厚覆蓋地區(qū)深部采動(dòng)對(duì)淺表土層影響的時(shí)效初探

李光輝　蔡江東

摘 要：厚覆蓋地區(qū)，深部煤炭資源的開采不但導(dǎo)致地表沉陷，還會(huì)對(duì)沉陷盆地周邊土體的工程性質(zhì)產(chǎn)生影響。通過對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果的研究及對(duì)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)、資料的分析發(fā)現(xiàn)，深部采動(dòng)對(duì)淺表土層的影響具有時(shí)效特征，即隨時(shí)間推延，深部采動(dòng)對(duì)土的影響作用范圍逐漸擴(kuò)大。分析認(rèn)為導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于；（1）深部采掘擾動(dòng)了原有的應(yīng)力狀態(tài)，使得土的應(yīng)力產(chǎn)生重新調(diào)整；（2）受深部土體固有的力學(xué)性質(zhì)的影響，如土體固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)在隨深度變化曲線上存在一個(gè)顯著的平直段；（3）采動(dòng)在擠壓區(qū)引起孔隙壓力的迅猛增加，而孔隙壓力的消散則較為緩慢。

關(guān)鍵詞：厚覆蓋層 深部采掘 滲透系數(shù) 固結(jié)系數(shù) 時(shí)間效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0038-02

深部煤層開采引起的覆巖下沉、移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大范圍的變形，這種變形在空間上表現(xiàn)為遷延性，在時(shí)間上也具有長效性[1]。如淮南市的大通鎮(zhèn)、九龍崗鎮(zhèn)、淮北市的烈山鎮(zhèn)、徐州的大屯、山東棗莊柴里等地，開采塌陷區(qū)形成數(shù)年后，其外圍鄰近塌陷區(qū)的村莊房屋及其他地表建筑物陸續(xù)發(fā)生了開裂變形的情況，有的地方居民甚至經(jīng)歷兩次以上搬遷[2]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，盡管礦區(qū)深部采掘活動(dòng)已經(jīng)停止，離塌陷盆地較遠(yuǎn)的一些后建建筑的規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)也完全遵循相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如選址不但在劃定的邊界角范圍之外，還考慮了沉降速率等因素），其中仍還有不少建筑在經(jīng)歷2～3年穩(wěn)定期后，陸續(xù)發(fā)生開裂。

深部煤炭資源的開采所引起的地表土層變形是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)問題[3]，它涉及變形機(jī)制、土的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)、場地應(yīng)力調(diào)整等諸方面[4]。對(duì)這一問題進(jìn)行深入研究，有助于揭開厚覆蓋地區(qū)深部煤炭資源開采對(duì)淺部土層性質(zhì)的影響，從而為合理評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)、正確評(píng)估土地資源價(jià)值提供科學(xué)依據(jù)。

1 深部采動(dòng)對(duì)淺表土層影響的時(shí)效現(xiàn)象

礦區(qū)病害建筑、橋梁加固實(shí)踐表明，受采空塌陷影響地基即便采取加固、補(bǔ)強(qiáng)等措施，地基的變形仍難以消除—— 經(jīng)歷一段時(shí)間后仍會(huì)產(chǎn)生新的變形。有些深層擾動(dòng)場地土的延續(xù)性變形現(xiàn)象甚至?xí)v經(jīng)數(shù)年才逐漸趨于穩(wěn)定。深部采動(dòng)對(duì)淺表土層影響的時(shí)效性主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 地表沉降

厚覆蓋地區(qū)，深部煤炭資源的開采對(duì)地表的影響因采掘深度不同而存在時(shí)間和空間上的差異[5]。表1為某礦業(yè)集團(tuán)多個(gè)煤礦開采深度與地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間實(shí)測匯總，從中不難發(fā)現(xiàn)，隨開采深度加深，其對(duì)地表影響不但范圍加大，而且對(duì)地表移動(dòng)影響的延續(xù)時(shí)間也顯著延長。（表1）

1.2 物化探指標(biāo)

不同時(shí)段物理化學(xué)探結(jié)果驗(yàn)證[6]，采動(dòng)塌陷引發(fā)的應(yīng)力變化對(duì)上部土體形成復(fù)雜的影響作用會(huì)擾動(dòng)土的原有結(jié)構(gòu)。如采動(dòng)、塌陷使一定區(qū)域范圍內(nèi)地層的密實(shí)度降低，這樣就會(huì)影響地震波在其中的傳播速度；又如采空區(qū)發(fā)生塌陷后，受影響地層結(jié)構(gòu)變得疏松，在頻散曲線上受影響地段內(nèi)瑞利波速度顯著降低；同樣，由于采空區(qū)塌陷導(dǎo)致周邊巖、土層的裂隙度增加形成豐富的微通道，在接近地表處氡保存條件受到破壞，地層中氡濃度呈現(xiàn)不穩(wěn)定的正異常。此外，采動(dòng)及塌陷區(qū)的巖、土體的電阻率、電磁波都較原場地有一定程度的變化，在以原場地值作為背景的情況下，場地土的許多地球物理特性在空間上呈現(xiàn)出較明顯的趨勢性，這種趨勢性在不同的時(shí)間段表現(xiàn)的極為顯著。

2 時(shí)效本質(zhì)及影響因素

2.1 場地應(yīng)力的調(diào)整

深部煤炭資源開采導(dǎo)致的地表塌陷是一種綜合性物理、力學(xué)現(xiàn)象[7]。受采動(dòng)、塌陷影響，一定范圍內(nèi)的巖、土體將發(fā)生應(yīng)力重分布及包括拉張、壓縮、剪切在內(nèi)的一系列力學(xué)作用。這些力學(xué)作用，不但性質(zhì)復(fù)雜、程度不一，其影響在空間范圍上具有遷延性、在時(shí)間上具有延續(xù)性。

