本发明属于采煤塌陷区综合利用领域，涉及一种采煤塌陷区地基稳定性的评价方法，特别涉及一种采煤塌陷区上新建建(构)筑物地基稳定性的评价方法。
背景技术：
矿区煤炭资源大规模开采遗留下了大面积的采空区，采空区残留空洞或破裂岩体改变了地层和岩体的工程地质特征和性质，形成了不良工程地质的复杂地基条件，给利用采煤塌陷区地表作建筑用地带来困难和隐患，严重制约了矿区的城市化建设发展。近年来，我国矿区城市工程建设发展迅猛，建设用地日趋紧张，安全、合理地利用采煤塌陷区土地进行工程建设成为矿区城市可持续发展的迫切需求。
地下矿物的开采，将引起采空区周围煤岩体产生一系列复杂的力学作用，在开采沉陷基本稳定后，采动岩体系统内部形成新的相对平衡和稳定体系。如若塌陷区地表进行工程建设，地表新增荷载引起的地基附加应力将会打破采动岩体的平衡系统，造成采空区岩体“活化”，地表再次发生较大的移动、变形，对地表新建建(构)筑物具有较大的潜在危害性。因此，如何科学评估采煤塌陷区这一不良工程地质的复杂地基条件对地表工程建设、运行带来的安全风险，如何合理指导采煤塌陷区地表工程建设规模，需要一套科学合理的采煤塌陷区地基稳定性评价方法。
在本发明作出之前，判断建筑荷载是否对采空区造成扰动，归纳起来主要有下面两种方法。
一种方法是采用数值计算或相似材料等手段进行模拟评价。但此类方法只能作为定性的机理或规律研究，无法精确地作出定量的评价。
另外一种方法是根据深厚比(采空区采深与采厚之比)的大小来评价。如文献(岩土工程勘察规范(GB50021-2001))认为采深采厚比小于30的地段不适宜建筑，应评价地基的稳定性。文献(铁路工程地质手册)认为当采空区的深厚比满足“采空区的深厚比表”要求时，认为地面建(构)筑物仅产生轻微变形，此种变形不致威胁建(构)筑物的安全。而根据采空区地表沉陷变形的一般规律可知，采空区地表的沉陷变形值不仅与煤层的采深、采厚有关，还与煤层覆岩岩性、开采方法以及地表荷载扰动深度有关，不同的地质采矿条件，对地表及建(构)筑物的影响差异很大，仅仅以深厚比作为衡量地基稳定与否，难以准确反映地基的长期稳定性，给新建建(构)筑物的建设、运行带来安全隐患。
CN103196424A公开了一种油气采空区沉降预警方法，该方法包括步骤一：采集沉降数据并记录地址沉降数据；步骤二：对沉降传感器的测量数据进行异常值的识别与修正；步骤三：增强沉降数据的光滑性；步骤四：将进行一次累加(1-AGO)形成序列；步骤五：对采用NDGM(1,1)模型进行预测获得油气采空区的预测值；步骤六：进行反累加和反光滑变化获取油气沉降区的预测值；步骤七：采用BP神经网络的方法确定预警值；步骤八：建立基于灰关联的油气采空区沉降预警模型，当采空区沉降达到超过一定的临界值后，沉降区就有塌陷的危险，这个临界值称为预警值，如果某点的沉降量超过临界值，则需要发出预警。
CN102156302A公开了一种采空区地面探测方法，该方法采用如下步骤：1)将CYT-VI型大地电场岩性探测仪放在已知钻孔旁；2)设计7条测线，线距30m，每条测线布置测点7～11个不等，测点间距30m，各测点测深300m， 其中7个测点为500m，步长选择0.5m；3)进行不同岩性的探测、不同岩性CYT曲线形态的稳定性探测及曲线效果对目的层的直译程度探测；4)将已知孔的数据输入计算中心，经处理后绘制成CYT曲线图，根据钻孔的岩芯柱状，建立CYT曲线形态与岩性的对应关系，并最终建立CYT曲线的解译模型。
CN102383779A公开了一种双层采空区钻孔探测方法，该方法先在拟探测区域布置一定密度的探测孔，按照布孔位置钻进，用三维激光扫描仪探测首层采空区内部空间；利用首层采空区的探测结果，布置下层采空区的探测孔，如果首层采空区较小，则选择采空区周围的实体进行钻探；如果首层采空区较大，并且采空区内发现有矿柱，则除了选择采空区周围的实体进行钻探外，还可以在矿柱中心进行钻探；在钻头到达地下二层区内，遇到采空区后拔出钻杆，通过钻孔向地下二层采空区放入三维激光扫描仪，对孔洞内部空间进行三维扫描，实现两层采空区的精确探测。
CN104749641A公开了一种煤矿采空区的识别方法，所述识别方法包括：在待测区域地面设置至少一个实测点；利用瞬变电磁测深法获得所述至少一个实测点中每个实测点的实测衰减曲线；计算每个实测衰减曲线分别与每个标准衰减曲线之间的误差；以及：针对每个实测点，在该实测点的实测衰减曲线与各标准衰减曲线之间的误差中选择最小误差，并将与所述最小误差对应的标准衰减曲线所关联的采空区类型确定为该实测点对应的采空区类型，以获得所述待测区域的识别结果。
