建筑荷載下淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律與機(jī)理

陳紹杰，祝偉豪，汪 鋒，尹大偉，任夢(mèng)梓,3，ВАРНАВСКИЙ КИРИЛЛ

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；4.庫茲巴斯國(guó)立技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，俄羅斯 克麥羅沃 650000)

煤炭資源大規(guī)模開發(fā)利用的同時(shí)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響[1-6]，形成了大量的采煤塌陷地。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，未來10 a，山東將新增采煤塌陷地約383.9 km2，采煤塌陷地快速增加與城市發(fā)展建設(shè)用地逐漸減少的矛盾日益突出，對(duì)采煤塌陷地進(jìn)行建設(shè)利用已成為城市拓展發(fā)展空間、加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的有效途徑[7-12]。研究建筑荷載下老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律并揭示其機(jī)理是采煤塌陷地能否作為建設(shè)用地開發(fā)利用并保障建筑物安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

近年來有眾多學(xué)者考慮建筑荷載作用對(duì)采煤塌陷地進(jìn)行了大量研究。LI等[13]相似物理模擬了建筑荷載在采空區(qū)上的擴(kuò)展深度和采動(dòng)擾動(dòng)程度的關(guān)系。XU等[14]在通過受采動(dòng)裂隙、地震作用和建筑物附加應(yīng)力影響下的老采空區(qū)數(shù)值模型分析了老采空區(qū)上方建筑物在不同抗震設(shè)防烈度下的穩(wěn)定性。任連偉等[15]提出了考慮活化變形、剩余變形、附加變形的采空區(qū)建筑地基沉降變形計(jì)算方法。GUO等[16]在老采空區(qū)覆巖探測(cè)的基礎(chǔ)上分析了采空區(qū)注漿加固后建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。韓科明等[17-18]指出建筑荷載作用于下淺埋老采空區(qū)地表變形表現(xiàn)為不均勻和非連續(xù)性，分析了建筑荷載作用下采空區(qū)覆巖的穩(wěn)定性。徐良驥等[19]物理模擬研究了荷載條件下重復(fù)采動(dòng)形成的老采空區(qū)殘余變形及應(yīng)力變化規(guī)律。海龍等[20]以金家莊煤礦為例的物理模擬得到了采空區(qū)新建建筑的選址準(zhǔn)則和荷載標(biāo)準(zhǔn)。郭文兵等[21]建立了載荷作用下采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，評(píng)估了采空區(qū)地表工程建設(shè)的安全性。筆者[22]結(jié)合山東某煤礦老采空區(qū)上方大型工程建設(shè)案例，分析了采空區(qū)地表變形對(duì)擬建建筑物穩(wěn)定性的影響并提出了相應(yīng)的采空地層高效注漿加固治理技術(shù)與工藝。

上述研究為采煤塌陷地工程建設(shè)時(shí)采空區(qū)上方建筑物穩(wěn)定性、采空區(qū)地表殘余變形和老采空區(qū)加固治理提供理論和技術(shù)支撐。但對(duì)于采煤塌陷地新建建筑物時(shí)，同時(shí)考慮老采空區(qū)覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)和不同條件建筑荷載作用下地表移動(dòng)變形規(guī)律與機(jī)理的研究鮮有報(bào)道。筆者以山東某礦為例，在分析淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)覆巖特征的基礎(chǔ)上，基于采動(dòng)覆巖承載結(jié)構(gòu)理論分析淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)，研究建筑荷載作用下淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律，探討淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形機(jī)理。研究結(jié)果能為采煤塌陷地上新建建筑物位置選擇、建筑物高度和寬度確定，老采空區(qū)覆巖精準(zhǔn)治理加固提供借鑒。

1 淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于山東某礦某采區(qū)，井上下對(duì)照及探測(cè)鉆孔布置如圖1所示，研究的3個(gè)工作面為該礦9煤層其中一個(gè)采區(qū)，9煤層厚度平均2.09 m，埋深75～185 m，平均144 m，煤層傾角5°～12°，平均7°，3個(gè)工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法回采，全部垮落法處理頂板，工作面寬度分別為100，113，93 m，埋深分別為126～133，135～144，145～151 m，傾角平均為7°，為近水平煤層工作面，相鄰工作面間煤柱寬度分別為18，12 m，工作面分別于2008年、2007年和2006年回采結(jié)束。采區(qū)內(nèi)共布置30個(gè)探測(cè)鉆孔，編號(hào)ZK1～ZK30。研究區(qū)域擬新建多棟高層建筑物，建筑物高度14～30層。

圖1 研究區(qū)域井上下對(duì)照及探測(cè)鉆孔布置Fig.1 Ground and underground contrast and detection borehole in study area

