建筑荷載影響下的淺部老采空區(qū)覆巖變形破壞相似材料模擬研究

韓科明

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，建設(shè)項(xiàng)目越來越多，土地資源越來越寶貴。特別對(duì)于煤炭資源型城市來說，煤炭的大量開采造成土地?fù)p毀和建設(shè)用地匱乏，開發(fā)利用采煤沉陷區(qū)土地是不可避免的趨勢(shì)［1］。

在采煤沉陷研究中，將連續(xù)6個(gè)月地表下沉值不超過30mm時(shí)作為地表移動(dòng)期的結(jié)束，即地表移動(dòng)穩(wěn)定［2］。地表移動(dòng)穩(wěn)定后，老采空區(qū)破損覆巖雖經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間地壓實(shí)，但仍不可避免地存在一定的空隙，抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度明顯低于原始巖體的強(qiáng)度，其巖體結(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，不能承受較大外力擾動(dòng)［3－5］。若深厚比 (采深與采厚的比值)較大，破損巖體距離地表較遠(yuǎn)，則建筑荷載不會(huì)影響其原有的穩(wěn)定狀態(tài);但若深厚比較小，地表的建筑荷載向下傳遞將有可能打破其原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地表產(chǎn)生新的移動(dòng)和變形，影響到建 (構(gòu))筑物的安全使用［6］。因此，在深厚比較小的淺部老采空區(qū)地表建設(shè)，更易引發(fā)老采空區(qū)覆巖失穩(wěn)破壞。本文采用相似材料模擬試驗(yàn)的方法對(duì)淺部老采空區(qū)覆巖空隙分布特征和荷載影響下的老采空區(qū)覆巖失穩(wěn)破壞過程進(jìn)行了模擬研究，為淺部老采空區(qū)地表安全建設(shè)提供借鑒。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h2>

試驗(yàn)以淮南集團(tuán)某礦地質(zhì)條件為試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮?，試?yàn)區(qū)可采煤層3層，自上而下分別為13煤采厚4m，11煤采厚2m，8煤采厚3m。其中13煤和11煤出露地表，煤層傾角15°。

模型依據(jù)礦井原型條件按比例分層鋪設(shè)，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為4200mm×250mm×1500mm，模型巖層按照煤層傾斜方向分層鋪設(shè)。試驗(yàn)選擇河砂作為填料，石灰和石膏作為膠結(jié)物，通過不同的配比來達(dá)到各分層所需要的強(qiáng)度要求。培養(yǎng)完成后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。

圖1 培養(yǎng)完成后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本試驗(yàn)幾何相似常數(shù)取αl=1/200;時(shí)間相似常數(shù)取容重相似常數(shù)取αp=5/8;根據(jù)相似指標(biāo)，可得應(yīng)力相似常數(shù)為:ασ=αl× αp=1/320。

根據(jù)試驗(yàn)相似常數(shù)和試驗(yàn)原型的地質(zhì)條件確定材料物理力學(xué)參數(shù)及配比見表1。本次試驗(yàn)材料選擇河砂作為骨料，石灰和石膏作為膠結(jié)物。表中配比號(hào)第1組數(shù)字代表骨料與膠結(jié)物的比值，第2，3組數(shù)字代表兩種膠結(jié)物在膠結(jié)物總量中所占比例。

在模型頂部用千斤頂施加壓力的方式模擬建筑荷載，施加建筑荷載的壓片平面尺寸為80mm×150mm，千斤頂固定在模型上梁，千斤頂?shù)撞繅浩ㄟ^與模型頂部接觸加載壓力。

試驗(yàn)按照一次開采5m的方式向前推進(jìn)，工作面長(zhǎng)度為160m。首先在8煤中由深至淺分別開采4個(gè)工作面即 0801，0802，0803和0804;模型變形穩(wěn)定后，按照先開采13煤再開采11煤的順序在兩煤層中分別各開采1個(gè)工作面，標(biāo)記為1301和1101。至此，老采空區(qū)模型建立完畢。

表1 模型巖層物理力學(xué)參數(shù)及材料配比

2 老采空區(qū)覆巖空隙形成過程和分布特征

隨著工作面的推進(jìn)，頂板巖層逐漸垮落，垮落后的巖石散亂地堆積在采空區(qū)中，呈不規(guī)則性。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，上覆巖層出現(xiàn)離層。試驗(yàn)顯示，離層并非是逐層自下而上發(fā)展，而是首先在上覆巖層中第一層硬巖的下部出現(xiàn)，隨工作面的推進(jìn)離層高度和長(zhǎng)度都增大，在其巖組內(nèi)部也發(fā)生不同高度和長(zhǎng)度的離層，離層下的巖組撓曲加大，中間部分增加的幅度更大，在采空區(qū)中央接觸到頂板不規(guī)則垮落巖石后慢慢趨于穩(wěn)定［7］。采空區(qū)開切眼和停采邊界處的上覆巖層在兩端破斷，有空洞出現(xiàn)，在上覆巖層中出現(xiàn)高角度縱向裂隙。當(dāng)工作面推進(jìn)距離較小時(shí)裂隙角較小，縱向裂隙發(fā)育高度也較低。隨著工作面推進(jìn)裂隙角逐漸增大，裂隙發(fā)育高度增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后趨于穩(wěn)定(離層裂隙和縱向裂隙推進(jìn)方向延展但不再向上發(fā)展，裂隙角變化不大)。

