建筑荷載作用下老采空區(qū)上方覆巖與地表殘余變形規(guī)律研究

徐良驥，郭 輝，朱 楠，秦長(zhǎng)才

(安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽淮南232001)

一、引 言

隨著礦區(qū)煤電一體化基地的建設(shè)和礦業(yè)城市的發(fā)展，老采空區(qū)上方土地越來(lái)越多地被作為建筑用地，老采空區(qū)上方興建建筑物是礦業(yè)城市土地利用的重要途徑［1］。在穩(wěn)定的老采空區(qū)上方興建建筑物時(shí)，老采空區(qū)上方的冒落裂隙帶巖層受建筑荷載應(yīng)力作用將產(chǎn)生二次變形，進(jìn)而導(dǎo)致地表產(chǎn)生殘余變形并對(duì)建(構(gòu))筑物形成損害。本文以淮南礦區(qū)新莊孜礦新淮工廣為試驗(yàn)點(diǎn)，通過(guò)相似材料模擬試驗(yàn)，反演分析重復(fù)開(kāi)采條件下覆巖與地表移動(dòng)變形特征以及建筑荷載作用下老采空區(qū)殘余變形規(guī)律，為老采空區(qū)上方土地開(kāi)發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料［2－8］。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

1.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

新莊孜礦新淮工廠建立在新莊孜礦32采區(qū)、42采區(qū)及44采區(qū)等重復(fù)開(kāi)采穩(wěn)沉區(qū)上方地表，試驗(yàn)以研究區(qū)內(nèi)B11b、C13煤層為原型、煤層傾角18°，鋪設(shè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?3000 mm×300 mm×1700 mm，試驗(yàn)采用幾何相似比Cl=1∶200、容重相似比 Cr=1 ∶3.33、應(yīng)力相似比 Cσ=1 ∶333、時(shí)間相似比 Ct=1∶12。模擬實(shí)際開(kāi)采長(zhǎng)度360 m，模型兩側(cè)分別留有不同寬度(上山方向500 mm，下上方向750 mm)的煤柱。相似材料模型如圖1所示。

模型首先開(kāi)采C13煤層，每隔2小時(shí)開(kāi)挖一次，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度5 cm，穩(wěn)定后開(kāi)采下伏B11b煤層。待覆巖和地表移動(dòng)變形穩(wěn)定后，再在老采空區(qū)上方地表不同位置施加模擬載荷。

圖1 相似材料模型

2.模型觀測(cè)［9］

1)模型上從上到下布設(shè)5條觀測(cè)線，其中1號(hào)水平觀測(cè)線布設(shè)在近地表松散層內(nèi)，2號(hào)、3號(hào)及4號(hào)觀測(cè)線自上而下依次布設(shè)在主關(guān)鍵層上，5號(hào)觀測(cè)線布設(shè)在C13和B11b煤層間的亞關(guān)鍵層上。觀測(cè)線上相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距離約為10 cm，采用0.5″全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移觀測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位精度m＜0.20 mm。各觀測(cè)線設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2)模型中共布設(shè)14枚壓力盒，其中沿煤層傾斜方向共布設(shè)5層，第1層2枚，間距0.62 m;第2、3、4、5 層各 3 枚，間距分別為 1.01 m、0.62 m，采用TS3890靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行模型應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。壓力盒的布設(shè)位置如圖2所示。

表1 各觀測(cè)線設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 模型壓力盒布置示意圖

3)模型停采且移動(dòng)變形穩(wěn)定后，分別在煤層的停采線、開(kāi)切眼上方、采空區(qū)正上方和采空區(qū)邊界煤柱上方地表施加載荷，施加荷載時(shí)按實(shí)際建筑荷載0.23 MPa、0.46 MPa 和 0.68 MPa 依次增加。模型杠桿加載裝置及加載位置如圖3、圖4所示。