1.2 老采空區(qū)覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)相似物理分析

根據(jù)關(guān)鍵層的強(qiáng)度、剛度準(zhǔn)則，可以確定采場(chǎng)上覆巖層中關(guān)鍵層的位置，具體可以借助關(guān)鍵層位置判別軟件KSPB。根據(jù)圖2鉆孔柱狀圖，研究區(qū)域覆巖中含有2層亞關(guān)鍵層和1層主關(guān)鍵層，分別為細(xì)砂巖亞關(guān)鍵層1、中砂巖亞關(guān)鍵層2和粉砂巖主關(guān)鍵層。

圖2 物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Physical simulation experimental model

表1 相似材料配比Table 1 Proportion of similar material

1.3 淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)分析

工作面回采后，采動(dòng)覆巖在水平方向上可以劃分為煤壁支承區(qū)、煤柱支承區(qū)、側(cè)向裂隙區(qū)、矸石壓縮區(qū)[23]。研究區(qū)域工作面回采后采空區(qū)覆巖空間形態(tài)特征如圖3所示。煤壁支承區(qū)范圍受支承壓力范圍影響，此區(qū)域覆巖相對(duì)連續(xù)且完整；煤柱支承區(qū)范圍取決于留設(shè)煤柱寬度、巖層破斷角和裂隙帶發(fā)育高度；側(cè)向裂隙區(qū)覆巖賦存大量裂隙、空洞、空隙等不穩(wěn)定區(qū)域，特別是砌體梁結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊相互鉸接；矸石壓縮區(qū)寬度為工作面寬度減去側(cè)向裂隙區(qū)寬度。

(1)工作面1回采后(圖3(a))亞關(guān)鍵層2產(chǎn)生輕微撓曲但未出現(xiàn)明顯的豎向裂隙，而其下伏巖層全部垮落，亞關(guān)鍵層2與其下伏巖層間產(chǎn)生明顯的離層區(qū)。采空區(qū)垮落巖層在水平方向可劃分為矸石壓縮區(qū)和側(cè)向裂隙區(qū)，側(cè)向裂隙區(qū)巖層分布有大量離層裂隙和豎直裂隙，矸石壓縮區(qū)巖層垮落后逐漸壓實(shí)。采空區(qū)兩側(cè)煤壁支承區(qū)覆巖在上覆巖層載荷下產(chǎn)生輕微撓曲，且在破斷線附近巖層較破碎且有微裂隙發(fā)育。

(2)當(dāng)工作面2和3回采后(圖3(b)，(c))，由于相鄰工作面間煤柱支撐作用，亞關(guān)鍵層2仍未出現(xiàn)明顯的豎向裂隙。在水平方向上，除煤壁支承區(qū)、側(cè)向裂隙區(qū)和矸石壓縮區(qū)之外，相鄰工作面間形成倒梯形的煤柱支承區(qū)。此時(shí)上覆巖層載荷由煤柱支承區(qū)、矸石壓縮區(qū)和煤壁支承區(qū)承載，工作面1和2間的煤柱呈現(xiàn)豎向壓縮變形且出現(xiàn)輕微片幫。

(3)煤柱在長(zhǎng)期承載作用下，煤柱邊緣出現(xiàn)局部化變形和破壞，隨著煤柱持續(xù)承載，煤柱邊緣的局部化破壞逐漸向煤柱中部區(qū)域擴(kuò)散，最終導(dǎo)致整個(gè)煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，如圖3(d)所示。與煤柱初始形態(tài)特征相比，失穩(wěn)破壞后的煤柱高度減小，下邊界寬度增加了32.5%，呈現(xiàn)出扁平形態(tài)，此時(shí)失穩(wěn)破壞后的煤柱仍然具有一定的承載能力。煤柱兩側(cè)頂板巖層發(fā)生回轉(zhuǎn)變形，在煤柱參與支承作用下頂板巖層和底板間形成了三角形空間。亞關(guān)鍵層2發(fā)生破斷而主關(guān)鍵層產(chǎn)生撓曲變形，亞關(guān)鍵層2與下伏巖層間的水平離層裂隙隨著煤柱的失穩(wěn)破壞逐漸閉合，煤壁支承區(qū)、側(cè)向裂隙區(qū)、矸石壓縮區(qū)和煤柱支承區(qū)高度增加。隨著煤柱失穩(wěn)破壞，由于主關(guān)鍵層的承載作用，矸石壓縮區(qū)下邊界寬度增加了80.4%，煤壁支承區(qū)下邊界寬度增加了67.2%，而側(cè)向裂隙區(qū)下邊界寬度減小了23.3%。工程現(xiàn)場(chǎng)中，實(shí)際工況復(fù)雜，四區(qū)的具體寬度與具體工程的實(shí)際采礦條件有關(guān)。

圖3 上覆巖層空間形態(tài)特征Fig.3 Spatial morphology characteristics of overlying strata

1.4 采空覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)地面鉆孔探測(cè)

