CN115081081A - 一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法及装置，所述方法包括：计算地表移动持续时间T，根据已采及规划开采工作面，确定出稳沉区域和未稳沉区域；未稳沉区域为不适宜建设区域，穏沉区域内计算地表极限残余变形；根据地表极限残余变形确定拟建构筑物类别；计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，再结合开采工作面到地表高度判断荷载影响深度与导水裂隙带是否贯通；若未贯通，则拟建建筑类别可行，否则拟建建筑类别降级；重复上述步骤，得出拟建建筑类别，进而确定其合理荷载；本发明的优点在于：能够得出采动影响区的拟建建筑类别并且确定其合理荷载，为采煤沉陷区精细化建设提供了切实可靠的科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采领域，更具体涉及一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法及装置。
背景技术
我国大规模的煤炭开采形成了大面积的采煤沉陷区，同时，随着耕地红线的划定以及城市基础建设工程的迅猛发展，可用的建设用地日益紧张，部分资源型城市将面临无地可用的局面。为了解决建设用地面临的窘境，部分城市开始尝试在采煤沉陷区进行工程建设，为了加快沉陷区的资源化利用，国家发改委共批复了数十个重点采煤沉陷区综合治理工程。
目前对于采煤沉陷区的复垦技术、地基失稳机理与处理技术、新建建筑物抗变形技术、特定条件下的地基稳定性评价、采空区上方建筑物的选址方法等技术方面研究成果显著，例如，中国专利公开号CN105808818A公开了一种采煤塌陷区地基稳定性的评价方法，主要涉及特定条件下的地基稳定性评价，中国专利公开号CN104408277A，公开了矿区新建建筑物引起的地表残余移动变形预测及防治方法，主要涉及新建建筑物抗变形技术，但现有技术对于采动影响区新建构筑物合理荷载的确定还未进行深入的研究，无法为采煤沉陷区建设提供切实可靠的科学依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术缺乏对于采动影响区新建构筑物合理荷载的研究，无法为采煤沉陷区建设提供切实可靠的科学依据。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，所述方法包括：
步骤一：计算地表移动持续时间T，根据已采及规划开采工作面，确定出稳沉区域和未稳沉区域；
步骤二：未稳沉区域为不适宜建设区域，穏沉区域内计算地表极限残余变形；
步骤三：根据地表极限残余变形确定拟建构筑物类别；
步骤四：计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，再结合开采工作面到地表高度判断荷载影响深度与导水裂隙带是否贯通；
步骤五：若未贯通，则拟建建筑类别可行，否则拟建建筑类别降级；
步骤六：重复步骤四和步骤五，得出拟建建筑类别，进而确定其合理荷载。
本发明提供了一种可行的采动影响区新建构筑物合理荷载的确定方法，该方法为采动影响区新建构筑物的荷载确定提供了计算途径，能够得出拟建建筑类别并且确定其合理荷载，为采煤沉陷区精细化建设提供了切实可靠的科学依据。
进一步地，所述步骤一包括：
通过公式
计算地表移动持续时间，其中，H为开采深度，m为开采厚度，h为松散层厚度，v为开采速度；
根据资料收集到的评价区内采煤工作面的最后回采时间t0，判断当前时间与预计稳沉时间T+t0的大小关系，若当前时间在预计稳沉时间T+t0之后，则评价区处于稳沉区域，否则，评价区处于非稳沉区。
进一步地，所述步骤二包括：
地表极限残余变形的计算表现为残余变形下沉系数，通过公式
进一步地，所述步骤四包括：
通过公式
获取最大导水裂隙带高度，其中，∑M为累计采厚；H′为工作面的平均采深；D为冲积层厚度；r为工作面倾向长度与采深的比值；K为常数，取10～15；
根据评价区内的地质条件来分析相应位置的地基自重应力σc，然后计算相应位置的地基附加应力σz，根据σz＝0.1σc，求出相应的计算深度，计算深度加上基础埋深即为建筑荷载影响深度H荷；
通过公式
判定建筑物荷载影响深度未达到导水裂隙带，确定出拟建构筑物荷载影响深度与导水裂隙带未贯通，反之则贯通，其中，
表示开采工作面到地面的距离，H保表示安全保护层的深度，取值10～15m。
更进一步地，所述地基自重应力的计算方式为：
