建筑荷載影響下的淺部老采空區覆巖變形破壞相似材料模擬研究

韓科明

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

隨著我國經濟、社會的發展和城鎮化建設的不斷推進，建設項目越來越多，土地資源越來越寶貴。特別對于煤炭資源型城市來說，煤炭的大量開采造成土地損毀和建設用地匱乏，開發利用采煤沉陷區土地是不可避免的趨勢［1］。

在采煤沉陷研究中，將連續6個月地表下沉值不超過30mm時作為地表移動期的結束，即地表移動穩定［2］。地表移動穩定后，老采空區破損覆巖雖經歷長時間地壓實，但仍不可避免地存在一定的空隙，抗壓、抗拉、抗剪強度明顯低于原始巖體的強度，其巖體結構處于相對穩定狀態，不能承受較大外力擾動［3－5］。若深厚比 (采深與采厚的比值)較大，破損巖體距離地表較遠，則建筑荷載不會影響其原有的穩定狀態;但若深厚比較小，地表的建筑荷載向下傳遞將有可能打破其原有的平衡狀態，導致地表產生新的移動和變形，影響到建 (構)筑物的安全使用［6］。因此，在深厚比較小的淺部老采空區地表建設，更易引發老采空區覆巖失穩破壞。本文采用相似材料模擬試驗的方法對淺部老采空區覆巖空隙分布特征和荷載影響下的老采空區覆巖失穩破壞過程進行了模擬研究，為淺部老采空區地表安全建設提供借鑒。

1 試驗模型建立

試驗以淮南集團某礦地質條件為試驗模型原型，試驗區可采煤層3層，自上而下分別為13煤采厚4m，11煤采厚2m，8煤采厚3m。其中13煤和11煤出露地表，煤層傾角15°。

模型依據礦井原型條件按比例分層鋪設，模型尺寸長×寬×高為4200mm×250mm×1500mm，模型巖層按照煤層傾斜方向分層鋪設。試驗選擇河砂作為填料，石灰和石膏作為膠結物，通過不同的配比來達到各分層所需要的強度要求。培養完成后的試驗模型見圖1。

圖1 培養完成后的試驗模型

本試驗幾何相似常數取αl=1/200;時間相似常數取容重相似常數取αp=5/8;根據相似指標，可得應力相似常數為:ασ=αl× αp=1/320。

根據試驗相似常數和試驗原型的地質條件確定材料物理力學參數及配比見表1。本次試驗材料選擇河砂作為骨料，石灰和石膏作為膠結物。表中配比號第1組數字代表骨料與膠結物的比值，第2，3組數字代表兩種膠結物在膠結物總量中所占比例。

在模型頂部用千斤頂施加壓力的方式模擬建筑荷載，施加建筑荷載的壓片平面尺寸為80mm×150mm，千斤頂固定在模型上梁，千斤頂底部壓片通過與模型頂部接觸加載壓力。

試驗按照一次開采5m的方式向前推進，工作面長度為160m。首先在8煤中由深至淺分別開采4個工作面即 0801，0802，0803和0804;模型變形穩定后，按照先開采13煤再開采11煤的順序在兩煤層中分別各開采1個工作面，標記為1301和1101。至此，老采空區模型建立完畢。

表1 模型巖層物理力學參數及材料配比

2 老采空區覆巖空隙形成過程和分布特征

隨著工作面的推進，頂板巖層逐漸垮落，垮落后的巖石散亂地堆積在采空區中，呈不規則性。隨著工作面繼續推進，上覆巖層出現離層。試驗顯示，離層并非是逐層自下而上發展，而是首先在上覆巖層中第一層硬巖的下部出現，隨工作面的推進離層高度和長度都增大，在其巖組內部也發生不同高度和長度的離層，離層下的巖組撓曲加大，中間部分增加的幅度更大，在采空區中央接觸到頂板不規則垮落巖石后慢慢趨于穩定［7］。采空區開切眼和停采邊界處的上覆巖層在兩端破斷，有空洞出現，在上覆巖層中出現高角度縱向裂隙。當工作面推進距離較小時裂隙角較小，縱向裂隙發育高度也較低。隨著工作面推進裂隙角逐漸增大，裂隙發育高度增加，當工作面推進到一定距離后趨于穩定(離層裂隙和縱向裂隙推進方向延展但不再向上發展，裂隙角變化不大)。

從試驗的結果可以看出，地下開采形成的空間一部分被垮裂覆巖碎脹充填，另外一部分則形成殘留空間。殘留空間一部分出現在開采邊界附近，在該處由于覆巖具有一定的剛度，在采空區邊緣形成懸頂，從而使覆巖不垮落而形成空洞;另有一部分是覆巖中存在的離層，由于上方巖體的剛度大于下方巖體的剛度，在巖層移動過程中出現離層，從而形成空間，這部分空間由于巖層結構已經平衡，在沒有外因擾動的條件下將長期存在［8］。

煤層開采完成后，模型放置養護一段時間后觀察結果，垮落巖石、離層裂隙和縱向裂隙有不同程度地壓密和閉合，采空區邊界處的空洞上的巖塊有些失穩掉下，但未充滿空洞，且沒有再向上覆巖層發育。從觀測數據看，開采完成到養護一段時間后，地表的下沉量變化很小。