CN104965229A公开了一种确定煤矿老采空区范围方法，该方法包括以下步骤：收集现有地质资料、沉陷资料；根据现有地质资料初步圈定采空区沉陷范围；在临近未采区域采用高密度电法勘探，获得浅部区域完整地层，特别是含水地层分布状况；根据采空区地质特征，建立区域地球物理模型；对疑似采空区域进行高密度电法勘探，获得地层视电阻率展布状况；对比前后获得的含水地层视电阻率分布情况，圈定出视电阻率异常区域；根据地表沉陷变形规律，确定出采空区中间区域、拉伸产生裂隙的外边缘区域，对比分析此区域附近含 水层视电阻率高、低阻异常，确定出采空区外边缘裂隙带空间分布，进一步反演分析采空区空间分布范围。
CN102520450A公开了一种煤矿充水采空区检测方法，所述方法包括以下步骤：对采空区进行地面上的瞬变电磁法数据采集，获得电压衰减曲线及同所述电压衰减曲线相对应的磁场曲线；建立瞬变电磁场同虚拟波场之间的方程式；对方程式进行正则化计算求得虚拟波场；根据虚拟波场建立瞬变电磁法运动学剖面，并对煤矿含水采空区进行直接解释。
WO2009/103303A1公开了一种在地下煤矿开采中控制长壁开采作业的方法，所述长壁开采作业具有工作面输送机、至少一个采煤机以及液压式掩护支架，其中借助在每个掩护支架框架的四个主构件，如底部滑架、采空区掩护架、支承导杆以及顶梁的采空区侧的区域，的其中至少三个上安装的倾斜传感器，检测掩护架构件在步进方向上相对于水平面的倾斜，由测得的数据在计算机单元中通过与储存在其中的、确定在步进期间构件的几何取向及其运动的基础数据进行比较，计算出掩护支架框架在顶梁的前端上的相应垂直于基床的高度作为工作面开口的尺度。
“采空区稳定性分析与评价”，张建等，水利与建筑工程学报，第8卷第2期，2010年4月，公开了一种以采空区稳定性分析与评价方法，该方法以力学平衡方法为基础，针对采空区上覆岩体的地层和厚度分布不同，进行稳定性分析和评价，方法提出了采空区上覆岩体相对应的临界厚度为评价指标的被动侧向压力情况下的力学模型和以抗滑安全系数为评价指标的主动侧向压力情况下的力学模型，对较厚和较薄上覆盖岩情况下的采空区稳定性进行了分析和评价。
综上可知，目前关于采煤塌陷区新建建(构)筑物的地基稳定性的研究还比较缺乏，并且缺乏针对性、有效性和经济性，这些方法或者操作方法复杂、适应范围窄，或者针对性差。本发明人经过深入研究，根据现场实践经验发现，采空区地表的稳定性不仅与煤层的采深、采厚有关，还与矿区地质采矿条件、 煤层的开采工艺和开采方法等有关，而现有技术通常都忽略了这一点或对此不够重视。在煤层开采后，上覆岩层形成垮落断裂带，其整体强度和刚度将显著降低，当地表新增荷载扰动并波及到垮落断裂带时，上覆地层会进一步活化，并出现较大的移动与变形，甚至出现集中变形，对地面建筑物造成显著影响，危及其正常安全运行。因此，本领域亟需提供一种科学合理经济的采煤塌陷区地基稳定性评价方法。
技术实现要素：
为克服现有技术中存在的上述技术缺陷，本发明人经过深入研究和大量实验，提供了采煤塌陷区地基稳定性的评价方法，更具体地提供了采煤塌陷区上新建建(构)筑物地基稳定性的评价方法，为分析采煤塌陷区地基是否适合建筑和确定建(构)筑物的层数或高度提供科学有效的技术依据，避免采空区“活化”给地表建(构)筑物造成采动损坏。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
在一方面，提供了一种采煤塌陷区地基稳定性的评价方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)垮落断裂带高度的计算：实测采空区相应的矿区的覆岩破坏情况，获得观测数据，并选择相应的计算公式或经验公式；当无观测数据和经验公式时，借鉴类似矿区条件下的经验公式进行计算，或者参考“三下”采煤规程中的有关公式进行计算；
(2)计算采煤塌陷区建筑荷载影响深度：当采煤塌陷区地表新增荷载在地基中产生的附加应力随深度衰减至地基自重应力10％处深度时，即可认为附加应力对该深度处的地基产生的影响忽略不计，该深度即为采煤塌陷区建筑荷载影响深度；
(3)采煤塌陷区地基稳定性评价：根据煤层采深即H采、采空区垮落断裂带高度即H裂和建筑荷载影响深度即H影的相互关系，对采煤塌陷区地基稳定性评价。