通过公式
获取地基自重应力，其中，n表示从天然地面到计算深度z处的土层数，ri为第i层土的容重，hi为第i层土的厚度。
更进一步地，所述地基附加应力的计算方式为：
矩形竖直均布荷载作用下中心点下深度z处的附加应力σz按下式计算：
其中，
式中,a0为矩形竖直均布载荷作用下中心点下方竖直应力分布系数；P为均布荷载；b为矩形基础的宽度；l为矩形基础的长度；
圆形竖直均布载荷作用下中心点下深度z处的附加应力按下式计算：
式中K0为圆形竖直均布荷载作用下中心点下方竖直应力分布系数；R为圆形竖直均布荷载的水平半径。
本发明还提供一种采动影响区新建构筑物荷载确定装置，所述装置包括：
稳沉区域确定模块，用于计算地表移动持续时间T，根据已采及规划开采工作面，确定出稳沉区域和未稳沉区域；
极限残余变形获取模块，用于未稳沉区域为不适宜建设区域，穏沉区域内计算地表极限残余变形；
拟建构筑物类别确定模块，用于根据地表极限残余变形确定拟建构筑物类别；
判定模块，用于计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，再结合开采工作面到地表高度判断荷载影响深度与导水裂隙带是否贯通；
处理模块，用于若未贯通，则拟建建筑类别可行，否则拟建建筑类别降级；
荷载确定模块，用于重复执行判定模块和处理模块，得出拟建建筑类别，进而确定其合理荷载。
进一步地，所述稳沉区域确定模块还用于：
通过公式
计算地表移动持续时间，其中，H为开采深度，m为开采厚度，h为松散层厚度，v为开采速度；
根据资料收集到的评价区内采煤工作面的最后回采时间t0，判断当前时间与预计稳沉时间T+t0的大小关系，若当前时间在预计稳沉时间T+t0之后，则评价区处于稳沉区域，否则，评价区处于非稳沉区。
进一步地，所述极限残余变形获取模块还用于：
地表极限残余变形的计算表现为残余变形下沉系数，通过公式
进一步地，所述判定模块还用于：
通过公式
获取最大导水裂隙带高度，其中，∑M为累计采厚；H′为工作面的平均采深；D为冲积层厚度；r为工作面倾向长度与采深的比值；K为常数，取10～15；
根据评价区内的地质条件来分析相应位置的地基自重应力σc，然后计算相应位置的地基附加应力σz，根据σz＝0.1σc，求出相应的计算深度，计算深度加上基础埋深即为建筑荷载影响深度H荷；
通过公式
判定建筑物荷载影响深度未达到导水裂隙带，确定出拟建构筑物荷载影响深度与导水裂隙带未贯通，反之则贯通，其中，
表示开采工作面到地面的距离，H保表示安全保护层的深度，取值10～15m。
更进一步地，所述地基自重应力的计算方式为：
通过公式
获取地基自重应力，其中，n表示从天然地面到计算深度z处的土层数，ri为第i层土的容重，hi为第i层土的厚度。
更进一步地，所述地基附加应力的计算方式为：
矩形竖直均布荷载作用下中心点下深度z处的附加应力σz按下式计算：
其中，
式中，a0为矩形竖直均布载荷作用下中心点下方竖直应力分布系数；P为均布荷载；b为矩形基础的宽度；l为矩形基础的长度；
圆形竖直均布载荷作用下中心点下深度z处的附加应力按下式计算：
式中K0为圆形竖直均布荷载作用下中心点下方竖直应力分布系数；R为圆形竖直均布荷载的水平半径。
本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种可行的采动影响区新建构筑物合理荷载的确定方法，该方法为采动影响区新建构筑物的荷载确定提供了计算途径，能够得出拟建建筑类别并且确定其合理荷载，为采煤沉陷区精细化建设提供了切实可靠的科学依据。
(2)采动影响区一般不做建筑使用或用作建筑时构筑物荷载十分保守，而本发明中所提供的方法可以科学合理的扩大采动影响区新建构筑物可用荷载的范围，可以充分挖掘采动影响区内的土地建筑价值，降低煤矿生产造成的地面塌陷治理成本，提高采动影响区的土地资源价值。
(3)本发明可以很好地在理论上指导采动影响区新建构筑物荷载的范围，避免因盲目扩建导致荷载过大引起的工程建设事故，减少经济损失和人员伤亡，能够科学合理、简便快捷的确定新建构筑物的合理荷载。
附图说明
图1为本发明实施例1所公开的一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法的流程图；
图2为本发明实施例1所公开的一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法中危险残余变形的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，所述方法包括：