從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，地下開采形成的空間一部分被垮裂覆巖碎脹充填，另外一部分則形成殘留空間。殘留空間一部分出現(xiàn)在開采邊界附近，在該處由于覆巖具有一定的剛度，在采空區(qū)邊緣形成懸頂，從而使覆巖不垮落而形成空洞;另有一部分是覆巖中存在的離層，由于上方巖體的剛度大于下方巖體的剛度，在巖層移動(dòng)過程中出現(xiàn)離層，從而形成空間，這部分空間由于巖層結(jié)構(gòu)已經(jīng)平衡，在沒有外因擾動(dòng)的條件下將長(zhǎng)期存在［8］。

煤層開采完成后，模型放置養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后觀察結(jié)果，垮落巖石、離層裂隙和縱向裂隙有不同程度地壓密和閉合，采空區(qū)邊界處的空洞上的巖塊有些失穩(wěn)掉下，但未充滿空洞，且沒有再向上覆巖層發(fā)育。從觀測(cè)數(shù)據(jù)看，開采完成到養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，地表的下沉量變化很小。

3 老采空區(qū)中央上方地表加載覆巖空隙演化及地表下沉分析

3.1 0803采空區(qū)中央上方地表加載

0803工作面采深130～170m，深厚比43～57。在該采空區(qū)中央正上方持續(xù)加載，覆巖空隙演化過程見圖2。

圖2 建筑荷載作用下0803工作面采空區(qū)覆巖空隙演化示意

加載各階段采空區(qū)覆巖沒有明顯的破壞性變形。不同荷載作用下的地表下沉變化見圖3。

圖3 建筑荷載作用下0803工作面地表下沉曲線

由圖2，圖3可知，加載初期至0.667MPa(該數(shù)據(jù)為建筑物實(shí)際荷載，以下同)，隨著荷載的增加，采空區(qū)覆巖壓實(shí)度相應(yīng)增加，地表下沉平穩(wěn)增大，最大下沉160mm(該數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)化后的實(shí)際下沉量，以下同);加載至1MPa，地表下沉迅速增加，最大下沉達(dá)到635mm;加載至1.17MPa，覆巖基本穩(wěn)定，地表變形僅有微小增加，最大下沉保持在640mm不再增大。

3.2 1301采空區(qū)中央上方地表加載

1301工作面采深80～120m，深厚比20～30。在該采空區(qū)中央正上方持續(xù)加載，覆巖空隙演化過程見圖4。隨著荷載的增加，采空區(qū)上方垮裂覆巖被快速壓縮，加載處正下方巖層出現(xiàn)較大變形，裂縫帶直接發(fā)育至地表 (圖4(b))。當(dāng)加載到0.3MPa時(shí)，覆巖變形破壞明顯 (圖4(c))，變形最大處出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，模型已不能承受更大荷載。圖5為建筑荷載作用下1301工作面地表下沉曲線。

圖4 建筑荷載作用下1301工作面采空區(qū)覆巖空隙演化示意

圖5 建筑荷載作用下1301工作面地表下沉曲線

由圖5可知，建筑荷載引起的地表下沉最大區(qū)域位于加載處，下沉曲線較陡［9］，最大下沉量達(dá)到2430mm。

4 采空區(qū)邊界上方地表加載覆巖空隙演化及地表下沉分析

0804工作面右邊界采深80m，深厚比小于30。在采空區(qū)右邊界正上方加載，覆巖空隙演化過程見圖6。加載初期至0.667MPa，采空區(qū)右邊界正上方發(fā)育縱向裂縫并逐漸貫通至地表，在荷載作用下右邊界上方覆巖開始向采空區(qū)方向移動(dòng)，由此在覆巖內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力促使右邊界右側(cè)煤柱上方從地表發(fā)育縱向裂縫 (圖6(b))，地表最大下沉180mm;加載至0.917MPa，覆巖沿采空區(qū)右邊界正上方的縱向裂縫斷裂，形成整體性切冒 (圖6(c))，地表最大下沉急劇增加到1300mm。圖7顯示了不同荷載作用下的地表下沉變化。

圖6 建筑荷載作用下0804工作面采空區(qū)邊界處覆巖空隙演化示意

圖7 建筑荷載作用下0804工作面采空區(qū)邊界上方地表下沉曲線

分析觀測(cè)結(jié)果得知，當(dāng)荷載較小時(shí)，淺部老采空區(qū)邊界正上方附近地表最大變形區(qū)域分布在采空區(qū)上方;當(dāng)荷載達(dá)到一定極限值時(shí)，在靠近采空區(qū)邊界的煤柱上方也出現(xiàn)較大的變形區(qū)。這表明:淺部老采空區(qū)邊緣兩側(cè)受建筑荷載影響地表變形較大。