通過研究區(qū)域地面布置的探測(cè)鉆孔來分析研究區(qū)域采空區(qū)覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)下裂隙發(fā)育和空洞空間分布特征，探測(cè)鉆孔布置如圖1所示。采用SYKL-6深井探測(cè)儀對(duì)完成的鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)電視觀測(cè)成像，鉆孔終孔深度揭露至9煤采空區(qū)底板。將鉆孔探測(cè)的空洞高度與鉆孔揭露區(qū)域煤層開采厚度之比定義為覆巖剩余空隙率，統(tǒng)計(jì)的30個(gè)鉆孔揭露的9煤覆巖剩余空隙率，如圖4所示。

圖4 覆巖剩余空隙率Fig.4 Residual void ratio of overlying strata

覆巖剩余空隙率平均值為36.8%，位于側(cè)向裂隙區(qū)的覆巖剩余空隙率大，最大值為91.7%；位于矸石壓縮區(qū)、煤壁支承區(qū)或煤柱支承區(qū)的覆巖剩余空隙率小，最小值為25%，表明采空區(qū)和裂隙覆巖在長(zhǎng)期自然壓實(shí)條件下原采動(dòng)造成的裂隙和空洞等不穩(wěn)定區(qū)域仍然存在。

以位于采空區(qū)邊界的ZK23號(hào)鉆孔為例，鉆孔終孔深度至9煤采空區(qū)底板，探測(cè)結(jié)果如圖5所示，根據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論及其判別方法[24]，采空區(qū)覆巖中存在3層關(guān)鍵層，分別為細(xì)砂巖亞關(guān)鍵層1，中砂巖亞關(guān)鍵層2，粉砂巖主關(guān)鍵層。工作面上覆巖層主要以砂巖和石灰?guī)r等硬巖為主，厚度占71.4%，已有研究[25]表明硬巖采動(dòng)裂隙和軟巖相比難以自修復(fù)，采空區(qū)封閉后將長(zhǎng)期賦存于巖層中。鉆探過程中鉆頭揭露至9煤層采空區(qū)時(shí)出現(xiàn)進(jìn)尺加快、巖芯破碎、沖洗液漏失并伴有掉鉆現(xiàn)象，鉆孔中出現(xiàn)木支護(hù)、布條等采礦遺留物品。亞關(guān)鍵層1處孔壁破碎且縱向、橫向采動(dòng)裂隙及相鄰巖層臺(tái)階狀明顯，與下伏相鄰巖層間空洞的垂直距離為0.3 m。亞關(guān)鍵層2處孔壁縱向采動(dòng)裂隙發(fā)育明顯，亞關(guān)鍵層2及下伏巖層為工作面裂隙帶。主關(guān)鍵層及上覆巖層中孔壁未見明顯裂隙發(fā)育，表明關(guān)鍵層3及上覆巖層位于采空區(qū)上覆彎曲下沉帶。因此，位于采空區(qū)邊界覆巖破斷張開裂隙、空洞等不穩(wěn)定區(qū)域在采空區(qū)封閉后長(zhǎng)期存在，采空區(qū)地表新建建筑物后，在建筑荷載作用下采動(dòng)裂隙閉合、空洞范圍縮小，可能誘發(fā)覆巖移動(dòng)變形及地表進(jìn)一步下沉。

圖5 地面鉆孔現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果Fig.5 Field observation results of the surface borehole

2 建筑荷載下淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律

2.1 數(shù)值模擬模型

為研究建筑荷載下淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律，選用UDEC作為數(shù)值模擬軟件。取沿工作面傾向的剖面，根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)條件，建立UDEC二維數(shù)值模型如圖6所示。

模型選取彈塑性模型，模型尺寸為730 m×180 m，模型左右邊界水平方向固定，底邊界垂直方向固定，考慮邊界效應(yīng)的影響，模型左右邊界各留200 m煤柱。模型共布置3個(gè)工作面，工作面寬度均為100 m，采高為2.09 m，相鄰工作面間留設(shè)15 m煤柱，煤層埋深為144 m，數(shù)值模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各巖層力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of strata

2.2 建筑荷載加載方案

數(shù)值模擬中通過在模型頂界面施加均布荷載來模擬建筑荷載，通過改變均布荷載大小來模擬建筑物高度，改變均布荷載位置來模擬建筑物與采空區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系，改變均布荷載寬度來模擬建筑物寬度，共計(jì)設(shè)置35組實(shí)驗(yàn)方案分析建筑荷載作用下地表和覆巖移動(dòng)變形規(guī)律，實(shí)驗(yàn)方案具體為：

(1)根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[26]中對(duì)于民用建筑樓面均布活載荷計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，每層樓面載荷設(shè)定為2.0 kN/m2，同時(shí)考慮樓層活載荷折減系數(shù)，設(shè)置6組建筑物高度，分別為12層(36 m)、18層(54 m)、24層(72 m)、30層(90 m)、36層(108 m)、42層(126 m)。