S1：计算地表移动持续时间T，根据已采及规划开采工作面，确定出稳沉区域和未稳沉区域；具体过程为：
首先收集厚冲积层地质条件下的评价区内采矿资料、地质资料、岩石力学性质资料及未来开采规划资料，确定井下采空区的开采方式和顶板管理办法，为后续参数的计算提供基础数据。
然后通过公式
计算地表移动持续时间，其中，H为开采深度，m为开采厚度，h为松散层厚度，v为开采速度；
根据资料收集到的评价区内采煤工作面的最后回采时间t0，判断当前时间与预计稳沉时间T+t0的大小关系，若当前时间在预计稳沉时间T+t0之后，则评价区处于稳沉区域，否则，评价区处于非稳沉区。
S2：未稳沉区域为不适宜建设区域，穏沉区域内计算地表极限残余变形；具体过程为：
极限残余变形的计算表现为残余变形下沉系数。选取残余变形下沉系数进行残余地表移动变形计算时，计算开采厚度按照煤层开采厚度考虑，地表残余变形下沉系数通过公式
计算，其中，q为下沉系数，一般取0.93；k为调整系数，一般取值范围0.5～1.0；t为距开采结束时间。
S3：根据地表极限残余变形确定拟建构筑物类别；具体的：建筑物类别根据建筑物的地基变形允许值来确定，地基变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜等，根据地表残余变形下沉系数来计算地基变形允许值，进而确定拟建构筑物的等级和类别，其计算过程采用国家标准，属于现有技术，在此不做赘述。具体标准见《GB 50007-2011建筑地基基础设计规范》5.3变形计算相关内容。
S4：计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，再结合开采工作面到地表高度判断荷载影响深度与导水裂隙带是否贯通；具体过程为：
开采工作面导水裂隙带高度h′的计算主要考虑开采厚度、开采深度、工作面尺寸(反应开采程度)以及覆岩岩性的影响。导水裂隙带高度与采厚、采深呈正比，与冲积层厚度成反比，其发育受工作面开采尺寸的影响，呈现先缓慢增加，然后快速增加，最后稳定的特性。通过公式
获取最大导水裂隙带高度，其中，∑M为累计采厚；H′为工作面的平均采深；D为冲积层厚度；r为工作面倾向长度与采深的比值；K为常数，淮南矿区一般取10～15；当无观测数据时，借鉴类似矿区条件下的经验公式进行计算，或者参考《“三下”采煤规范》中的有关公式进行计算。
建筑荷载影响深度H荷的计算，首先根据评价区内的地质条件来分析相应位置的地基自重应力σc，然后计算相应位置的地基附加应力σz。地基附加应力σz随深度增加而减小，而地基自重应力σc随深度增加而增大，根据建筑荷载影响深度H荷判定条件：σz＝0.1σc，可求出相应的计算深度。需要指出的是，地基附加应力σz是从基础底面起算，而地基自重应力σc是从地面起算，两者相差一个常数基础埋深。此时计算深度加上基础埋深即为建筑荷载影响深度H荷，是从地面起算的。
其中，所述地基自重应力的计算方式为：
通过公式
获取地基自重应力，其中，n表示从天然地面到计算深度z处的土层数，ri为第i层土的容重，hi为第i层土的厚度。
所述地基附加应力的计算方式为：
矩形竖直均布荷载作用下中心点下深度z处的附加应力σz按下式计算：
其中，
式中，a0为矩形竖直均布载荷作用下中心点下方竖直应力分布系数；P为均布荷载；b为矩形基础的宽度；l为矩形基础的长度；
圆形竖直均布载荷作用下中心点下深度z处的附加应力按下式计算：
式中K0为圆形竖直均布荷载作用下中心点下方竖直应力分布系数；R为圆形竖直均布荷载的水平半径。
采空区“活化”从而引起危险残余变形的过程如图2所示。当建筑荷载影响深度H荷和导水裂隙带高度h′之和小于开采工作面到地面的距离
时，采空区地表不会产生较大的残余形变，地基处于相对稳定状态。当H荷和h′之和等于
时，地基处于临界稳定状态。当H荷和h′之和大于
时，采空区地表可能发生“活化”从而产生较大的移动变形，地基处于不稳定状态。
根据建筑物荷载的影响深度是否达到导水裂隙带的发育高度为原则确定评价区拟建构筑物等级。考虑到计算误差等因素，在具体确定时两者之间留设10～15m的安全保护层H保。根据以下公式进行判定建筑物荷载影响深度未达到导水裂隙带：
式中，H保为安全保护层，第四纪表土层中取10m，在基岩内保护层取15m。由上式可确定出拟建构筑物荷载影响深度与导水裂隙带未贯通，反之则贯通。
S5：若未贯通，则拟建建筑类别可行，否则拟建建筑类别降级；
S6：重复S4和S5，得出拟建建筑类别，进而确定其合理荷载。