相對(duì)于采空區(qū)中央?yún)^(qū)域，采空區(qū)邊界區(qū)域垮落覆巖壓實(shí)性較差且存在空洞區(qū)，當(dāng)采空區(qū)埋深較大時(shí)，受荷載影響地表殘余變形是均勻的、連續(xù)的，彎曲帶巖體的整體性支撐效應(yīng)分散了建筑荷載的影響，采空區(qū)邊界處覆巖被進(jìn)一步壓實(shí)，但不會(huì)引起邊界空洞的失穩(wěn)，在地表不會(huì)出現(xiàn)較大的變形;淺部老采空區(qū)覆巖內(nèi)不存在彎曲帶巖層的整體性支撐效應(yīng)或因?yàn)榇祟悗r層較薄不足以分散荷載的影響，荷載直接作用在空洞上方的已斷裂或者破碎的巖層上，引發(fā)巖層再次失穩(wěn)破壞，空洞被破碎巖層填充，覆巖沿采空區(qū)邊界上方發(fā)育的裂縫整體性斷裂，形成覆巖切冒，嚴(yán)重時(shí)可直接切冒至地表，相對(duì)于淺部老采空區(qū)中央正上方受建筑荷載影響，淺部老采空區(qū)邊界正上方受荷載影響后地表變形表現(xiàn)出更明顯的不均勻性和不連續(xù)性。

5 結(jié)論

(1)受建筑荷載影響老采空區(qū)殘留空隙二次壓縮或失穩(wěn)是淺部老采空區(qū)地表產(chǎn)生新的較大變形的根本原因。

(2)老采空區(qū)覆巖殘留空隙主要有離層、裂隙、空洞三類。離層是由于上方巖體的剛度大于下方巖體的剛度，在巖層移動(dòng)過程中生成，從而形成空間，這部分空間由于巖層結(jié)構(gòu)已經(jīng)平衡，在沒有外因擾動(dòng)的條件下將長(zhǎng)期存在;裂隙主要分布在垮落帶和裂縫帶內(nèi)，這些破損巖層雖經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的壓實(shí)但仍不可避免地存在裂隙;空洞主要分布于開采邊界附近 (有少部分存在于未壓密的垮落帶內(nèi))，在該處由于覆巖具有一定的剛度而形成懸頂，從而使覆巖不垮落而形成空洞。

(3)當(dāng)深厚比較大時(shí) (荷載影響不到采空區(qū)垮裂覆巖)，在采空區(qū)中央正上方持續(xù)加載，覆巖離層被壓實(shí)閉合，垮裂帶巖層沒有明顯變化，在模型條件下加載至1.17 MPa時(shí)覆巖穩(wěn)定，地表最大下沉保持在640mm不再增大。當(dāng)深厚比較小時(shí)，荷載直接作用在老采空區(qū)已破損覆巖上，會(huì)加速覆巖的變形破壞，進(jìn)而在地表產(chǎn)生新的較大變形［10］，在模型條件下加載到0.3 MPa時(shí)，地表最大下沉達(dá)到2430mm。

(4)在淺部采空區(qū)邊界上方地表持續(xù)加載，采空區(qū)邊界殘留空洞上方發(fā)育縱向裂縫，隨著荷載的增大覆巖沿縱向裂縫整體性斷裂，直至切冒到地表，地表變形表現(xiàn)出明顯的不均勻性和不連續(xù)性。

［1］李鳳明.我國(guó)采煤沉陷區(qū)治理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.煤礦開采，2011，16(3):8－10.

［2］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］朱廣軼，解 陳，竇 明，等.老采區(qū)及地表殘余變形對(duì)建筑物的影響 ［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2012，24(3):70－74.

［4］熊彩霞，劉 明，馬金榮.采空區(qū)對(duì)地面建筑物的影響及工程措施［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，20(1):72－74.

［5］韓 雪，景海河，周 莉.采空塌陷區(qū)上部工程建設(shè)方案優(yōu)化及結(jié)構(gòu)對(duì)策［J］.礦山壓力與頂板管理，2005(3):71－73.

［6］滕永海，張俊英.老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1997，22(5):204－508.

［7］魏久傳，李忠建，郭建斌，等.淺埋煤層采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)相似材料模擬研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(4):11－13.

［8］白國(guó)良，李樹志，高均海.老采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征及活化機(jī)理研究［J］.煤礦開采，2010，15(5):12－13.

［9］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］.太原:太原理工大學(xué)，2005.

［10］韓科明.擾動(dòng)因素影響下老采空區(qū)覆巖變形破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究［A］.2011全國(guó)礦山測(cè)量新技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.北京:中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)，2011.

［11］韓科明，譚勇強(qiáng)，謝 千.淺部多煤層開采形成的老采空區(qū)地表興建建筑物可行性研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2012，38(7):50－53.