优选地，在垮落断裂带高度计算时，根据煤层倾角和顶板覆岩结构特性选择计算公式或者经验公式。
优选地，在计算采煤塌陷区建筑荷载影响深度时，根据采空区地质地层条件来分析地基自重应力和地面(地表)附加应力，进而计算荷载影响深度。
优选地，在地面附加应力计算时，地面附加应力应减除基础施工开挖荷载，应增加基础回填荷载。
优选地，在评价地基稳定性时，当采空区垮落断裂带高度与建筑荷载影响深度之和大于煤层采深，则认为采空区会因地面荷载扰动而活化，出现明显的集中变形；当采空区垮落断裂带高度与建筑荷载影响深度之和小于煤层采深时，采空区不会因地面荷载扰动而活化，地表不会出现非连续性集中变形。
优选地，在垮落断裂带高度的计算时，根据不同地质采矿条件，测量下面参数中的一个或多个：累计采厚，回采阶段垂高，煤层的法向厚度，上、下两层煤的最小垂距，回采下层煤的垮落带高度，上、下层煤的综合开采厚度，上、下层煤的分别开采厚度，上、下层煤之间的法线距离，下层煤的冒高与采厚之比，并选择垮落断裂带高度计算公式或者经验公式。
优选地，所述采煤塌陷区地基为采煤塌陷区上新建建(构)筑物地基。
在本发明的一个特别优选方面，覆岩垮落断裂带高度(也可称为垮落断裂带高度)可以基于如下进行计算：
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较大的沉降和变形，甚至造成建筑物严重的破坏。
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、采煤方法、顶板管理方法等有关。不同的采煤方法，其垮落断裂带(也称导水裂缝带)发育规律不同。
因此，在确定垮落带和导水裂缝带高度时，最优选利用本矿区实测的覆岩破坏观测数据和相应的经验公式。当无观测数据和经验公式时，可借鉴类似矿区条件下的经验公式进行计算，或者参考“三下”采煤规程中的有关公式进行计算。下面具体给出了“三下”采煤规程中有关导水裂缝带(即垮落断裂带)高度的计算公式。
(1)缓倾斜(0～35°)、中倾斜(36～54°)煤层
煤层覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，厚煤层分层开采的导水裂缝带最大高度可选用表1中的公式计算。
表1 厚媒层分层开采的导水裂缝带高度计算公式
注:∑M-累计采厚，m。
(2)急倾斜煤层(55～90°)
煤层顶、底板为坚硬、中硬、软弱岩层，用垮落法开采时的导水裂缝带高度可用表2中的公式计算。
表2 急倾斜媒层垮落带、导水裂缝带高度计算公式
注:h-回采阶段垂高，m；M-煤层的法向厚度，m。
(3)近距离煤层导水裂缝带高度的计算
a、上、下两层煤的最小垂距h大于回采下层煤的垮落带高度Hxm时，上、下层煤的导水裂缝带最大高度可按上、下层煤的厚度分别选用表1中的公式计算，取其中标高最高者作为两层煤的导水裂缝带最大高度(如图1所示)。
b、下层煤的垮落带接触到或完全进入上层煤范围内时，上层煤的导水裂缝带最大高度采用本层煤的开采厚度计算，下层煤的导水裂缝带最大高度，则应采用上、下层煤的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层煤的导水裂缝带最大高度(如图2所示)。
上、下层煤的综合开采厚度可按以下公式计算(如图3所示)。
式中：M1——上层煤开采厚度，m；
M2——下层煤开采厚度，m；
h1-2——上、下层煤之间的法线距离，m；
y2——下层煤的冒高与采厚之比。
c、如果上、下层煤之间的距离很小时，则综合开采厚度为累计厚度：
MZ1-2＝M1+M2 (2)
在本发明的另一个特别优选的方面，可以按照如下进行采煤塌陷区建筑荷载影响深度计算：
建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，但当其下方有采空区等不稳定性因素，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。该深度即为采煤塌陷区建筑荷载影响深度(H影)。
地基中自重应力用下式计算：
σc＝r1·h1+r2·h2+…+rn·hn (3)
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。
地基附加应力按下式计算：
σZ＝kP0 (4)
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；
