厚覆蓋地區(qū)深部采動對淺表土層影響的時效初探

2014-10-20 18:21:48李光輝蔡江東

科技資訊 2014年22期

李光輝　蔡江東

摘要：厚覆蓋地區(qū)，深部煤炭資源的開采不但導致地表沉陷，還會對沉陷盆地周邊土體的工程性質產生影響。通過對模型試驗結果的研究及對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)、資料的分析發(fā)現(xiàn)，深部采動對淺表土層的影響具有時效特征，即隨時間推延，深部采動對土的影響作用范圍逐漸擴大。分析認為導致這一現(xiàn)象產生的原因在于；（1）深部采掘擾動了原有的應力狀態(tài)，使得土的應力產生重新調整；（2）受深部土體固有的力學性質的影響，如土體固結系數(shù)、滲透系數(shù)在隨深度變化曲線上存在一個顯著的平直段；（3）采動在擠壓區(qū)引起孔隙壓力的迅猛增加，而孔隙壓力的消散則較為緩慢。

關鍵詞：厚覆蓋層深部采掘滲透系數(shù) 固結系數(shù) 時間效應

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0038-02

深部煤層開采引起的覆巖下沉、移動會導致地表產生較大范圍的變形，這種變形在空間上表現(xiàn)為遷延性，在時間上也具有長效性[1]。如淮南市的大通鎮(zhèn)、九龍崗鎮(zhèn)、淮北市的烈山鎮(zhèn)、徐州的大屯、山東棗莊柴里等地，開采塌陷區(qū)形成數(shù)年后，其外圍鄰近塌陷區(qū)的村莊房屋及其他地表建筑物陸續(xù)發(fā)生了開裂變形的情況，有的地方居民甚至經歷兩次以上搬遷[2]。

調查發(fā)現(xiàn)，盡管礦區(qū)深部采掘活動已經停止，離塌陷盆地較遠的一些后建建筑的規(guī)劃、勘察、設計也完全遵循相關行業(yè)標準（如選址不但在劃定的邊界角范圍之外，還考慮了沉降速率等因素），其中仍還有不少建筑在經歷2～3年穩(wěn)定期后，陸續(xù)發(fā)生開裂。

深部煤炭資源的開采所引起的地表土層變形是一個復雜的力學問題[3]，它涉及變形機制、土的結構擾動、場地應力調整等諸方面[4]。對這一問題進行深入研究，有助于揭開厚覆蓋地區(qū)深部煤炭資源開采對淺部土層性質的影響，從而為合理評價土的工程性質、正確評估土地資源價值提供科學依據(jù)。

1 深部采動對淺表土層影響的時效現(xiàn)象

礦區(qū)病害建筑、橋梁加固實踐表明，受采空塌陷影響地基即便采取加固、補強等措施，地基的變形仍難以消除—— 經歷一段時間后仍會產生新的變形。有些深層擾動場地土的延續(xù)性變形現(xiàn)象甚至會歷經數(shù)年才逐漸趨于穩(wěn)定。深部采動對淺表土層影響的時效性主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 地表沉降

厚覆蓋地區(qū)，深部煤炭資源的開采對地表的影響因采掘深度不同而存在時間和空間上的差異[5]。表1為某礦業(yè)集團多個煤礦開采深度與地表移動持續(xù)時間實測匯總，從中不難發(fā)現(xiàn)，隨開采深度加深，其對地表影響不但范圍加大，而且對地表移動影響的延續(xù)時間也顯著延長。（表1）

1.2 物化探指標

不同時段物理化學探結果驗證[6]，采動塌陷引發(fā)的應力變化對上部土體形成復雜的影響作用會擾動土的原有結構。如采動、塌陷使一定區(qū)域范圍內地層的密實度降低，這樣就會影響地震波在其中的傳播速度；又如采空區(qū)發(fā)生塌陷后，受影響地層結構變得疏松，在頻散曲線上受影響地段內瑞利波速度顯著降低；同樣，由于采空區(qū)塌陷導致周邊巖、土層的裂隙度增加形成豐富的微通道，在接近地表處氡保存條件受到破壞，地層中氡濃度呈現(xiàn)不穩(wěn)定的正異常。此外，采動及塌陷區(qū)的巖、土體的電阻率、電磁波都較原場地有一定程度的變化，在以原場地值作為背景的情況下，場地土的許多地球物理特性在空間上呈現(xiàn)出較明顯的趨勢性，這種趨勢性在不同的時間段表現(xiàn)的極為顯著。

