建筑荷載位置對老采空區(qū)地表移動變形的影響

趙 虎

(晉能控股集團 忻州公司王家?guī)X煤礦, 山西 忻州 036600)

煤炭資源的開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響[1-3],形成了大量的采煤沉陷區(qū)。隨著社會發(fā)展步伐的加快,對采煤沉陷區(qū)的建設(shè)利用越來越引起重視。采煤沉陷區(qū)新建建筑物時,可能會引起地表二次變形,進而威脅建筑物穩(wěn)定性。采煤工作面封閉后,隨著時間的推移,不穩(wěn)定區(qū)域依然存在;與此同時,采空區(qū)覆巖在采動應(yīng)力作用下有可能發(fā)生破壞失穩(wěn)[4-8]. 當(dāng)封閉后的老采空區(qū)地表新建建筑物時,在建筑荷載作用下,原本處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的采空區(qū)覆巖有可能重新出現(xiàn)活化運動,地表移動變形往往表現(xiàn)為突發(fā)性和不均勻性,對建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽略的影響。以山東某采區(qū)為工程背景,通過數(shù)值模擬研究建筑荷載位置對淺埋長壁老采空區(qū)地表移動變形的影響,揭示建筑荷載對淺埋長壁老采空區(qū)地表移動變形的影響機理。

1 工程背景

研究區(qū)域位于山東某礦某采區(qū),該區(qū)域地表擬新建數(shù)幢高層住宅樓和部分低層建筑物。該采區(qū)煤層厚度1.6～2.4 m,埋深平均144 m. 研究區(qū)域內(nèi)存在3個老采空區(qū),傾向?qū)挾确謩e為93 m、113 m、100 m. 采區(qū)平面圖見圖1.

圖1 采區(qū)平面圖

2 數(shù)值模擬方案

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)條件,適當(dāng)簡化并建立UDEC數(shù)值模型,見圖2. 模型共布置3個工作面,傾向長度均為100 m,采高為2 m,相鄰工作面間留設(shè)15 m煤柱,煤層埋深為144 m. 考慮邊界效應(yīng)的影響,模型左右邊界各留200 m,模型尺寸為730 m×180 m.

圖2 數(shù)值模型及方案圖

根據(jù)研究區(qū)域鉆孔柱狀對各巖層賦予不同參數(shù)來模擬實際地層,開挖3個工作面后,布置測點監(jiān)測初始覆巖應(yīng)力分布和移動變形特征;最后施加不同位置的建筑荷載,取荷載前后測點位移差值作為地表二次下沉值。具體方案如下:

1) 考慮模型的對稱性,以建筑物中心與采空區(qū)一側(cè)煤壁間距離為變量,分別于煤壁支承區(qū)上部、近煤壁處側(cè)向裂隙區(qū)(側(cè)向裂隙區(qū)左)上部、遠(yuǎn)煤壁處側(cè)向裂隙區(qū)(側(cè)向裂隙區(qū)右)上部、區(qū)段煤柱上部、矸石壓縮區(qū)上部5種方案,見圖2.

2) 根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2012中對于民用建筑樓面均布活載荷計算的標(biāo)準(zhǔn),將每層樓面載荷設(shè)定為2.0 kN/m2,同時考慮樓層活載荷折減系數(shù),設(shè)置不同建筑物載荷的方案共6種,分別為12層、18層、24層、30層、36層和42層,載荷范圍為50 m.

3 模擬結(jié)果

3.1 老采空區(qū)地表移動變形特征

描述地表點移動變形的指標(biāo)主要包括下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形,已有成果表明,在計算地表移動變形指標(biāo)時,只需得到下沉和水平移動值,即可算出剩余指標(biāo)。限于篇幅,僅列出老采空區(qū)覆巖長期承載穩(wěn)定后的地表下沉和水平移動曲線,見圖3. 淺埋長壁老采空區(qū)覆巖穩(wěn)定后,達(dá)到充分采動。地表最大下沉位置位于模型中心處,最大下沉值約為1310 mm,地表最大水平移動值約為200 mm. 由圖3可以看出,由于研究區(qū)域區(qū)段煤柱長期承載后出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,失去承載能力,因此研究區(qū)域地表下沉曲線和水平移動曲線與單一工作面類似。

圖3 老采空區(qū)地表移動變形特征圖

3.2 建筑荷載位置對地表移動變形的影響

建筑物高度相同時(30層),建筑荷載位置對地表下沉的影響見圖4.