圖3 模型杠桿加載裝置示意圖

圖4 模型加載位置示意圖

三、試驗(yàn)結(jié)果與討論

1.覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

1)模型開(kāi)采過(guò)程中對(duì)5條觀測(cè)線進(jìn)行監(jiān)測(cè)并繪制下沉曲線，如圖5—圖9所示。

a.如圖5—圖8所示，C13工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，1號(hào)觀測(cè)線開(kāi)始下沉;C13開(kāi)采結(jié)束后，1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線和4號(hào)線的最大下沉值分別為771 mm、874 mm、985 mm和1262 mm。

b.如圖5—圖8所示，當(dāng)C13工作面上覆巖層穩(wěn)定后，模型繼續(xù)開(kāi)采下伏B11b煤層，當(dāng)工作面推進(jìn)到160 m時(shí)，1號(hào)線下沉曲線有較明顯的變化，下沉都更加劇烈;開(kāi)采結(jié)束且上覆巖層穩(wěn)定后，1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線和4號(hào)線的最大下沉值分別為6204 mm、5558 mm、5664 mm 和6025 mm。

c.如圖9所示，C13煤層工作面開(kāi)采穩(wěn)定后，模型開(kāi)采下伏B11b煤層工作面，工作面推進(jìn)至320 m時(shí)，5號(hào)觀測(cè)線處的亞關(guān)鍵層發(fā)生破斷，其變形曲線由連續(xù)性轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B續(xù)性。

圖5 1號(hào)觀測(cè)線下沉曲線圖

圖6 2號(hào)觀測(cè)線下沉曲線圖

圖7 3號(hào)觀測(cè)線下沉曲線圖

圖8 4號(hào)觀測(cè)線下沉曲線圖

圖9 5號(hào)觀測(cè)線下沉曲線圖

2)模型模擬開(kāi)采覆巖破壞情況如圖10所示。

圖10

圖11

a.當(dāng)C13工作面推進(jìn)距離50 m，頂板開(kāi)始垮落，巖層呈梯字形垮落，推進(jìn)至120 m時(shí)(如圖10(a)所示)，頂板上部約5 m處有離層;模擬推進(jìn)至200 m時(shí)(如圖10(b)所示)，在其上方20 m處出現(xiàn)一條較明顯的裂縫，長(zhǎng)約130 m;隨著工作面推進(jìn)至360 m時(shí)(如圖10(c)所示)垮落面積增大，層間裂縫也越來(lái)越大。

b.C13煤層開(kāi)采結(jié)束，上覆巖層穩(wěn)定后，模擬開(kāi)采B11b煤層。當(dāng)B11b工作面推進(jìn)距離40 m，頂板呈梯字形垮落，推進(jìn)至170 m時(shí)(如圖10(d)所示)，頂板垮落面積增大，推進(jìn)至220 m時(shí)(如圖10(e)所示)，其上覆巖層出現(xiàn)數(shù)條裂縫;推進(jìn)至320 m時(shí)，C13與B11b之間的巖層整體垮落;推進(jìn)至360 m時(shí)(如圖10(f)所示)，C13煤層上覆巖層垮落面積增大，且壓實(shí)C13與B11b之間的垮落覆巖。

2.荷載作用下地表殘余變形規(guī)律

C13和B11b煤層開(kāi)采完畢、模型穩(wěn)定后，在老采空區(qū)上方地表不同位置施加荷載，地表殘余移動(dòng)變形曲線及其與荷載量關(guān)系如圖11—圖13所示。

在模型中老采空區(qū)上方地表根據(jù)實(shí)際建筑物荷載依次施加荷載 0.23 MPa、0.46 MPa 和 0.68 MPa。

1)如圖11所示，在停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表施加荷載時(shí)，荷載所在位置發(fā)生了不均勻沉降。隨著荷載量的增加，殘余下沉值也隨之增加。當(dāng)施加0.23 MPa的荷載時(shí)，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表殘余下沉值分別為10 mm、6 mm、24 mm和5 mm。當(dāng)荷載達(dá)到最大的0.68 MPa時(shí)，4個(gè)位置達(dá)到最大下沉值分別為46 mm、39 mm、98 mm和23 mm。

2)如圖12所示，施加荷載后，荷載所在位置傾斜變形值較大，隨著荷載量的增加，殘余傾斜變形值隨之增大。當(dāng)施加0.23 MPa的荷載時(shí)，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表殘余傾斜變形值分別為 0.21 mm/m、0.15 mm/m、0.21 mm/m 和 0.1 mm/m。當(dāng)達(dá)到最大荷載 0.68 MPa時(shí)，4個(gè)位置的殘余傾斜變形為0.6 mm/m、0.38 mm/m、0.28 mm/m 和 0.2 mm/m。

