实例 长治钢铁（集团）有限公司，在屯留县金家庄村附近建设100万吨/年矿渣水泥工程。新建厂址东西长约400m，南北长约350m，占地面积13.83公顷。此区域处于潞安矿务局王庄煤矿的采掘范围内，其下主采3#煤层，煤层厚度为6～7m，该区域煤层已于1981～1996年开采过。在这样的条件下，为了确保新建厂区建（构）筑物的安全，长治钢铁（集团）有限公司委托xx研究所对该场地进行了地基评价。 评价认为：该区域新建100万吨／年矿渣水泥工程是可行的，由于老采空区对拟建工程有轻微影响，因此对影响到的数栋建（构）筑物要采取一定的抗变形技术措施。 2002年5月完成采空区地基稳定性评价报告，2002年9月开始施工，2003年底施工结束，现已投入生产，一切运行正常。 2、建筑可行性评价 从国内众多矿区采动区、采空区地面建筑实例来看，该区域新建50万吨/年甲醇厂是可行的，由于受老采空区的影响，拟建区域地表今后还将产生一定量的残余沉陷变形，部分新建建（构）筑物受地表残余沉陷变形影响，要产生Ⅰ级轻微损坏和Ⅱ级轻度损坏，因此对影响到的部分新建建（构）筑物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。 通过地基稳定性分析，为了确保新建甲醇厂内建（构）筑物的安全，考虑基础面积为150×60m2，深基础为20m的前提下，再考虑一定的安全系数，原则上拟建工程区域内单位面积建筑荷重不得大于280kN/m2(约28t/m2)；如果基础面积为90×30m2，则原则上拟建工程区域内单位面积建筑荷重不得大于500kN/m2(约50t/m2)。当荷载比之大时，应对地下采空区进行注浆处理或加大新建建（构）筑物的抗变形结构技术措施。 拟建工程大型建（构）筑物荷载对地下巷道影响轻微，巷道不会因新建工程而破坏。该区域无断层及不良地质体存在，未发现不良地质现象，因此不存在不良地质构造对拟建工程的影响问题。 八、建筑技术措施 新建甲醇厂的建（构）筑物将受老采空区的残余影响，可能产生一定程度的损坏，因此新建建（构）筑物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，才能确保新建建（构）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，刚柔措施相结合，使抗变形结构建（构）筑物能够经受各种采动（空）沉陷变形的作用而不破坏。对影响到的建（构）筑物可采取下述措施予以保护。 （1）变形缝 变形缝是设计采动区建（构）筑物时采用的基本措施之一，是保护采动区建（构）筑物免受损坏，经济而有效的方法。当建（构）筑物平面形状为L形时，地表变形可能使其平面转折处产生应力集中而破坏，因此在转折处宜设置变形缝。另外，采动区建（构）筑物附加轴力与建（构）筑物长度成正比，因此减小建（构）筑物单体长度是降低附加内力值最有效的方法。当建（构）筑物立面各部分参差不齐，荷载变化较大处也应切割变形缝。一般地，当地表水平变形值小于3mm/m时，建（构）筑物单体长度以小于30m，最大不超过35m为宜。变形缝应从基础至屋顶全部分开，被变形缝分开的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。 （2）基础 由于该区域曾经受过地下采煤的影响，地表可能产生了一些采动裂缝，因此建筑前应对地基进行处理，以提高地基的承载能力及改变地基变形性态。可采用表层压实法，强夯法，这些方法在采空区地表已广泛应用。 采动影响的建（构）筑物基础，不仅向地基传递竖向荷载，还要承受由于地表水平变形作用而产生的水平荷载，并且要部分地用于承受作用于建（构）筑物竖面内的弯矩和剪力。因此，要尽可能地提高基础的强度和刚度，如尽可能做成整体基础；采用独立基础的建（构）筑物，应采用钢筋混凝土联系梁把同一单体内的独立基础连成一体，以防止各独立基础独立移动；采用桩基础的，应在桩顶设置整体承台梁；采用墙下条形基础的建（构）筑物，应布置成纵横交叉的十字形，并在基础的上部设置钢筋混凝土基础圈梁，要求同一单体钢筋混凝土基础圈梁成一个闭合的箍。联系梁、承台梁、钢筋混凝土基础圈梁等的配筋要按地表残余变形值的大小计算配置。 在满足承载力前提下，基础应尽可能浅埋，为防止基础下产生集中变形，可以在基础下加砂垫层、碎石垫层等。在基础与上部结构间设置水平滑动层，且同一单体水平滑动层设置在同一标高上。 （3）上部结构 砖混结构建筑物为增加其整体刚度，提高抵抗地表变形的能力，要设置基础圈梁、构造柱、中间圈梁、檐口圈梁等。以基础圈梁、构造柱、中间圈梁、檐口圈梁组成的上部结构空间骨架体系，可以有效地抵抗地表变形作用在砖混结构建筑物上的采动附加应力。 框架结构建筑物的框架柱、主梁、次梁及基础梁组成了空间骨架体系，能够有效地抵抗地表变形的影响。 根据地表变形值的大小，相应增大上部结构的强度和刚度，除应满足当地抗震设防烈度要求外，墙壁圈梁、构造柱设置的位置、数量、断面大小及配筋量均应按给出的地表残余变形值大小计算确定。圈梁应在同一水平形成闭合系统，不被门窗洞口切断。砖墙的标号不低于ＭU7.5，砂浆标号不低于Ｍ5，且构造柱与墙体间应加设拉结钢筋。门窗洞口上方要采用钢筋混凝土过梁。 采动（空）区建筑物的楼、屋面应尽可能采用整体现浇钢筋混凝土板，楼、屋面板应与墙壁的钢筋混凝土圈梁同时浇捣，使两者为一体。 （4）设备 设备基础应做成整体基础，整体基础强度和刚度都比较大，水平变形对其影响较小。