基于采空區(qū)移動(dòng)過程的殘余變形推論

秦 爽，李國和

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基設(shè)計(jì)處，天津 300143)

隨著煤炭資源的不斷采出，地下遺留了大量的“老采空區(qū)”［1］，這些“老采空區(qū)”長期處于無人監(jiān)測、無人管理的狀態(tài)，其中，部分“老采空區(qū)”已延伸至建筑物下、水體下、鐵路下，但由于缺少觀測數(shù)據(jù)和有效的預(yù)計(jì)手段，對這些“老采空區(qū)”的勘察、評價(jià)、治理一直無計(jì)可施，致使采空區(qū)上工程的設(shè)計(jì)、施工缺乏依據(jù)，存在隱患。以往的研究多以終采時(shí)間、時(shí)間影響參數(shù)和深厚比作為重要的技術(shù)指標(biāo)，忽視了對采空區(qū)移動(dòng)過程和變形機(jī)理的推斷，因此至今未找到好的切入點(diǎn)和預(yù)計(jì)方法。

1 采空區(qū)變形過程

采空區(qū)的變形是由“點(diǎn)”及“面”再到“體”的過程，其中“點(diǎn)”指采出的介質(zhì)小單元，“面”指各個(gè)小單元采出后累積影響到覆巖及地面的表現(xiàn)，“體”指由垮落體、采空區(qū)邊界懸臂梁(板)和平衡拱等共同構(gòu)成的礦山壓力平衡體系。與蠕變不同，其為“波動(dòng)性緩沉”。

一般將采空區(qū)的變形過程分為2個(gè)階段，即集中移動(dòng)期(包括初始期、活躍期和衰退期)［2］和殘余變形期［3，1］。集中移動(dòng)期是指從地表累計(jì)下沉10 mm開始，至連續(xù)6個(gè)月地表下沉值累計(jì)不超過30 mm結(jié)束的這段時(shí)間［2］。采空區(qū)的絕大部分變形量發(fā)生在這個(gè)時(shí)期，變形后處于初始穩(wěn)定狀態(tài)。地表殘余變形是指地表連續(xù)6個(gè)月累計(jì)下沉不大于30 mm后地表移動(dòng)變形過程的延續(xù)［2］，且6個(gè)月內(nèi)地表最大下沉速度小于1.7 mm/d。與集中移動(dòng)期比較，殘余變形階段地表移動(dòng)不僅速度緩慢、變形輕微，機(jī)理也更為復(fù)雜。國內(nèi)外對殘余移動(dòng)變形實(shí)測數(shù)據(jù)很少，研究也不夠深入，因此殘余移動(dòng)變形計(jì)算尚沒有成熟的方法。

由集中移動(dòng)期和殘余變形期的定義可知，2個(gè)變形階段的劃分是以一段時(shí)間內(nèi)累計(jì)的下沉值為界限，并沒有從覆巖移動(dòng)機(jī)理的角度來界定，因此通常所說的殘余變形量實(shí)際為“剩余變形量”。若假設(shè)整個(gè)變形期的下沉量為W，集中移動(dòng)期的下沉量為Wh，殘余變形期的下沉量為Wc，則下式恒成立

式中 q——整個(gè)變形期的下沉系數(shù);

qh——集中移動(dòng)期的下沉系數(shù);

qc——?dú)堄嘧冃纹诘南鲁料禂?shù)。

2 殘余變形機(jī)理

地下開采結(jié)束以后，采空區(qū)在經(jīng)過集中移動(dòng)期后，在長時(shí)間的自然壓實(shí)下，巖體受垮落體、采空區(qū)邊界懸臂梁和平衡拱的支撐作用為靜定結(jié)構(gòu)(彎曲帶為超靜定結(jié)構(gòu))。因此，變形過程的延續(xù)需具備2個(gè)必要條件:(1)地面下有延續(xù)變形的空間量;(2)更改靜定結(jié)構(gòu)的約束。

2.1 殘余變形空間量的來源

以往研究表明，采動(dòng)破壞后的老采空區(qū)及其上覆地層的巖體呈“三帶”分布［3］，垮落帶(相當(dāng)于直接頂)呈碎裂狀結(jié)構(gòu)和散體狀結(jié)構(gòu);斷裂帶(也稱裂隙帶，包括老頂，但不一定全部屬于老頂)呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu);彎曲帶(也稱緩沉帶，對采場礦壓無明顯的影響)呈層狀結(jié)構(gòu)［4-6］。采空區(qū)內(nèi)部巖體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 采空區(qū)內(nèi)部巖體結(jié)構(gòu)

垮落帶內(nèi)的巖塊具有顯著碎脹性［7，8］，根據(jù)我國一些礦區(qū)的測定結(jié)果，垮落巖塊在初次采動(dòng)及未承受其上覆巖層壓力的自由堆積狀態(tài)時(shí)，其碎脹系數(shù)為1.10～1.99，平均為1.40～1.62，具有顯著的可壓縮性。

在非充分采動(dòng)條件下，位于整體彎沉帶與導(dǎo)水裂縫帶之間存在大量的產(chǎn)生于平衡拱之內(nèi)的離層，最大的離層可達(dá)0.2～0.4 m［7］(多存在于傾角較大，下薄上厚的覆巖條件下)。

據(jù)以往鉆孔資料及模擬實(shí)驗(yàn)反映，采空區(qū)邊界懸臂梁與垮落巖塊間存在殘留空洞，這也是延續(xù)變形空間量的重要來源［9-11］。

2.2 殘余變形的促發(fā)

