建筑荷載作用下老采空區上方覆巖與地表殘余變形規律研究

徐良驥，郭 輝，朱 楠，秦長才

(安徽理工大學測繪學院，安徽淮南232001)

一、引 言

隨著礦區煤電一體化基地的建設和礦業城市的發展，老采空區上方土地越來越多地被作為建筑用地，老采空區上方興建建筑物是礦業城市土地利用的重要途徑［1］。在穩定的老采空區上方興建建筑物時，老采空區上方的冒落裂隙帶巖層受建筑荷載應力作用將產生二次變形，進而導致地表產生殘余變形并對建(構)筑物形成損害。本文以淮南礦區新莊孜礦新淮工廣為試驗點，通過相似材料模擬試驗，反演分析重復開采條件下覆巖與地表移動變形特征以及建筑荷載作用下老采空區殘余變形規律，為老采空區上方土地開發利用提供基礎資料［2－8］。

二、試驗設計與觀測

1.試驗設計

新莊孜礦新淮工廠建立在新莊孜礦32采區、42采區及44采區等重復開采穩沉區上方地表，試驗以研究區內B11b、C13煤層為原型、煤層傾角18°，鋪設試驗模型尺寸為:3000 mm×300 mm×1700 mm，試驗采用幾何相似比Cl=1∶200、容重相似比 Cr=1 ∶3.33、應力相似比 Cσ=1 ∶333、時間相似比 Ct=1∶12。模擬實際開采長度360 m，模型兩側分別留有不同寬度(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。

模型首先開采C13煤層，每隔2小時開挖一次，每次開挖長度5 cm，穩定后開采下伏B11b煤層。待覆巖和地表移動變形穩定后，再在老采空區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［9］

1)模型上從上到下布設5條觀測線，其中1號水平觀測線布設在近地表松散層內，2號、3號及4號觀測線自上而下依次布設在主關鍵層上，5號觀測線布設在C13和B11b煤層間的亞關鍵層上。觀測線上相鄰監測點間距離約為10 cm，采用0.5″全站儀進行監測點位移觀測，監測點位精度m＜0.20 mm。各觀測線設計參數見表1。

2)模型中共布設14枚壓力盒，其中沿煤層傾斜方向共布設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靜態電阻應變儀進行模型應力的監測。壓力盒的布設位置如圖2所示。

表1 各觀測線設計參數

圖2 模型壓力盒布置示意圖

3)模型停采且移動變形穩定后，分別在煤層的停采線、開切眼上方、采空區正上方和采空區邊界煤柱上方地表施加載荷，施加荷載時按實際建筑荷載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、試驗結果與討論

1.覆巖運動規律分析

1)模型開采過程中對5條觀測線進行監測并繪制下沉曲線，如圖5—圖9所示。

a.如圖5—圖8所示，C13工作面推進到60 m時，1號觀測線開始下沉;C13開采結束后，1號線、2號線、3號線和4號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C13工作面上覆巖層穩定后，模型繼續開采下伏B11b煤層，當工作面推進到160 m時，1號線下沉曲線有較明顯的變化，下沉都更加劇烈;開采結束且上覆巖層穩定后，1號線、2號線、3號線和4號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煤層工作面開采穩定后，模型開采下伏B11b煤層工作面，工作面推進至320 m時，5號觀測線處的亞關鍵層發生破斷，其變形曲線由連續性轉變為非連續性。

圖5 1號觀測線下沉曲線圖

圖6 2號觀測線下沉曲線圖

圖7 3號觀測線下沉曲線圖

圖8 4號觀測線下沉曲線圖

圖9 5號觀測線下沉曲線圖

2)模型模擬開采覆巖破壞情況如圖10所示。

圖10

圖11

a.當C13工作面推進距離50 m，頂板開始垮落，巖層呈梯字形垮落，推進至120 m時(如圖10(a)所示)，頂板上部約5 m處有離層;模擬推進至200 m時(如圖10(b)所示)，在其上方20 m處出現一條較明顯的裂縫，長約130 m;隨著工作面推進至360 m時(如圖10(c)所示)垮落面積增大，層間裂縫也越來越大。

b.C13煤層開采結束，上覆巖層穩定后，模擬開采B11b煤層。當B11b工作面推進距離40 m，頂板呈梯字形垮落，推進至170 m時(如圖10(d)所示)，頂板垮落面積增大，推進至220 m時(如圖10(e)所示)，其上覆巖層出現數條裂縫;推進至320 m時，C13與B11b之間的巖層整體垮落;推進至360 m時(如圖10(f)所示)，C13煤層上覆巖層垮落面積增大，且壓實C13與B11b之間的垮落覆巖。

2.荷載作用下地表殘余變形規律

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

在模型中老采空區上方地表根據實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、采空區中央上方地表和煤柱上方地表施加荷載時，荷載所在位置發生了不均勻沉降。隨著荷載量的增加，殘余下沉值也隨之增加。當施加0.23 MPa的荷載時，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區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。當荷載達到最大的0.68 MPa時，4個位置達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。當施加0.23 MPa的荷載時，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區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。當達到最大荷載 0.68 MPa時，4個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生變化，隨著荷載量的增加，殘余水平變形值隨之增大。當施加0.23 MPa的荷載時，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區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。當達到最大荷載0.68 MPa時，4個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、采空區中央上方地表和煤柱上方地表都產生了殘余變形，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安全性能要好于其他部位。

3.覆巖應力變化特征

通過傳感器采集的數據得到煤層上覆巖層內部應力變化曲線如圖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，工作面上覆巖層垮落，造成覆巖應力變化，覆巖各測點的應力緩慢上升，且距離工作面近的位置應力變化大，距離工作面遠的位置應力變化小。其中在級數為288時測點應力達到峰值，距離工作面較近的采空區上方、停采線上方和煤柱邊界上方的1測點、5測點和2測點應力變 化 最大，分別為 12.3 MPa、12.9 MPa 和12.1 MPa。距離工作面較遠的12測點、14測點和13 測點應力變化最小，分別為 3.2 MPa、3.0 MPa 和2.8 MPa。隨著工作面上覆巖層穩定，測點應力逐漸減小，最后趨于穩定。

2)對模型進行加載，離地表加壓位置較近的測點受到較小的響應，應力值增大，隨后漸趨于穩定，而距離地表較遠的其他測點幾乎沒有變化。在級數為1439時模型開始施加荷載。距離地表較近的采空區上方、停采線上方和煤柱邊界上方的12測點、14測點和13測點應力增加，當施加荷載達到最大的0.68 MPa時，12測點、14測點和13測點分別為0.7 MPa、1.7 MPa 和 1.2 MPa。當級數為 1722 時，12測點、14測點和13測點應力開始穩定，并不再發生變化。

四、結論與建議

1)相似材料模擬試驗表明，重復開采會造成工作面上覆巖層垮落，從而導致覆巖和地表的移動變形，且移動變形破壞比單一工作面開采劇烈。

2)在穩定的老采空區上方地表不同位置施加荷載，會造成地表發生殘余變形，其中采空區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)隨著工作面的推進覆巖間應力值增大，并達到一定峰值。隨著工作面上方覆巖移動變形的穩定，其應力也會下降并趨于穩定。在穩定的采空區地表施加荷載，會引起離地表距離近的位置應力發生較小響應，且隨著荷載增加而增大，最后趨于穩定;而距離地表較遠的位置應力值幾乎沒有變化。

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

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