煤礦老采空區(qū)上建筑地基沉陷災(zāi)害預(yù)測分析

曹小威,張國鋒,徐曉峰

(1.中國地質(zhì)工程集團公司;2.中國地質(zhì)物資供銷總公司;3.中國礦業(yè)大學(xué))

1 引 言

隨著城市的規(guī)劃不斷向外輻射,對于依靠資源發(fā)展起來的城市,由于地下礦山開采活動破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài),使巖層位移、變形,巖體的完整性受到破壞。當(dāng)開采的面積達(dá)到一定范圍之后,起始于采場附近的移動和破壞將擴展到地表,引起地面沉降塌陷。地下煤層采出后,上覆巖層和地表將發(fā)生的移動和變形的范圍和程度有多大,它將給各類建筑物帶來多大的危害和影響。如何正確評價采空區(qū)對建筑地基沉陷災(zāi)害,合理進行建筑規(guī)劃,成為一個重要的研究課題。本文工作在充分收集、研究現(xiàn)有地質(zhì)資料和礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案及相關(guān)文件的基礎(chǔ)上,通過野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,采用概率積分法對采礦引發(fā)的地面沉降塌陷進行定性定量預(yù)測分析,并結(jié)合門頭溝棚戶區(qū)改造工程,實現(xiàn)對采礦引起建筑地基沉陷災(zāi)害的綜合預(yù)測評價。

2 地下采空區(qū)分布情況

2.1 地下巖層分布

經(jīng)室內(nèi)試驗及工程物探確定對建筑地基穩(wěn)定造成影響的采空區(qū)巖層從上到下可以劃分為三類巖組:松散巖組,碎裂泥巖組,較完整砂巖組。其中松散巖組主要由素填土及第四系坡洪積物組成,厚度約 11.5m,軟弱松散破碎,彈模21MPa,泊松比 0.28;泥巖組主要為含煤碎屑巖組,巖性為頁巖、綠泥巖、碎裂泥巖以及弱化巖層,裂隙節(jié)理發(fā)育,厚度0.9～38.7m,彈模 0.1～2.3GPa,泊松比 0.21～0.30,C值0.14～2.3MPa,Φ值 26～30°,分布在各煤層直接頂?shù)装寮皥杂矌r層和煤層之間,遇水后強度急劇降低;砂巖組是由細(xì)砂巖、粉砂巖、中砂巖等巖層組成,平均厚度 30m,具有質(zhì)地堅硬,結(jié)構(gòu)完整,抗壓強度高,承載力大等特征,其中粉砂巖彈模 19.04GPa,泊松比 0.31,C值 16.6MPa,Φ值 38°。

2.2 采空區(qū)分布

規(guī)劃區(qū)總面積 0.587km2,區(qū)內(nèi)地下可采煤層為侏羅系窯坡組,屬門頭溝煤系,其中可采煤層一、二、五、七、九槽煤,其中九槽和七槽煤層很薄,分布范圍很小,一、二、五槽是研究區(qū)的主采煤層,面積占據(jù)規(guī)劃區(qū)面積的 80%左右,主采煤層傾角為 18度,其中一槽煤層采用陷落式采煤法,回采率85%;二槽煤層采用房柱充填法采煤,回采率 73%;五槽煤層采用殘柱式采煤法,回采率 53%。

3 建筑地基沉陷變形預(yù)測

3.1 地表下沉預(yù)測原理

概率積分法的預(yù)測原理是把巖體看作一種隨機介質(zhì),把巖層看作由大量松散的顆粒體介質(zhì)組成,從統(tǒng)計觀點出發(fā),可以把整個開采區(qū)域分解為無限個微小單元的開采,整個開采對巖層及地表的影響等于各單元開采對巖層及地表影響之和。按隨機介質(zhì)理論,單元開采引起的地表單元下沉盆地呈正態(tài)分布,且與概率密度的分布一致。地表沉降盆地下沉的概率積分預(yù)測模型是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示巖層下沉盆地的方法,該方法可適用于任意形狀工作面(采區(qū))、地表沉降盆地內(nèi)任意點的移動和變形預(yù)計,具有模型簡單、參數(shù)選取方便等優(yōu)點,可以較好地對地基變形做出預(yù)計。

3.2 計算參數(shù)選取

地表沉降盆地下沉的概率積分預(yù)測模型是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示巖層下沉盆地的方法,該方法可適用于任意形狀工作面(采區(qū))、地表沉降盆地內(nèi)任意點的移動和變形預(yù)計。

表 1 五層煤全采疊加后預(yù)測參數(shù)表

降盆地下沉的概率積分預(yù)測模型所需的幾個預(yù)測參數(shù)為:下沉系數(shù) q、主要影響角正切 tanβ、水平移動系數(shù) b、拐點偏移距 s和最大下沉角 θ等。

計算參數(shù)首先根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演以及根據(jù)巖性的不同形成的經(jīng)驗估計值來綜合確定其預(yù)計參數(shù)的初始值,然后對下沉系數(shù)進行修正。計算參數(shù)取值表見表 1。

3 規(guī)劃區(qū)建筑地基變形分區(qū)

(1)均勻沉降區(qū):處于沉陷盆地以外部分,屬于均勻整體性沉降,對建筑物危害較小。占總規(guī)劃區(qū)的 61.7%,地表最大下沉值小于 1000mm,南北方向的最大傾斜小于1mm/m,東西方向最大傾斜為 -1mm/m,南北方向的水平變形為 0.5mm/m,東西方向的水平變形為 0.5mm/m。

(2)緩傾斜沉降區(qū):處于沉陷盆地盆沿邊緣區(qū)域,屬于不均勻沉降,對建筑物危害較大。占總規(guī)劃區(qū)的 26.7%,地表最大下沉值小于 1400mm且大于1000mm,南北方向的最大傾斜 1～4mm/m,東西方向最大傾斜為 -4～-1mm/m,南北向的水平變形為 0.5～1mm/m,東西向的水平變形為 -2～0.5mm/m。

(3)急傾斜沉降區(qū):處于沉陷盆地盆沿區(qū)域,屬于不均勻沉降劇烈區(qū),對建筑物危害很大。占總規(guī)劃區(qū)的 11.6%,地表最大下沉值大于 1400mm,南北方向的最大傾斜為4mm/m,東西方向最大傾斜為 -4mm/m,南北方向的水平變形為 1mm/m,東西方向的水平變形為-2mm/m。

4 結(jié) 論

(1)概率積分法物理及幾何意義明確,其參數(shù)和結(jié)果預(yù)計精度較高,對于建筑地基沉陷災(zāi)害的評價迅速準(zhǔn)確,并能給出定量的評價。

(2)可適用于任意形狀工作面(采區(qū))、地表沉降盆地內(nèi)任意點的移動和變形預(yù)計,具有模型簡單、參數(shù)選取方便等優(yōu)點,可以較好地對地基變形做出預(yù)計。對地基變形區(qū)進行了劃分,并針對各區(qū)變形特征,給出了建筑地基穩(wěn)定性評價和建議。

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