初始穩(wěn)定狀態(tài)的更改主要有2個(gè)方面的因素。

(1)內(nèi)因:垮落巖塊和破碎巖體在地下水和空氣作用下強(qiáng)度衰減，造成再次失穩(wěn)和壓密。

(2)外因:由于外力作用，造成采場上覆巖體結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)變形，這些外力主要是地震力、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力、附近采動(dòng)或爆破造成的擾動(dòng)作用力、地面附加荷載作用等。其中，除采動(dòng)影響和地面附加荷載可大概推斷控制外，其余外因作用的影響程度均具有不可預(yù)知性。

采空區(qū)在上述一個(gè)或幾個(gè)因素的影響下，均會產(chǎn)生空洞的填充、垮落巖塊再壓密和離層壓實(shí)，變形不斷增大從而波及地表，在時(shí)間和空間上具有很多不確定因素［12-17］。

3 活化系數(shù)與充分沉降的關(guān)系

采空區(qū)達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)后，當(dāng)煤層群開采(或厚煤層分層開采)時(shí)，若下層煤開采的影響超過上層煤開采時(shí)已經(jīng)移動(dòng)的覆巖，則地表受下層煤開采的重復(fù)采動(dòng)影響發(fā)生二次下沉。二次下沉量并不是由下層采空區(qū)產(chǎn)生，而是老采空區(qū)在重復(fù)采動(dòng)條件下的活化，二次下沉量與原下沉量的比值稱為活化系數(shù)，由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000)給出(表1)。

由表1可知，覆巖受四次及四次以上重采擾動(dòng)時(shí)的活化系數(shù)為0，即當(dāng)受三次擾動(dòng)移動(dòng)穩(wěn)定后，采空區(qū)不再移動(dòng)，地表達(dá)到充分沉降。分別設(shè)三次重采下沉值和下沉系數(shù)為 W3、q3，則 W=W3、q=q3。

表1 按覆巖性質(zhì)區(qū)分的重復(fù)采動(dòng)下沉活化系數(shù)

4 殘余變形下沉值

式(2)中，集中移動(dòng)期的下沉系數(shù)qh一般可用地表移動(dòng)變形實(shí)際觀測結(jié)果求得，而由于q=q3，則q可根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000)中的覆巖綜合評價(jià)系數(shù)P及地質(zhì)、開采技術(shù)條件來確定

式中 mi——覆巖i分層的法線厚度，m;

Qi——覆巖i分層的巖性評價(jià)系數(shù)。

三次重采分層巖性評價(jià)系數(shù)Q3與覆巖層單軸抗壓強(qiáng)度R存在函數(shù)關(guān)系Q3=f(R)(圖2)，經(jīng)推導(dǎo)得

圖2 三次重采分層巖性評價(jià)系數(shù)與覆巖層單軸抗壓強(qiáng)度函數(shù)關(guān)系

由式(2)得qc=q-qh，再利用概率積分法便可求出殘余變形下沉值。

5 結(jié)語

(1)在深入研究采空區(qū)變形過程的基礎(chǔ)上，提出“波動(dòng)性緩沉”的概念。

(2)通過研究殘余變形的機(jī)理，總結(jié)了初始穩(wěn)定后延續(xù)變形的條件，并提出這個(gè)過程在時(shí)間和空間上的不確定性，因此下沉值與時(shí)間無直接的函數(shù)關(guān)系。

(3)以重復(fù)采動(dòng)影響老采空區(qū)活化為切入點(diǎn)，提出“充分沉降”的概念，推導(dǎo)出計(jì)算殘余變形下沉量的分段函數(shù)關(guān)系式。

［1］ 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］.太原:太原理工大學(xué)，2005.

［2］ 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］ 何國清，楊倫，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

［4］ 國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.GB 50218—94 工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所，1994.

［5］ 中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［6］ 姜福興.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［7］ 范學(xué)理，劉文生，趙德深，等.中國東北煤礦區(qū)開采損害防護(hù)理論與實(shí)踐［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1998.

［8］ 王正帥.老采空區(qū)殘余沉降非線性預(yù)測理論及應(yīng)用研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2011.

［9］ 郭廣禮，等.深部老采區(qū)殘余沉降預(yù)計(jì)方法及其應(yīng)用［J］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002(1).

［10］王明立，張華興.采煤沉陷區(qū)地表殘余移動(dòng)變形的計(jì)算分析［C］∥2005年開采沉陷規(guī)律與“三下”采煤學(xué)術(shù)會議.北京:2005.

［11］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路沈陽至丹東客運(yùn)專線DK53+200～DK67+200段受地下煤層采空區(qū)影響評價(jià)報(bào)告［R］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

［12］楊逾，劉文生，馮國才.地下水位下降對采礦覆巖下沉影響探析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15(2):67-70.

［13］丁陳建.采動(dòng)場地殘余變形特征及預(yù)測模型研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

［14］郭高川，等.采空區(qū)殘余地表移動(dòng)變形對建筑物影響的探討［J］.煤炭工程，2008(5):72-74.

［15］白國良，李樹志，高均海.老采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征及活化機(jī)理研究［J］.煤礦開采，2010，15(5):11-13.

［16］張宏貞，鄧喀中，譚志祥.老采空區(qū)殘余移動(dòng)變形分區(qū)研究［J］.礦山壓力與頂板控制，2005(2):32-34.

［17］劉輝，馬金榮.煤礦廢棄老采空區(qū)地表殘余變形計(jì)算［J］.山東煤炭科技，2011(5):73-74.