通过以上技术方案，本发明提供了一种可行的采动影响区新建构筑物合理荷载的确定方法，首先计算评价区内的地表移动持续时间，确定出稳沉区和非稳沉区；在稳沉区中计算极限残余变形，确定拟建建筑物类别；再计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，结合煤层采深判断荷载影响深度是否与导水裂隙带贯通从而引起采空区“活化”；最后，若未贯通，则拟建建筑类别可行，可以确定拟建构筑物的合理荷载，否则拟建建筑类别降级，重新计算判断。该方法为采动影响区新建构筑物的荷载确定提供了计算途径，能够得出拟建建筑类别并且确定其合理荷载，为采煤沉陷区精细化建设提供了切实可靠的科学依据。
实施例2
基于实施例1，本发明实施例2还提供一种采动影响区新建构筑物荷载确定装置，所述装置包括：
稳沉区域确定模块，用于计算地表移动持续时间T，根据已采及规划开采工作面，确定出稳沉区域和未稳沉区域；
极限残余变形获取模块，用于未稳沉区域为不适宜建设区域，穏沉区域内计算地表极限残余变形；
拟建构筑物类别确定模块，用于根据地表极限残余变形确定拟建构筑物类别；
判定模块，用于计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，再结合开采工作面到地表高度判断荷载影响深度与导水裂隙带是否贯通；
处理模块，用于若未贯通，则拟建建筑类别可行，否则拟建建筑类别降级；
荷载确定模块，用于重复执行判定模块和处理模块，得出拟建建筑类别，进而确定其合理荷载。
具体的，所述稳沉区域确定模块还用于：
通过公式
计算地表移动持续时间，其中，H为开采深度，m为开采厚度，h为松散层厚度，v为开采速度；
根据资料收集到的评价区内采煤工作面的最后回采时间t0，判断当前时间与预计稳沉时间T+t0的大小关系，若当前时间在预计稳沉时间T+t0之后，则评价区处于稳沉区域，否则，评价区处于非稳沉区。
具体的，所述极限残余变形获取模块还用于：
地表极限残余变形的计算表现为残余变形下沉系数，通过公式
具体的，所述判定模块还用于：
通过公式
获取最大导水裂隙带高度，其中，∑M为累计采厚；H′为工作面的平均采深；D为冲积层厚度；r为工作面倾向长度与采深的比值；K为常数，取10～15；
根据评价区内的地质条件来分析相应位置的地基自重应力σc，然后计算相应位置的地基附加应力σz，根据σz＝0.1σc，求出相应的计算深度，计算深度加上基础埋深即为建筑荷载影响深度H荷；
通过公式
判定建筑物荷载影响深度未达到导水裂隙带，确定出拟建构筑物荷载影响深度与导水裂隙带未贯通，反之则贯通，其中，
表示开采工作面到地面的距离，H保表示安全保护层的深度，取值10～15m。
更具体的，所述地基自重应力的计算方式为：
通过公式
获取地基自重应力，其中，n表示从天然地面到计算深度z处的土层数，ri为第i层土的容重，hi为第i层土的厚度。
更具体的，所述地基附加应力的计算方式为：
矩形竖直均布荷载作用下中心点下深度z处的附加应力σz按下式计算：
其中，
式中，a0为矩形竖直均布载荷作用下中心点下方竖直应力分布系数；P为均布荷载；b为矩形基础的宽度；l为矩形基础的长度；
圆形竖直均布载荷作用下中心点下深度z处的附加应力按下式计算：
式中K0为圆形竖直均布荷载作用下中心点下方竖直应力分布系数；R为圆形竖直均布荷载的水平半径。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：计算地表移动持续时间T，根据已采及规划开采工作面，确定出稳沉区域和未稳沉区域；
步骤二：未稳沉区域为不适宜建设区域，穏沉区域内计算地表极限残余变形；
步骤三：根据地表极限残余变形确定拟建构筑物类别；
步骤四：计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，再结合开采工作面到地表高度判断荷载影响深度与导水裂隙带是否贯通；
步骤五：若未贯通，则拟建建筑类别可行，否则拟建建筑类别降级；
步骤六：重复步骤四和步骤五，得出拟建建筑类别，进而确定其合理荷载。
2.根据权利要求1所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，其特征在于，所述步骤一包括：
通过公式
计算地表移动持续时间，其中，H为开采深度，m为开采厚度，h为松散层厚度，v为开采速度；
根据资料收集到的评价区内采煤工作面的最后回采时间t0，判断当前时间与预计稳沉时间T+t0的大小关系，若当前时间在预计稳沉时间T+t0之后，则评价区处于稳沉区域，否则，评价区处于非稳沉区。