3 老采空區中央上方地表加載覆巖空隙演化及地表下沉分析

3.1 0803采空區中央上方地表加載

0803工作面采深130～170m，深厚比43～57。在該采空區中央正上方持續加載，覆巖空隙演化過程見圖2。

圖2 建筑荷載作用下0803工作面采空區覆巖空隙演化示意

加載各階段采空區覆巖沒有明顯的破壞性變形。不同荷載作用下的地表下沉變化見圖3。

圖3 建筑荷載作用下0803工作面地表下沉曲線

由圖2，圖3可知，加載初期至0.667MPa(該數據為建筑物實際荷載，以下同)，隨著荷載的增加，采空區覆巖壓實度相應增加，地表下沉平穩增大，最大下沉160mm(該數據為轉化后的實際下沉量，以下同);加載至1MPa，地表下沉迅速增加，最大下沉達到635mm;加載至1.17MPa，覆巖基本穩定，地表變形僅有微小增加，最大下沉保持在640mm不再增大。

3.2 1301采空區中央上方地表加載

1301工作面采深80～120m，深厚比20～30。在該采空區中央正上方持續加載，覆巖空隙演化過程見圖4。隨著荷載的增加，采空區上方垮裂覆巖被快速壓縮，加載處正下方巖層出現較大變形，裂縫帶直接發育至地表 (圖4(b))。當加載到0.3MPa時，覆巖變形破壞明顯 (圖4(c))，變形最大處出現掉渣現象，模型已不能承受更大荷載。圖5為建筑荷載作用下1301工作面地表下沉曲線。

圖4 建筑荷載作用下1301工作面采空區覆巖空隙演化示意

圖5 建筑荷載作用下1301工作面地表下沉曲線

由圖5可知，建筑荷載引起的地表下沉最大區域位于加載處，下沉曲線較陡［9］，最大下沉量達到2430mm。

4 采空區邊界上方地表加載覆巖空隙演化及地表下沉分析

0804工作面右邊界采深80m，深厚比小于30。在采空區右邊界正上方加載，覆巖空隙演化過程見圖6。加載初期至0.667MPa，采空區右邊界正上方發育縱向裂縫并逐漸貫通至地表，在荷載作用下右邊界上方覆巖開始向采空區方向移動，由此在覆巖內部產生的拉應力促使右邊界右側煤柱上方從地表發育縱向裂縫 (圖6(b))，地表最大下沉180mm;加載至0.917MPa，覆巖沿采空區右邊界正上方的縱向裂縫斷裂，形成整體性切冒 (圖6(c))，地表最大下沉急劇增加到1300mm。圖7顯示了不同荷載作用下的地表下沉變化。

圖6 建筑荷載作用下0804工作面采空區邊界處覆巖空隙演化示意

圖7 建筑荷載作用下0804工作面采空區邊界上方地表下沉曲線

分析觀測結果得知，當荷載較小時，淺部老采空區邊界正上方附近地表最大變形區域分布在采空區上方;當荷載達到一定極限值時，在靠近采空區邊界的煤柱上方也出現較大的變形區。這表明:淺部老采空區邊緣兩側受建筑荷載影響地表變形較大。

相對于采空區中央區域，采空區邊界區域垮落覆巖壓實性較差且存在空洞區，當采空區埋深較大時，受荷載影響地表殘余變形是均勻的、連續的，彎曲帶巖體的整體性支撐效應分散了建筑荷載的影響，采空區邊界處覆巖被進一步壓實，但不會引起邊界空洞的失穩，在地表不會出現較大的變形;淺部老采空區覆巖內不存在彎曲帶巖層的整體性支撐效應或因為此類巖層較薄不足以分散荷載的影響，荷載直接作用在空洞上方的已斷裂或者破碎的巖層上，引發巖層再次失穩破壞，空洞被破碎巖層填充，覆巖沿采空區邊界上方發育的裂縫整體性斷裂，形成覆巖切冒，嚴重時可直接切冒至地表，相對于淺部老采空區中央正上方受建筑荷載影響，淺部老采空區邊界正上方受荷載影響后地表變形表現出更明顯的不均勻性和不連續性。

5 結論

(1)受建筑荷載影響老采空區殘留空隙二次壓縮或失穩是淺部老采空區地表產生新的較大變形的根本原因。

(2)老采空區覆巖殘留空隙主要有離層、裂隙、空洞三類。離層是由于上方巖體的剛度大于下方巖體的剛度，在巖層移動過程中生成，從而形成空間，這部分空間由于巖層結構已經平衡，在沒有外因擾動的條件下將長期存在;裂隙主要分布在垮落帶和裂縫帶內，這些破損巖層雖經歷長時間的壓實但仍不可避免地存在裂隙;空洞主要分布于開采邊界附近 (有少部分存在于未壓密的垮落帶內)，在該處由于覆巖具有一定的剛度而形成懸頂，從而使覆巖不垮落而形成空洞。

(3)當深厚比較大時 (荷載影響不到采空區垮裂覆巖)，在采空區中央正上方持續加載，覆巖離層被壓實閉合，垮裂帶巖層沒有明顯變化，在模型條件下加載至1.17 MPa時覆巖穩定，地表最大下沉保持在640mm不再增大。當深厚比較小時，荷載直接作用在老采空區已破損覆巖上，會加速覆巖的變形破壞，進而在地表產生新的較大變形［10］，在模型條件下加載到0.3 MPa時，地表最大下沉達到2430mm。

(4)在淺部采空區邊界上方地表持續加載，采空區邊界殘留空洞上方發育縱向裂縫，隨著荷載的增大覆巖沿縱向裂縫整體性斷裂，直至切冒到地表，地表變形表現出明顯的不均勻性和不連續性。

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