(2)考慮數(shù)值模型中采空區(qū)位置的對(duì)稱性，以建筑物中心與采空區(qū)一側(cè)煤壁間距離為變量，設(shè)置建筑荷載施加位置分別位于煤壁支承區(qū)上部(位置1)、煤壁側(cè)向裂隙區(qū)上部(位置2)、煤柱側(cè)向裂隙區(qū)上部(位置3)、煤柱支承區(qū)上部(位置4)、矸石壓縮區(qū)上部(位置5)5組方案，如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig.6 Numerical model

(3)在建筑荷載寬度對(duì)地表移動(dòng)變形影響方面，根據(jù)不同建筑位置及建筑高度的模擬結(jié)果，選擇最大變形位置施加30層樓的載荷，設(shè)置建筑荷載寬度為30，40，50，60，70 m等5組加載方案進(jìn)行模擬。

2.3 工作面回采后地表移動(dòng)變形

工作面回采后地表移動(dòng)變形指標(biāo)主要包括下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形，在計(jì)算地表移動(dòng)變形指標(biāo)時(shí)，只需得到下沉和水平移動(dòng)，即可算出剩余指標(biāo)。限于篇幅，筆者僅分析地表下沉和水平移動(dòng)曲線，如圖7所示，地表最大下沉量為1 400 mm，最大水平移動(dòng)為332 mm。

圖7 長(zhǎng)壁開采后地表變形曲線Fig.7 Surface deformation curves after longwall mining

2.4 建筑荷載作用下地表移動(dòng)變形規(guī)律

為了分析建筑荷載大小、位置和寬度對(duì)淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形的影響規(guī)律，在研究時(shí)取建筑荷載施加前后地表移動(dòng)變形的差值進(jìn)行分析，如圖8～13所示。

圖8 不同建筑荷載大小下地表移動(dòng)和變形曲線Fig.8 Surface movement and deformation curves under different building load magnitude

2.4.1 建筑荷載大小對(duì)地表移動(dòng)變形影響

在分析建筑荷載大小對(duì)地表移動(dòng)變形影響規(guī)律時(shí)，由于側(cè)向裂隙區(qū)巖層中仍存在大量空洞、離層、裂隙等不穩(wěn)定區(qū)域，當(dāng)不同大小建筑荷載作用于煤柱側(cè)向裂隙區(qū)時(shí)地表移動(dòng)變形規(guī)律如圖8所示。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)獲得不同建筑荷載大小作用下地表移動(dòng)變形最大值如圖9所示。

圖9 不同建筑荷載大小下地表最大移動(dòng)和變形量Fig.9 Maximum surface movement and deformation under different building load magnitude

當(dāng)建筑荷載位置、寬度相同時(shí)，隨著建筑荷載增加，在建筑荷載位置一定范圍內(nèi)，地表下沉量明顯增加，地表水平移動(dòng)在荷載位置兩側(cè)增幅較大；當(dāng)建筑物高度由12層增加至42層時(shí)，建筑荷載下地表下沉和水平移動(dòng)的范圍也逐漸增加。

當(dāng)建筑荷載大小達(dá)到覆巖內(nèi)部不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)閉合閾值時(shí)，地表最大移動(dòng)變形量出現(xiàn)突增。在各加載位置中，煤壁側(cè)向裂隙區(qū)地表新建建筑物導(dǎo)致地表出現(xiàn)移動(dòng)變形量突增的荷載閾值最小，荷載閾值為18層。與建筑物高度12層時(shí)相比，地表最大下沉量由37.1 mm增加到71.0 mm，增加率為5.7 mm/層，增幅為91.4%；地表最大水平移動(dòng)量由6.6 mm增加到10.7 mm，增加率為0.68 mm/層，增幅為62.1%。

側(cè)向裂隙區(qū)覆巖內(nèi)部存在不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當(dāng)建筑荷載傳遞至不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時(shí)，存在一定的荷載閾值，當(dāng)建筑荷載達(dá)到此閾值時(shí)，不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)閉合造成地表移動(dòng)變形量突增。覆巖不同區(qū)域內(nèi)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的體積和空間分布形態(tài)不同，側(cè)向裂隙區(qū)內(nèi)部包含空洞、離層和互相鉸接的關(guān)鍵塊，不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分布范圍廣，因此該區(qū)域建筑荷載下地表出現(xiàn)移動(dòng)變形突增的荷載閾值最小。

2.4.2 建筑荷載位置對(duì)地表移動(dòng)變形影響

在分析建筑荷載位置對(duì)地表移動(dòng)變形影響規(guī)律時(shí)，建筑荷載(24層)作用于不同位置時(shí)地表移動(dòng)變形規(guī)律如圖10所示。統(tǒng)計(jì)獲得作用在不同位置處時(shí)建筑荷載作用下地表移動(dòng)變形最大值如圖11所示。