圖4 不同荷載位置地表移動變形特征圖

當(dāng)建筑物修建在地表時,地表二次下沉曲線在建筑荷載一定影響范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯下凹,即下沉量差值較大。由于不同位置覆巖內(nèi)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分布存在差異,建筑物修建在地表不同位置處二次下沉曲線下凹的拐點也不同。

老采空區(qū)上部新建建筑物時,地基受水平方向拉力,地表二次水平移動曲線拐點位于建筑物兩側(cè)位置,在建筑物作用范圍內(nèi)達(dá)到最值。當(dāng)建筑物修建于不同位置時,覆巖內(nèi)部變形空間不同,水平拉力大小也不同,導(dǎo)致不同區(qū)域覆巖二次水平移動量差異較大,從而影響地表二次水平變形。

為進一步分析建筑荷載位置對地表下沉的影響,取各曲線最大值,見圖5. 當(dāng)建筑物高度為12層時,建筑荷載下地表最大移動變形位置均為側(cè)向裂隙區(qū)(右),最大下沉值為54.8 mm,最大水平移動值為11.8 mm;當(dāng)建筑物高度為18層時,建筑荷載下地表最大下沉位置為側(cè)向裂隙區(qū)(左),最大下沉值為71.0 mm,地表最大水平變形位置為側(cè)向裂隙區(qū)(右),最大水平移動值為12.9 mm;當(dāng)建筑物高度為24層時,建筑荷載下地表最大下沉位置為側(cè)向裂隙區(qū)(左),最大下沉值為109.8 mm,地表最大移動變形位置為側(cè)向裂隙區(qū)(右),最大水平移動值為23.1 mm;隨著建筑物高度增加至30層,地表最大移動變形量進一步增加,此時地表最大移動變形位置均為側(cè)向裂隙區(qū)(右),最大下沉值為135.1 mm,最大水平移動值為31.0 mm;當(dāng)建筑物高度為36層時,建筑荷載下地表最大移動變形位置均為側(cè)向裂隙區(qū)(右),最大下沉值為162.7 mm,最大水平移動值為35.1 mm;當(dāng)建筑物高度為42層時,建筑荷載下地表最大移動變形位置均為側(cè)向裂隙區(qū)(右),最大下沉值為173.7 mm,最大水平移動值為39.6 mm.

圖5 不同荷載位置地表最大移動變形量圖

由圖5可知,當(dāng)建筑物高度、范圍一定時,側(cè)向裂隙區(qū)上部新建建筑物造成的地表移動變形量最大。一方面,側(cè)向裂隙區(qū)內(nèi)部裂隙、孔洞和離層等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)較多,在建筑荷載作用下此類結(jié)構(gòu)閉合將導(dǎo)致覆巖出現(xiàn)局部移動變形。另一方面,側(cè)向裂隙區(qū)的關(guān)鍵塊在建筑荷載作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)和滑落失穩(wěn),而關(guān)鍵塊的失穩(wěn)往往能夠?qū)е缕渲苓吀矌r出現(xiàn)大范圍下沉,造成地表移動變形量的大幅度增加。

4 結(jié) 論

針對建筑荷載造成老采空區(qū)地表二次移動變形問題,基于UDEC模擬軟件,研究了不同建筑荷載位置下老采空區(qū)地表移動變形特征,主要結(jié)論如下:

1) 老采空區(qū)覆巖穩(wěn)定后,達(dá)到充分采動。地表最大下沉位置位于模型中心處,最大下沉值約為1310 mm,地表最大水平移動值約為200 mm. 由于研究區(qū)域區(qū)段煤柱長期承載后出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,失去承載能力,因此研究區(qū)域地表下沉曲線和水平移動曲線與單一工作面類似。

2) 不同建筑物高度下,地表最大下沉和最大水平移動值均位于側(cè)向裂隙區(qū)。

3) 當(dāng)建筑物高度、作用范圍一定時,地表移動變形量取決于覆巖內(nèi)部不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)數(shù)量及分布形態(tài)。由于側(cè)向裂隙區(qū)覆巖中存在大量不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),在各區(qū)域中覆巖內(nèi)部可壓縮空間最大,不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的壓縮閉合導(dǎo)致了地表下沉量的大幅增加,因此在側(cè)向裂隙區(qū)上部新建建筑物對地表下沉和水平移動的影響在各區(qū)域中最大。