对倾斜变形的影响，采用地脚螺栓增加或减少垫圈或垫铁的方法进行调整，安装时将地脚螺栓预留出调整量。 （5）管道 开采沉陷使管道产生附加作用力的原因有三个：首先是地表水平变形引起土壤沿管道表面的相对移动所产生的挟持作用；其次是地表不均匀下沉产生的地表曲率变形，引起管道竖直面内产生弯矩；再次是地表沿管道横向的不均匀水平移动，使管道在水平面内产生弯矩。采动影响的主要表现是管道坡度的变化、管道接头脱开、管道的集中弯曲变形以及管道的断裂等现象。 地面敷设和架空的管道保护措施比较简单，可将原有的固定支座改为铰支座，调整管道支座的高度，以恢复原设计坡度。管道穿墙或基础时，应在墙上或基础上凿出直径为（D+120）mm的孔洞，以使管道和墙壁或基础之间可以相对移动。 地下管道的保护措施包括：1、管道外挂沥青层和外填炉渣层（在管道上外挂沥青玻璃纤维隔层，管道四周回填炉渣，这能十分有效地降低管道在土壤中的摩擦力）；2、挖管道沟（将管道架设在管道沟内，管道沟可用砖砌筑，上面用盖板覆盖，支座做成铰支座，可以调节管道的坡度）；3、设置补偿器（利用补偿器的可伸缩性，吸收地表变形引起的管道拉伸和压缩，以达到减少作用于管道上的附加纵向应力，防止管道产生破坏）。 九、主要结论 依据国家煤炭工业局制定的《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6月）第38条，在开采沉陷区上方兴建建（构）筑物时，应对地基的长期稳定性进行评价。依据该规程附录四，计算了采空区地表残余沉陷变形值。依据该规程的第27条、第35条、第36条、第38条等分析了新建建（构）筑物受残余变形的影响程度，并提出了应采取的建（构）筑物保护技术措施。主要结论如下： 1、x矿集团拟在xx煤矿工业广场区域新建一座50万吨/年的甲醇厂，占地面积900余亩。拟建区域利用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煤柱之上，其他建（构）筑物布置在工业广场周围的采空区之上。该区域地下老采空区开采时间大部分为1968～1973年，开采煤层有16和17层2层煤，采深110～160米，总采厚2米左右，地质条件比较简单。评价认为：该区域新建50万吨/年的甲醇厂是可行的，但对采空区影响到的部分新建建（构）筑物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。 2、经计算，拟建甲醇厂区域除位于工业广场煤柱之上的空分，脱硫、脱碳及甲醇，总变电所和热电等少数建（构）筑物基本上不受老采空区的残余沉陷影响外，其他均或多或少要受到老采空区的残余沉陷变形影响。拟建区域内地表最大残余下沉值为100mm，东西方向地表最大倾斜变形值为1.4mm/m，南北方向地表最大倾斜变形值为1.6mm/m，东西方向地表最大水平变形值为0.8mm/m，南北方向地表最大水平变形值为1.2mm/m。老采空区残余沉陷变形影响较轻微，可能使受影响建（构）筑物产生轻微损坏，为了确保其安全，需要对这部分新建建（构）筑物采取简易抗变形结构措施。 3、经计算该区域采空区垮落断裂带的发育高度为30m，计算的拟建工程新建建（构）筑物的荷载影响深度为60m，两者之和为90m，而该区域煤层最小采深为105m。因此，拟建工程新建建（构）筑物的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降，新建建（构）筑物只要采取能够抵抗预计的地表残余沉陷变形的抗变形结构技术措施，就能保证其安全。 4、为了确保新建甲醇厂内建（构）筑物的安全，考虑基础面积为150×60m2，深基础为20m的前提下，再考虑一定的安全系数，原则上拟建工程区域内单位面积建筑荷重不得大于280kN/m2(约28t/m2)；如果基础面积为90×30m2，则原则上拟建工程区域内单位面积建筑荷重不得大于500kN/m2(约50t/m2)。当荷载比之大时，应对地下采空区进行注浆处理或加大新建建（构）筑物的抗变形结构技术措施。 5、新建建（构）筑物采取的简易抗变形结构技术措施主要有设置变形缝；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；建筑前应对地基进行处理；建筑物的基础应尽可能做成整体基础，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；在基础设置水平滑动层，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；设备应做成整体基础，并采用增加或减少垫圈能相应调整倾斜量；管道间增设柔性接头。主要抗变形结构技术措施要按预计的地表残余变形值的大小计算设置或配置。 6、建议在厂区内建立地表沉降观测站，定期进行观测，以便监测采空区地表及建筑物的下沉情况。今后严禁在厂区周围和正下方进行采掘活动，以防止老采空区进一步活化，地表产生较大的不均匀沉降，从而影响地面建（构）筑物和设备的正常安全使用。 � EMBED AutoCAD.Drawing.14 ��� � EMBED AutoCAD.Drawing.14 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� PAGE 22 _1091112964.dwg _1113203460.unknown _1091112683.dwg _1052397264.unknown