圖10 不同建筑荷載位置下地表移動(dòng)和變形曲線Fig.10 Surface movement and deformation curves under different building load position

圖11 不同建筑荷載位置下地表最大移動(dòng)和變形量Fig.11 Maximum surface movement and deformation under different building load position

當(dāng)建筑荷載大小、寬度相同時(shí)，隨著建筑荷載位置改變，地表移動(dòng)變形程度有較大差異。當(dāng)加載位置處覆巖較完整時(shí)，地表移動(dòng)變形曲線整體增幅明顯；當(dāng)加載位置處覆巖穩(wěn)定性較差時(shí)，地表移動(dòng)變形曲線在加載位置處有明顯增幅，但遠(yuǎn)離加載位置兩側(cè)地表移動(dòng)變形量變化不明顯。

在地表最大移動(dòng)變形方面，由側(cè)向裂隙區(qū)向兩側(cè)最大移動(dòng)變形量逐漸減小。矸石壓縮區(qū)上部新建建筑物造成的地表移動(dòng)變形量最小，矸石壓縮區(qū)地表最大下沉量為107.6 mm(42層)，地表最大水平移動(dòng)量為19.8 mm(42層)。同層數(shù)情況下，側(cè)向裂隙區(qū)上部新建建筑物造成的地表移動(dòng)變形量最大，地表最大下沉量為173.7 mm(42層)，比矸石壓縮區(qū)地表最大下沉量大61.4%；地表最大水平移動(dòng)量為39.6 mm(42層)，比矸石壓縮區(qū)地表最大水平移動(dòng)量大100%。

由于覆巖各區(qū)域穩(wěn)定性不同，建筑荷載下各加載位置覆巖內(nèi)部可壓縮空間也存在較大差異。一方面，側(cè)向裂隙區(qū)內(nèi)部裂隙、空洞和離層等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)較多，可壓縮空間大，在建筑荷載下不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)閉合導(dǎo)致覆巖出現(xiàn)局部移動(dòng)變形；另一方面，建筑荷載下側(cè)向裂隙區(qū)中關(guān)鍵塊出現(xiàn)回轉(zhuǎn)和滑落失穩(wěn)，導(dǎo)致周邊覆巖出現(xiàn)大范圍下沉，最終造成地表移動(dòng)變形量大幅度增加。

2.4.3 建筑荷載寬度對(duì)地表移動(dòng)變形影響

在分析建筑荷載寬度對(duì)地表移動(dòng)變形影響規(guī)律時(shí)，限于篇幅限制，以相同建筑荷載大小(30層)作用于煤柱側(cè)向裂隙區(qū)為例進(jìn)行分析，如圖12所示。統(tǒng)計(jì)獲得不同建筑荷載寬度作用下地表移動(dòng)變形最大值如圖13所示。

圖12 不同建筑荷載寬度下地表移動(dòng)和變形曲線Fig.12 Surface movement and deformation curves under different building load span

圖13 不同建筑荷載寬度下地表最大移動(dòng)和變形量Fig.13 Maximum surface movement and deformation under different building load magnitude

當(dāng)建筑荷載大小、位置相同時(shí)，隨著建筑荷載寬度增加，地表移動(dòng)變形曲線拐點(diǎn)逐漸向兩側(cè)擴(kuò)張，即地表出現(xiàn)移動(dòng)變形的范圍逐漸增加；當(dāng)建筑荷載寬度由30 m增加至70 m時(shí)，地表移動(dòng)變形量均出現(xiàn)明顯增加。

隨著建筑荷載寬度增加，其影響區(qū)域內(nèi)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)數(shù)量也逐漸增加。建筑荷載寬度增加初期地表最大移動(dòng)變形量呈加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)建筑荷載寬度大于50 m時(shí)，地表最大移動(dòng)變形量均呈減速增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大水平移動(dòng)增長(zhǎng)幅度較小。

隨著建筑荷載寬度增加，在同一位置、相同建筑荷載下不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)閉合的可能性更高。同時(shí)，由于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)閉合需要一定荷載閾值，當(dāng)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)增加至一定數(shù)量時(shí)，引起地表移動(dòng)變形量突增的荷載閾值也逐漸增加，地表最大移動(dòng)變形曲線最終趨于穩(wěn)定。

2.5 建筑荷載作用下覆巖移動(dòng)變形規(guī)律

在分析建筑荷載對(duì)覆巖移動(dòng)變形影響規(guī)律時(shí)，限于篇幅限制，以30層建筑荷載大小作用于不同位置為例進(jìn)行分析，獲得建筑荷載作用于不同位置時(shí)建筑物正下方不同埋深處覆巖下沉量曲線如圖14所示。

圖14 不同埋深處覆巖下沉量曲線Fig.14 Displacement curves of overlying strata at different buried depths