2 時效本質及影響因素

2.1 場地應力的調整

深部煤炭資源開采導致的地表塌陷是一種綜合性物理、力學現(xiàn)象[7]。受采動、塌陷影響，一定范圍內的巖、土體將發(fā)生應力重分布及包括拉張、壓縮、剪切在內的一系列力學作用。這些力學作用，不但性質復雜、程度不一，其影響在空間范圍上具有遷延性、在時間上具有延續(xù)性。

已有研究表明，當采空達到一定的空間規(guī)模時，采空區(qū)上方巖體中的主應力呈現(xiàn)“拱形”分布[8]，并出現(xiàn)拉應力、壓應力集中、降低等應力傳遞、轉移現(xiàn)象；同時，由于煤層開采，巖土體中鉛直應力分量、水平應力分量在空間分布上也都發(fā)生復雜且的趨勢性變化。

開采打破了原先的平衡，引發(fā)內部應力在一定范圍內的調整。由于土體的粘、彈、塑性性質，它既通過變形產生吸能效應使得采動影響作用逐漸減弱；同時也能通過粒間相互作用擴散這種傳遞，因此這一調整在總體趨勢上存在著緩慢、漸變和趨弱等特點，如此構成采動對淺表土層影響時效的力學基礎。

2.2 深部土體固結、滲透特性

對于深部土，馬金榮等研究發(fā)現(xiàn)，厚松散層礦區(qū)黏性土的K0值隨深度變化，并且在一定深度條件下接近于常數(shù)1（有的甚至大于1）[11]！這說明深部土所受水平力作用較強，因此，一旦深部荷載釋放，就會引起較大的變形（地表沉陷系數(shù)常大于1就是一個證明）[11]。由于深部土體側限水平作用很大，且土的結構強度也較高，因此變形的調整將是一個緩慢的過程。

此外，采動導致的卸荷會使土體產生回彈，雖然回彈值不是很大，并且超固結土體最終仍將發(fā)生壓縮變形，但因此延長了土的固結時間無疑增加了對淺部土層影響的時效性。

2.4 超孔隙壓力

離心模型試驗表明，深部開采活動會引起一定范圍內土體孔隙水壓力的變化，如張拉區(qū)孔壓減少，而在擠壓區(qū)則產生超靜孔壓。數(shù)值上，孔壓變化的規(guī)律大體表現(xiàn)為：隨土體開始下，受壓區(qū)孔隙水壓迅速上升；當下沉增量趨于減少時，超靜孔壓會逐漸從一個較大值（不一定是峰值）緩慢變小。孔壓的變化常伴隨著土的重新固結過程，因此孔壓從短期內迅速聚集到緩慢減少，必定經歷一個較長的時間過程，這也就導致上覆土體變形存在時間效應的一個重要原因。

3 結論

厚覆蓋地區(qū)，深部采動使得土中原有的應力場受到擾動，從而引發(fā)應力的重新調整，如此對地表土的影響不但存在空間效應，還存在時間效應。其主要原因在于：

（1）深部土體的側限作用較強，相應的土體水平變形能力也大，因此深部采掘引發(fā)的局部范圍應力釋放會延續(xù)一個較長的過程。

（2）受深部土體性質和結構強度的控制，如深部土體固結系數(shù)、滲透系數(shù)普遍存在一個不隨壓力增大而變化的平直段，與淺層土相比，即使達到同一固結度，深部土體都會經歷更長的固結時間。

（3）深部采動在擠壓區(qū)引發(fā)孔隙水壓快速、迅猛聚積，而孔隙壓力的消散速度則受土的滲透性質影響是一個緩變過程，這也是時效性的一個重要原因。

參考文獻

[1] 蔡江東.結構擾動土細觀識別方法及物理力學性質研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2009.

[2] 周國銓.我國采礦下沉研究的概況[J].礦山測量，1981（1）：111-125.

[3] 孟磊，馮啟言，張海榮，等.徐州大屯中心區(qū)地面沉降機理分析與危險性評價[J].中國地質災害與防治學報，2008（19）3：60-63.

[4] 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].山西：太原理工大學，2005.

[5] 蔡江東.深部采動對塌陷盆地周邊土體影響的空間效應研究[J].巖石力學，2011（S2）：401-407.

[6] 劉菁華，王祝文，朱士，等.煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)的地球物理探查[J].煤炭學報，2005，30（6）：715-719.