3.根据权利要求1所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，其特征在于，所述步骤二包括：
地表极限残余变形的计算表现为残余变形下沉系数，通过公式
4.根据权利要求1所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，其特征在于，所述步骤四包括：
通过公式
获取最大导水裂隙带高度，其中，∑M为累计采厚；H′为工作面的平均采深；D为冲积层厚度；r为工作面倾向长度与采深的比值；K为常数，取10～15；
根据评价区内的地质条件来分析相应位置的地基自重应力σc，然后计算相应位置的地基附加应力σz，根据σz＝0.1σc，求出相应的计算深度，计算深度加上基础埋深即为建筑荷载影响深度H荷；
通过公式
判定建筑物荷载影响深度未达到导水裂隙带，确定出拟建构筑物荷载影响深度与导水裂隙带未贯通，反之则贯通，其中，
表示开采工作面到地面的距离，H保表示安全保护层的深度，取值10～15m。
5.根据权利要求4所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，其特征在于，所述地基自重应力的计算方式为：
通过公式
获取地基自重应力，其中，n表示从天然地面到计算深度z处的土层数，ri为第i层土的容重，hi为第i层土的厚度。
6.根据权利要求5所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定方法，其特征在于，所述地基附加应力的计算方式为：
矩形竖直均布荷载作用下中心点下深度z处的附加应力σz按下式计算：
其中，
式中,a0为矩形竖直均布载荷作用下中心点下方竖直应力分布系数；P为均布荷载；b为矩形基础的宽度；l为矩形基础的长度；
圆形竖直均布载荷作用下中心点下深度z处的附加应力按下式计算：
式中K0为圆形竖直均布荷载作用下中心点下方竖直应力分布系数；R为圆形竖直均布荷载的水平半径。
7.一种采动影响区新建构筑物荷载确定装置，其特征在于，所述装置包括：
稳沉区域确定模块，用于计算地表移动持续时间T，根据已采及规划开采工作面，确定出稳沉区域和未稳沉区域；
极限残余变形获取模块，用于未稳沉区域为不适宜建设区域，穏沉区域内计算地表极限残余变形；
拟建构筑物类别确定模块，用于根据地表极限残余变形确定拟建构筑物类别；
判定模块，用于计算导水裂隙带高度和拟建建筑物类别的荷载影响深度，再结合开采工作面到地表高度判断荷载影响深度与导水裂隙带是否贯通；
处理模块，用于若未贯通，则拟建建筑类别可行，否则拟建建筑类别降级；
荷载确定模块，用于重复执行判定模块和处理模块，得出拟建建筑类别，进而确定其合理荷载。
8.根据权利要求7所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定装置，其特征在于，所述稳沉区域确定模块还用于：
通过公式
计算地表移动持续时间，其中，H为开采深度，m为开采厚度，h为松散层厚度，v为开采速度；
根据资料收集到的评价区内采煤工作面的最后回采时间t0，判断当前时间与预计稳沉时间T+t0的大小关系，若当前时间在预计稳沉时间T+t0之后，则评价区处于稳沉区域，否则，评价区处于非稳沉区。
9.根据权利要求7所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定装置，其特征在于，所述极限残余变形获取模块还用于：
地表极限残余变形的计算表现为残余变形下沉系数，通过公式
10.根据权利要求7所述的一种采动影响区新建构筑物荷载确定装置，其特征在于，所述判定模块还用于：
通过公式
获取最大导水裂隙带高度，其中，∑M为累计采厚；H′为工作面的平均采深；D为冲积层厚度；r为工作面倾向长度与采深的比值；K为常数，取10～15；
根据评价区内的地质条件来分析相应位置的地基自重应力σc，然后计算相应位置的地基附加应力σz，根据σz＝0.1σc，求出相应的计算深度，计算深度加上基础埋深即为建筑荷载影响深度H荷；
通过公式
判定建筑物荷载影响深度未达到导水裂隙带，确定出拟建构筑物荷载影响深度与导水裂隙带未贯通，反之则贯通，其中，
表示开采工作面到地面的距离，H保表示安全保护层的深度，取值10～15m。
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