當(dāng)建筑荷載作用于煤壁支承區(qū)時(shí)，覆巖內(nèi)部形成的位移場(chǎng)發(fā)育至亞關(guān)鍵層2上部，受關(guān)鍵層對(duì)載荷的折減作用繼續(xù)向下傳遞，位移場(chǎng)整體向采空區(qū)側(cè)偏移；作用于側(cè)向裂隙區(qū)時(shí)，覆巖內(nèi)部形成的位移場(chǎng)發(fā)育至亞關(guān)鍵層1上部；作用于煤柱支承區(qū)時(shí)，覆巖內(nèi)部形成的位移場(chǎng)發(fā)育至亞關(guān)鍵層1上部；作用于矸石壓縮區(qū)時(shí)，覆巖內(nèi)部形成的位移場(chǎng)發(fā)育至亞關(guān)鍵層1上部，且呈對(duì)稱分布。同一埋深處，側(cè)向裂隙區(qū)覆巖下沉量最大，煤柱支承區(qū)覆巖下沉量次之，矸石壓縮區(qū)覆巖下沉量較小，煤壁支承區(qū)覆巖下沉量最小。

由于側(cè)向裂隙區(qū)內(nèi)部存在較多的未壓密結(jié)構(gòu)，尤其關(guān)鍵層破斷形成互相鉸接的關(guān)鍵塊，變形空間大，在建筑荷載作用下，覆巖中未壓密結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量變形，覆巖下沉量大。建筑荷載作用下，煤柱支承區(qū)煤柱、煤壁支承區(qū)覆巖和矸石壓縮區(qū)矸石產(chǎn)生二次承載壓縮變形，但三者的覆巖下沉量小。

3 建筑荷載作用下淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形機(jī)理

3.1 建筑荷載作用下地表與覆巖變形特征

工作面回采過程中，采動(dòng)覆巖承載結(jié)構(gòu)(關(guān)鍵層)在控制上覆巖層及地表移動(dòng)變形的同時(shí)，覆巖中形成了大量的離層區(qū)、裂隙區(qū)和欠壓實(shí)區(qū)。隨著工作面封閉停采，采動(dòng)覆巖承載結(jié)構(gòu)繼續(xù)對(duì)采空覆巖及地表發(fā)揮控制作用，原先形成的不穩(wěn)定區(qū)域?qū)㈤L(zhǎng)期存在(圖5)。工作面回采后覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)如圖15所示，關(guān)鍵層破斷后形成砌體梁結(jié)構(gòu)。相鄰采空區(qū)間煤柱長(zhǎng)期承載狀態(tài)下發(fā)生失穩(wěn)破壞[27]，采空區(qū)垮落矸石長(zhǎng)期承載狀態(tài)下趨于穩(wěn)定的不可壓縮狀態(tài)。當(dāng)建筑荷載作用于煤柱支承區(qū)和煤壁支承區(qū)時(shí)，煤柱和煤壁在建筑荷載作用下會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)隨著建筑荷載的增加，地表沉陷增加，如圖9，11所示。老采空區(qū)垮落矸石長(zhǎng)期承載時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)建筑荷載作用于矸石壓縮區(qū)時(shí)，老采空區(qū)垮落矸石在建筑荷載作用下同樣會(huì)發(fā)生二次承載壓縮變形，此時(shí)地表移動(dòng)變形最小，如圖9，11所示。當(dāng)建筑荷載作用于側(cè)向裂隙區(qū)時(shí)，采空覆巖中離層區(qū)、裂隙區(qū)和欠壓實(shí)區(qū)產(chǎn)生大量變形，此時(shí)地表移動(dòng)變形最大，地表和覆巖變形如圖15所示。

3.2 建筑荷載作用下關(guān)鍵塊穩(wěn)定性分析

3.2.1 建筑荷載影響深度

根據(jù)文獻(xiàn)[28]計(jì)算得到垮落裂縫帶高度H1=68 m，則地表至垮落裂縫帶頂界面的距離H2=76 m。

寬度為b的均布建筑荷載p作用于側(cè)向裂隙區(qū)上部時(shí)，地基應(yīng)力計(jì)算按平面問題[29]考慮，視為寬度為b的條形基礎(chǔ)，建筑荷載中心之下的地基附加應(yīng)力最大且位于側(cè)向裂隙區(qū)正上方，垮落裂縫帶頂界面的地基附加應(yīng)力Δp[29]為

(1)

根據(jù)研究區(qū)域擬建建筑物，按最大建筑高度30層和最大建筑物寬度50 m計(jì)算，建筑荷載17 kPa(單層建筑面積)，即取p=0.51 MPa，代入式(1)得Δp=0.20 MPa?？迓淞芽p帶頂界面上覆巖層容重按25 kN/m3計(jì)算，即上覆巖層自重應(yīng)力p0為1.9 MPa。附加應(yīng)力大于自重應(yīng)力的10%，建筑荷載會(huì)對(duì)采空區(qū)覆巖承載結(jié)構(gòu)造成影響，此時(shí)需判斷建筑荷載作用下亞關(guān)鍵層1中關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)變形情況。