已有研究表明，當(dāng)采空達(dá)到一定的空間規(guī)模時(shí)，采空區(qū)上方巖體中的主應(yīng)力呈現(xiàn)“拱形”分布[8]，并出現(xiàn)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力集中、降低等應(yīng)力傳遞、轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；同時(shí)，由于煤層開采，巖土體中鉛直應(yīng)力分量、水平應(yīng)力分量在空間分布上也都發(fā)生復(fù)雜且的趨勢性變化。

開采打破了原先的平衡，引發(fā)內(nèi)部應(yīng)力在一定范圍內(nèi)的調(diào)整。由于土體的粘、彈、塑性性質(zhì)，它既通過變形產(chǎn)生吸能效應(yīng)使得采動(dòng)影響作用逐漸減弱；同時(shí)也能通過粒間相互作用擴(kuò)散這種傳遞，因此這一調(diào)整在總體趨勢上存在著緩慢、漸變和趨弱等特點(diǎn)，如此構(gòu)成采動(dòng)對(duì)淺表土層影響時(shí)效的力學(xué)基礎(chǔ)。

2.2 深部土體固結(jié)、滲透特性

對(duì)于深部土，馬金榮等研究發(fā)現(xiàn)，厚松散層礦區(qū)黏性土的K0值隨深度變化，并且在一定深度條件下接近于常數(shù)1（有的甚至大于1）[11]！這說明深部土所受水平力作用較強(qiáng)，因此，一旦深部荷載釋放，就會(huì)引起較大的變形（地表沉陷系數(shù)常大于1就是一個(gè)證明）[11]。由于深部土體側(cè)限水平作用很大，且土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較高，因此變形的調(diào)整將是一個(gè)緩慢的過程。

此外，采動(dòng)導(dǎo)致的卸荷會(huì)使土體產(chǎn)生回彈，雖然回彈值不是很大，并且超固結(jié)土體最終仍將發(fā)生壓縮變形，但因此延長了土的固結(jié)時(shí)間無疑增加了對(duì)淺部土層影響的時(shí)效性。

2.4 超孔隙壓力

離心模型試驗(yàn)表明，深部開采活動(dòng)會(huì)引起一定范圍內(nèi)土體孔隙水壓力的變化，如張拉區(qū)孔壓減少，而在擠壓區(qū)則產(chǎn)生超靜孔壓。數(shù)值上，孔壓變化的規(guī)律大體表現(xiàn)為：隨土體開始下，受壓區(qū)孔隙水壓迅速上升；當(dāng)下沉增量趨于減少時(shí)，超靜孔壓會(huì)逐漸從一個(gè)較大值（不一定是峰值）緩慢變小?？讐旱淖兓０殡S著土的重新固結(jié)過程，因此孔壓從短期內(nèi)迅速聚集到緩慢減少，必定經(jīng)歷一個(gè)較長的時(shí)間過程，這也就導(dǎo)致上覆土體變形存在時(shí)間效應(yīng)的一個(gè)重要原因。

3 結(jié)論

厚覆蓋地區(qū)，深部采動(dòng)使得土中原有的應(yīng)力場受到擾動(dòng)，從而引發(fā)應(yīng)力的重新調(diào)整，如此對(duì)地表土的影響不但存在空間效應(yīng)，還存在時(shí)間效應(yīng)。其主要原因在于：

（1）深部土體的側(cè)限作用較強(qiáng)，相應(yīng)的土體水平變形能力也大，因此深部采掘引發(fā)的局部范圍應(yīng)力釋放會(huì)延續(xù)一個(gè)較長的過程。

（2）受深部土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制，如深部土體固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)普遍存在一個(gè)不隨壓力增大而變化的平直段，與淺層土相比，即使達(dá)到同一固結(jié)度，深部土體都會(huì)經(jīng)歷更長的固結(jié)時(shí)間。

（3）深部采動(dòng)在擠壓區(qū)引發(fā)孔隙水壓快速、迅猛聚積，而孔隙壓力的消散速度則受土的滲透性質(zhì)影響是一個(gè)緩變過程，這也是時(shí)效性的一個(gè)重要原因。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡江東.結(jié)構(gòu)擾動(dòng)土細(xì)觀識(shí)別方法及物理力學(xué)性質(zhì)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 周國銓.我國采礦下沉研究的概況[J].礦山測量，1981（1）：111-125.

[3] 孟磊，馮啟言，張海榮，等.徐州大屯中心區(qū)地面沉降機(jī)理分析與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008（19）3：60-63.

[4] 張永波.老采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性及其變形破壞規(guī)律的研究[D].山西：太原理工大學(xué)，2005.

[5] 蔡江東.深部采動(dòng)對(duì)塌陷盆地周邊土體影響的空間效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)，2011（S2）：401-407.

[6] 劉菁華，王祝文，朱士，等.煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)的地球物理探查[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30（6）：715-719.

[7] 何國清，楊倫，凌庚娣，著.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[8] 隋旺華，狄乾生.開采沉陷土體變形與孔隙水壓相互作用研究進(jìn)展[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1999（17）：303-309.

[9] 隋旺華，陳奇.簡論煤層開采沉陷土體變形的研究意義、現(xiàn)狀、機(jī)理及預(yù)測方法[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1995（6），1：1-6.

[10] 馬金榮.深層土的力學(xué)特性研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1998.

[11] 隋旺華，金曉媚.厚松散層土體采礦沉陷的位移變形分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1993（4）：452-459.