煤礦老采空區上建筑地基沉陷災害預測分析

曹小威,張國鋒,徐曉峰

(1.中國地質工程集團公司;2.中國地質物資供銷總公司;3.中國礦業大學)

1 引 言

隨著城市的規劃不斷向外輻射,對于依靠資源發展起來的城市,由于地下礦山開采活動破壞了巖體內部原有的力學平衡狀態,使巖層位移、變形,巖體的完整性受到破壞。當開采的面積達到一定范圍之后,起始于采場附近的移動和破壞將擴展到地表,引起地面沉降塌陷。地下煤層采出后,上覆巖層和地表將發生的移動和變形的范圍和程度有多大,它將給各類建筑物帶來多大的危害和影響。如何正確評價采空區對建筑地基沉陷災害,合理進行建筑規劃,成為一個重要的研究課題。本文工作在充分收集、研究現有地質資料和礦產資源開發利用方案及相關文件的基礎上,通過野外地質災害調查,采用概率積分法對采礦引發的地面沉降塌陷進行定性定量預測分析,并結合門頭溝棚戶區改造工程,實現對采礦引起建筑地基沉陷災害的綜合預測評價。

2 地下采空區分布情況

2.1 地下巖層分布

經室內試驗及工程物探確定對建筑地基穩定造成影響的采空區巖層從上到下可以劃分為三類巖組:松散巖組,碎裂泥巖組,較完整砂巖組。其中松散巖組主要由素填土及第四系坡洪積物組成,厚度約 11.5m,軟弱松散破碎,彈模21MPa,泊松比 0.28;泥巖組主要為含煤碎屑巖組,巖性為頁巖、綠泥巖、碎裂泥巖以及弱化巖層,裂隙節理發育,厚度0.9～38.7m,彈模 0.1～2.3GPa,泊松比 0.21～0.30,C值0.14～2.3MPa,Φ值 26～30°,分布在各煤層直接頂底板及堅硬巖層和煤層之間,遇水后強度急劇降低;砂巖組是由細砂巖、粉砂巖、中砂巖等巖層組成,平均厚度 30m,具有質地堅硬,結構完整,抗壓強度高,承載力大等特征,其中粉砂巖彈模 19.04GPa,泊松比 0.31,C值 16.6MPa,Φ值 38°。

2.2 采空區分布

規劃區總面積 0.587km2,區內地下可采煤層為侏羅系窯坡組,屬門頭溝煤系,其中可采煤層一、二、五、七、九槽煤,其中九槽和七槽煤層很薄,分布范圍很小,一、二、五槽是研究區的主采煤層,面積占據規劃區面積的 80%左右,主采煤層傾角為 18度,其中一槽煤層采用陷落式采煤法,回采率85%;二槽煤層采用房柱充填法采煤,回采率 73%;五槽煤層采用殘柱式采煤法,回采率 53%。

3 建筑地基沉陷變形預測

3.1 地表下沉預測原理

概率積分法的預測原理是把巖體看作一種隨機介質,把巖層看作由大量松散的顆粒體介質組成,從統計觀點出發,可以把整個開采區域分解為無限個微小單元的開采,整個開采對巖層及地表的影響等于各單元開采對巖層及地表影響之和。按隨機介質理論,單元開采引起的地表單元下沉盆地呈正態分布,且與概率密度的分布一致。地表沉降盆地下沉的概率積分預測模型是以正態分布函數為影響函數用積分式表示巖層下沉盆地的方法,該方法可適用于任意形狀工作面(采區)、地表沉降盆地內任意點的移動和變形預計,具有模型簡單、參數選取方便等優點,可以較好地對地基變形做出預計。

3.2 計算參數選取

地表沉降盆地下沉的概率積分預測模型是以正態分布函數為影響函數用積分式表示巖層下沉盆地的方法,該方法可適用于任意形狀工作面(采區)、地表沉降盆地內任意點的移動和變形預計。

表 1 五層煤全采疊加后預測參數表

降盆地下沉的概率積分預測模型所需的幾個預測參數為:下沉系數 q、主要影響角正切 tanβ、水平移動系數 b、拐點偏移距 s和最大下沉角 θ等。

計算參數首先根據地表監測數據的反演以及根據巖性的不同形成的經驗估計值來綜合確定其預計參數的初始值,然后對下沉系數進行修正。計算參數取值表見表 1。

3 規劃區建筑地基變形分區

(1)均勻沉降區:處于沉陷盆地以外部分,屬于均勻整體性沉降,對建筑物危害較小。占總規劃區的 61.7%,地表最大下沉值小于 1000mm,南北方向的最大傾斜小于1mm/m,東西方向最大傾斜為 -1mm/m,南北方向的水平變形為 0.5mm/m,東西方向的水平變形為 0.5mm/m。

(2)緩傾斜沉降區:處于沉陷盆地盆沿邊緣區域,屬于不均勻沉降,對建筑物危害較大。占總規劃區的 26.7%,地表最大下沉值小于 1400mm且大于1000mm,南北方向的最大傾斜 1～4mm/m,東西方向最大傾斜為 -4～-1mm/m,南北向的水平變形為 0.5～1mm/m,東西向的水平變形為 -2～0.5mm/m。

(3)急傾斜沉降區:處于沉陷盆地盆沿區域,屬于不均勻沉降劇烈區,對建筑物危害很大。占總規劃區的 11.6%,地表最大下沉值大于 1400mm,南北方向的最大傾斜為4mm/m,東西方向最大傾斜為 -4mm/m,南北方向的水平變形為 1mm/m,東西方向的水平變形為-2mm/m。

4 結 論

(1)概率積分法物理及幾何意義明確,其參數和結果預計精度較高,對于建筑地基沉陷災害的評價迅速準確,并能給出定量的評價。

(2)可適用于任意形狀工作面(采區)、地表沉降盆地內任意點的移動和變形預計,具有模型簡單、參數選取方便等優點,可以較好地對地基變形做出預計。對地基變形區進行了劃分,并針對各區變形特征,給出了建筑地基穩定性評價和建議。

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