3.2.2 建筑荷載作用下關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)變形模型

當(dāng)建筑荷載作用于側(cè)向裂隙區(qū)時(shí)，關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)破斷后形成的關(guān)鍵塊相互鉸結(jié)形成砌體梁結(jié)構(gòu)，在砌體梁結(jié)構(gòu)承載作用下，采空覆巖中分布著大量離層區(qū)、裂隙區(qū)和欠壓實(shí)區(qū)，如圖15所示。采空覆巖長(zhǎng)期狀態(tài)下砌體梁結(jié)構(gòu)能保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，其控制的覆巖及地表同樣保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。在建筑荷載作用下，側(cè)向裂隙區(qū)關(guān)鍵塊Ⅰ，Ⅱ出現(xiàn)二次回轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致上覆巖層顯著下沉和地表變形破壞，而煤壁和煤柱支承區(qū)、矸石壓縮區(qū)關(guān)鍵塊變形相對(duì)較小，如圖16(a)所示。

圖16 建筑荷載作用下覆巖回轉(zhuǎn)變形示意Fig.16 Schematic diagram of rotation deformation of overlying strata under building load

因此對(duì)圖16(b)中側(cè)向裂隙區(qū)隔離體關(guān)鍵塊Ⅰ，Ⅱ進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)關(guān)鍵塊Ⅰ，Ⅱ靜力平衡條件、關(guān)鍵塊Ⅰ，Ⅱ力矩平衡條件和關(guān)鍵塊Ⅱ力矩平衡條件得：

(2)

式中，q為關(guān)鍵塊所受載荷，q=q0+Δq，q0為關(guān)鍵塊上覆巖層自重應(yīng)力，Δq為建筑物傳遞至關(guān)鍵塊的載荷；l為關(guān)鍵塊長(zhǎng)度；h為關(guān)鍵塊厚度；R為采空區(qū)矸石對(duì)關(guān)鍵塊的支撐反力，R=Kd3，K為矸石壓縮系數(shù)，d為矸石壓縮量；Q1為A點(diǎn)摩擦剪力；Q2為B點(diǎn)摩擦剪力；N為相鄰關(guān)鍵塊的水平推力；w1為關(guān)鍵塊Ⅰ回轉(zhuǎn)后下沉量，w1=lsinθ′1，θ′1為關(guān)鍵塊Ⅰ回轉(zhuǎn)角度；w2為關(guān)鍵塊Ⅱ回轉(zhuǎn)后下沉量，w2=l(sinθ′1+sinθ′2)，θ′2為關(guān)鍵塊Ⅱ回轉(zhuǎn)角度；a為關(guān)鍵塊兩端的接觸長(zhǎng)度，a=(h-lsinθ′1)/2。

根據(jù)砌體梁全結(jié)構(gòu)模型受力分析與計(jì)算近似地認(rèn)為θ′2≈θ′1/4[30]，聯(lián)立式(2)計(jì)算可得

(3)

3.2.3 建筑荷載作用下關(guān)鍵塊滑落失穩(wěn)判據(jù)

為防止關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)在A點(diǎn)處發(fā)生滑落失穩(wěn)應(yīng)滿足式(4)[24]：

Ntanφ≥Q1

(4)

式中，tanφ為關(guān)鍵塊鉸結(jié)點(diǎn)端角摩擦因數(shù)，一般取0.3。

將式(3)代入式(4)中得到建筑物傳遞到關(guān)鍵塊處的載荷Δq應(yīng)滿足式(5)：

(5)

由式(5)可知，關(guān)鍵塊滑落失穩(wěn)所需的建筑物傳遞到關(guān)鍵塊處的載荷與關(guān)鍵塊長(zhǎng)度、厚度、矸石壓縮量、回轉(zhuǎn)角、關(guān)鍵塊自重與承載巖層載荷有關(guān)。

3.2.4 建筑荷載作用下關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)判據(jù)

為防止關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)在A點(diǎn)處發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)應(yīng)滿足式(6)[24]:

N/a≤ησc

(6)

式中，σc為關(guān)鍵塊巖塊抗壓強(qiáng)度；ησc為關(guān)鍵塊在角端處的擠壓強(qiáng)度，η取0.3。

將式(3)代入式(6)得到建筑物傳遞到關(guān)鍵塊處的載荷Δq應(yīng)滿足式(7)：

(7)

由式(7)可知，關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)所需的建筑物傳遞到關(guān)鍵塊處的載荷與關(guān)鍵塊長(zhǎng)度、厚度、矸石壓縮量、回轉(zhuǎn)角、關(guān)鍵塊巖塊抗壓強(qiáng)度、關(guān)鍵塊自重與承載巖層載荷有關(guān)。