3)如圖13所示，施加荷載后，荷載所在位置水平變形值發(fā)生變化，隨著荷載量的增加，殘余水平變形值隨之增大。當(dāng)施加0.23 MPa的荷載時(shí)，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表殘余水平變形值分別為0.12 mm/m、0.1 mm/m、0.15 mm/m 和 0.1 mm/m。當(dāng)達(dá)到最大荷載0.68 MPa時(shí)，4個(gè)位置的殘余水平變形值分別為1.1 mm/m、0.7 mm/m、0.4 mm/m 和 0.2 mm/m。

荷載作用下，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表都產(chǎn)生了殘余變形，并隨著荷載增加，變形值隨之增大。其中，采空區(qū)中央上方地表殘余下沉值最大;停采線上方地表殘余傾斜變形值和水平變形值最大，煤柱上方地表變形值最小。因此，在煤柱上方地表興建建筑物時(shí)安全性能要好于其他部位。

3.覆巖應(yīng)力變化特征

通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)得到煤層上覆巖層內(nèi)部應(yīng)力變化曲線如圖14—圖16所示。

圖12

圖13

圖14

圖15

圖16

由圖14—圖16可知:

1)隨著模擬工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層垮落，造成覆巖應(yīng)力變化，覆巖各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力緩慢上升，且距離工作面近的位置應(yīng)力變化大，距離工作面遠(yuǎn)的位置應(yīng)力變化小。其中在級(jí)數(shù)為288時(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到峰值，距離工作面較近的采空區(qū)上方、停采線上方和煤柱邊界上方的1測(cè)點(diǎn)、5測(cè)點(diǎn)和2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變 化 最大，分別為 12.3 MPa、12.9 MPa 和12.1 MPa。距離工作面較遠(yuǎn)的12測(cè)點(diǎn)、14測(cè)點(diǎn)和13 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化最小，分別為 3.2 MPa、3.0 MPa 和2.8 MPa。隨著工作面上覆巖層穩(wěn)定，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

2)對(duì)模型進(jìn)行加載，離地表加壓位置較近的測(cè)點(diǎn)受到較小的響應(yīng)，應(yīng)力值增大，隨后漸趨于穩(wěn)定，而距離地表較遠(yuǎn)的其他測(cè)點(diǎn)幾乎沒(méi)有變化。在級(jí)數(shù)為1439時(shí)模型開(kāi)始施加荷載。距離地表較近的采空區(qū)上方、停采線上方和煤柱邊界上方的12測(cè)點(diǎn)、14測(cè)點(diǎn)和13測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增加，當(dāng)施加荷載達(dá)到最大的0.68 MPa時(shí)，12測(cè)點(diǎn)、14測(cè)點(diǎn)和13測(cè)點(diǎn)分別為0.7 MPa、1.7 MPa 和 1.2 MPa。當(dāng)級(jí)數(shù)為 1722 時(shí)，12測(cè)點(diǎn)、14測(cè)點(diǎn)和13測(cè)點(diǎn)應(yīng)力開(kāi)始穩(wěn)定，并不再發(fā)生變化。

四、結(jié)論與建議

1)相似材料模擬試驗(yàn)表明，重復(fù)開(kāi)采會(huì)造成工作面上覆巖層垮落，從而導(dǎo)致覆巖和地表的移動(dòng)變形，且移動(dòng)變形破壞比單一工作面開(kāi)采劇烈。

2)在穩(wěn)定的老采空區(qū)上方地表不同位置施加荷載，會(huì)造成地表發(fā)生殘余變形，其中采空區(qū)上方地表下沉值最大，停采線上方地表殘余傾斜變形值和水平變形值最大，煤柱上方地表移動(dòng)變形值最小;隨著荷載增加，地表殘余變形量也隨之增大。

3)隨著工作面的推進(jìn)覆巖間應(yīng)力值增大，并達(dá)到一定峰值。隨著工作面上方覆巖移動(dòng)變形的穩(wěn)定，其應(yīng)力也會(huì)下降并趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定的采空區(qū)地表施加荷載，會(huì)引起離地表距離近的位置應(yīng)力發(fā)生較小響應(yīng)，且隨著荷載增加而增大，最后趨于穩(wěn)定;而距離地表較遠(yuǎn)的位置應(yīng)力值幾乎沒(méi)有變化。

4)為減少建筑荷載作用下地表殘余變形的影響，在老采空區(qū)上方興建大型建筑物時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取灌漿充填裂縫、加固地基等措施治理采空區(qū)興建建筑物損害變形造成的損害［10－12］。

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