D——基础埋深，m。
例如，拟建项目区新建楼按长30m、宽15m进行计算，标准层高按3m考虑，基底埋深3.0m，建筑物的荷载为18kN/m2(系单层建筑面积荷载大小)，评价层数考虑9～13层。
假定整个建筑荷载作用在建筑平面大小的矩形基础上，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。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，即为建筑荷载影响深度，计算见表3。需要说明的是，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，两者相差基础埋深3.0m，建筑物荷载影响深度也从地面算起。经计算，9、10、11、12、13层采煤塌陷区建筑物的荷载影响深度(H影)分别为29m、30m、31m、32m、33m。
表3 采媒塌陷区建筑荷载影响深度计算表
在本发明的又一个特别优选的方面，可以基于如下对采煤塌陷区地基稳定性进行评价：
煤层开采后，地表移动期可分为初始期、活跃期和衰退期。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，当地表半年内累计下沉量小于30mm，此时可认为地表移动期基本结束。但若在此采煤塌陷区上方地表新建建筑物，由于新建建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的状态，而使覆岩与地表再次发生较大的移动变形。
因此，在采空区上方进行地面建筑时：
(a)当H采>H裂+H影时，采空区地表不会因新建建(构)筑物荷载扰动而出现较大的移动变形，采煤塌陷区地基处于稳定状态；
(b)当H采＝H裂+H影影时，采煤塌陷区地基处于临界稳定状态；
(c)当H采<H裂+H影时，在地表荷载扰动下，采空区地表可能“活化”发生较大移动变形，采煤塌陷区地基处于不稳定状态。
采煤塌陷区在新增荷载作用下地基稳定性状态见图4所示。
通过本方案较全面考虑了建筑与采空区的两方面，及其它们之间相互作用，较完善准确地评价了建筑荷载作用下采煤塌陷区的稳定性。
本发明人经过检测和实践发现，与本发明之前采煤塌陷区地基稳定性评价方法相比，本发明更适合各种地质采矿条件下不同开采方法、开采工艺的地基稳定性评价，充分考虑了煤层上覆地层的破坏特点和地表荷载影响深度，本发明适用于不同地质采矿条件下不同开采方法、开采工艺的地基稳定性评价，适用范围广，评价结果合理、可靠，对矿区城市开展采煤塌陷区工程建设的地基稳定性评价具有很好的借鉴意义。本发明对加快矿区工程建设的发展，缓解矿区可利用土地日趋减少的问题，促进矿区经济的可持续发展具有重要的意义。
说明书附图
图1是近距离煤层导水裂缝带高度计算的示意图(h>Hxm)；
图2是近距离煤层导水裂缝带高度计算的示意图(h<Hxm)；
图3是缓倾斜近距离煤层的综合开采厚度的示意图；
图4是垮落裂缝带发育高度与建筑物荷载影响深度的示意图，其(a)代表稳定，(b)代表临界稳定，(c)代表不稳定。
具体实施方式
下面就通过实施例进一步加以描述本发明，本发明不仅仅限于所述实施例。
实施例1
平顶山某小区计划建设13层(高39m)住宅楼，拟建区域位于采空区上 方。采空区开采煤层为戊组煤层，煤层采厚5.0m，煤层倾角8～10°，最小采深87m左右，开采时间1966～1973年，采煤方法为走向长壁普采或综采，全陷法管理顶板。
经计算，建筑荷载影响深度(H影)为33m(参照表3)，采空区垮落断裂带高度(H裂)为48.7m(按表2中缓倾斜厚煤层开采的导水裂缝带最大高度公式计算)，两者之和为81.7m，该区域下方煤层最小采深(H采)为87m。分析评价认为，该采空区的深度，不会出现新建13层建筑物的荷载影响深度与地下采空区的垮落带、断裂带相交叠，采煤塌陷区地基是稳定的，拟建区新建13层及以下建筑物是可行的。但由于受采空区残余沉陷变形的影响，拟建区域地表今后还将产生一定的沉陷变形，因此对新建建筑物必须采取能够抵抗地表残余沉陷变形的抗变形结构技术措施，以确保新建建筑物的安全正常使用。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例旨在处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。