建筑荷載位置對老采空區地表移動變形的影響

趙 虎

(晉能控股集團 忻州公司王家嶺煤礦, 山西 忻州 036600)

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

1 工程背景

研究區域位于山東某礦某采區,該區域地表擬新建數幢高層住宅樓和部分低層建筑物。該采區煤層厚度1.6～2.4 m,埋深平均144 m. 研究區域內存在3個老采空區,傾向寬度分別為93 m、113 m、100 m. 采區平面圖見圖1.

圖1 采區平面圖

2 數值模擬方案

根據研究區域實際地質條件,適當簡化并建立UDEC數值模型,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15 m煤柱,煤層埋深為144 m. 考慮邊界效應的影響,模型左右邊界各留200 m,模型尺寸為730 m×180 m.

圖2 數值模型及方案圖

根據研究區域鉆孔柱狀對各巖層賦予不同參數來模擬實際地層,開挖3個工作面后,布置測點監測初始覆巖應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一側煤壁間距離為變量,分別于煤壁支承區上部、近煤壁處側向裂隙區(側向裂隙區左)上部、遠煤壁處側向裂隙區(側向裂隙區右)上部、區段煤柱上部、矸石壓縮區上部5種方案,見圖2.

2) 根據《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012中對于民用建筑樓面均布活載荷計算的標準,將每層樓面載荷設定為2.0 kN/m2,同時考慮樓層活載荷折減系數,設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 模擬結果

3.1 老采空區地表移動變形特征

描述地表點移動變形的指標主要包括下沉、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時,只需得到下沉和水平移動值,即可算出剩余指標。限于篇幅,僅列出老采空區覆巖長期承載穩定后的地表下沉和水平移動曲線,見圖3. 淺埋長壁老采空區覆巖穩定后,達到充分采動。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,由于研究區域區段煤柱長期承載后出現失穩破壞,失去承載能力,因此研究區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出現明顯下凹,即下沉量差值較大。由于不同位置覆巖內不穩定結構分布存在差異,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位置,在建筑物作用范圍內達到最值。當建筑物修建于不同位置時,覆巖內部變形空間不同,水平拉力大小也不同,導致不同區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向裂隙區(右),最大下沉值為54.8 mm,最大水平移動值為11.8 mm;當建筑物高度為18層時,建筑荷載下地表最大下沉位置為側向裂隙區(左),最大下沉值為71.0 mm,地表最大水平變形位置為側向裂隙區(右),最大水平移動值為12.9 mm;當建筑物高度為24層時,建筑荷載下地表最大下沉位置為側向裂隙區(左),最大下沉值為109.8 mm,地表最大移動變形位置為側向裂隙區(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向裂隙區(右),最大下沉值為135.1 mm,最大水平移動值為31.0 mm;當建筑物高度為36層時,建筑荷載下地表最大移動變形位置均為側向裂隙區(右),最大下沉值為162.7 mm,最大水平移動值為35.1 mm;當建筑物高度為42層時,建筑荷載下地表最大移動變形位置均為側向裂隙區(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,當建筑物高度、范圍一定時,側向裂隙區上部新建建筑物造成的地表移動變形量最大。一方面,側向裂隙區內部裂隙、孔洞和離層等不穩定結構較多,在建筑荷載作用下此類結構閉合將導致覆巖出現局部移動變形。另一方面,側向裂隙區的關鍵塊在建筑荷載作用下發生回轉和滑落失穩,而關鍵塊的失穩往往能夠導致其周邊覆巖出現大范圍下沉,造成地表移動變形量的大幅度增加。

4 結 論

針對建筑荷載造成老采空區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地表移動變形特征,主要結論如下:

1) 老采空區覆巖穩定后,達到充分采動。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. 由于研究區域區段煤柱長期承載后出現失穩破壞,失去承載能力,因此研究區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向裂隙區。

3) 當建筑物高度、作用范圍一定時,地表移動變形量取決于覆巖內部不穩定結構數量及分布形態。由于側向裂隙區覆巖中存在大量不穩定結構,在各區域中覆巖內部可壓縮空間最大,不穩定結構的壓縮閉合導致了地表下沉量的大幅增加,因此在側向裂隙區上部新建建筑物對地表下沉和水平移動的影響在各區域中最大。