3.2.5 關(guān)鍵塊失穩(wěn)的建筑物傳遞載荷閾值

致使關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)和滑移失穩(wěn)時(shí)的建筑物傳遞至關(guān)鍵塊的載荷大小即為建筑物傳遞載荷閾值，建筑物傳遞載荷閾值通過式(8)確定。隨著關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角的逐漸增大，建筑物傳遞載荷閾值逐漸減小，當(dāng)建筑物傳遞的載荷超過閾值時(shí)，關(guān)鍵塊達(dá)到關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角臨界值，關(guān)鍵塊發(fā)生滑移或回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

(8)

3.2.6 建筑荷載作用下關(guān)鍵塊臨界回轉(zhuǎn)角

關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)變形直接受建筑荷載傳遞下來的載荷大小影響，而老采空區(qū)覆巖條件確定后，關(guān)鍵塊不發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)的最大臨界回轉(zhuǎn)角θm可通過式(9)確定：

(9)

建筑荷載作用下關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角小于臨界回轉(zhuǎn)角時(shí)，隨著建筑荷載的增加，回轉(zhuǎn)角逐漸增大，采空覆巖移動(dòng)變形逐漸增大，地表下沉逐漸增大；當(dāng)關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角超過臨界值時(shí)，建筑荷載作用下關(guān)鍵塊發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)或滑落失穩(wěn)，采空覆巖移動(dòng)變形突然增大，此時(shí)地表下沉突然增大。

4 結(jié) 論

(1)在老采空區(qū)上覆巖層長(zhǎng)期承載作用下，采空區(qū)垮落矸石逐漸壓實(shí)，煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，采動(dòng)覆巖承載結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)揮承載作用，煤柱支承區(qū)高度增加、寬度增加了32.5%，矸石壓縮區(qū)高度增加、寬度增加了80.4%，煤壁支承區(qū)高度增加、寬度增加了67.2%，側(cè)向裂隙區(qū)高度增加、寬度減小了23.3%。受老采空區(qū)覆巖承載結(jié)構(gòu)承載控制作用影響，側(cè)向裂隙區(qū)覆巖中遺留的關(guān)鍵塊、離層、空洞等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是老采空區(qū)覆巖及地表移動(dòng)變形產(chǎn)生突變的主導(dǎo)因素；長(zhǎng)期狀態(tài)下老采空區(qū)矸石壓縮區(qū)、煤壁支承區(qū)、煤柱支承區(qū)覆巖將產(chǎn)生漸進(jìn)變形，地表同樣表現(xiàn)為漸進(jìn)移動(dòng)變形。

(2)隨著建筑荷載大小的增加，不同建筑荷載位置處的地表移動(dòng)變形先逐漸增加然后出現(xiàn)突增最后表現(xiàn)為緩慢增加，側(cè)向裂隙區(qū)地表新建建筑物導(dǎo)致地表出現(xiàn)移動(dòng)變形量突增的荷載閾值最小，荷載閾值為18層，地表最大下沉量增加率為5.7 mm/層，增幅為91.4%；地表最大水平移動(dòng)量增加率為0.68 mm/層，增幅為62.1%。建筑荷載作用于側(cè)向裂隙區(qū)上方時(shí)地表移動(dòng)變形值及范圍最大、煤柱支承區(qū)次之、煤壁支承區(qū)較小、矸石壓縮區(qū)最小。

(3)建筑荷載作用下，煤柱支承區(qū)、矸石壓縮區(qū)和煤壁支承區(qū)老采空區(qū)覆巖及地表隨著煤柱塑性變形、矸石壓縮變形和采空覆巖壓縮變形而出現(xiàn)漸進(jìn)移動(dòng)變形，移動(dòng)變形量小。老采空區(qū)側(cè)向裂隙區(qū)中采動(dòng)覆巖承載結(jié)構(gòu)相互鉸結(jié)保持相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)建筑荷載作用于側(cè)向裂隙區(qū)，且附加應(yīng)力能影響到老采空區(qū)覆巖承載結(jié)構(gòu)時(shí)，老采空區(qū)覆巖及地表產(chǎn)生移動(dòng)變形，移動(dòng)變形量大；當(dāng)建筑物傳遞至關(guān)鍵塊的載荷超過關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)或滑落失穩(wěn)的臨界載荷時(shí)，老采空區(qū)覆巖及地表移動(dòng)變形產(chǎn)生突變。

(4)建筑荷載作用下淺埋長(zhǎng)壁老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律與機(jī)理為采煤塌陷地新建建筑物位置選擇、建筑物高度和寬度確定提供基礎(chǔ)，同時(shí)為老采空區(qū)覆巖精準(zhǔn)治理和穩(wěn)定控制提供借鑒。