沉陷區恢復地表工程建設安全影響分析

孫世國,張文韜,宋維琦

(北方工業大學,北京 100043)

1 概述

1.1 選題目的和意義

煤礦開采形成大量老采空區,地表出現沉陷盆底,繼而對整個礦區環境與城市地區造成嚴重影響,采空區地表的治理引起人們的重視。社會主義市場經濟的不斷發展,使得土地資源日益減少,其中一部分的建筑、基礎設施的建設選擇的是采空區周圍,所以,采空區的地表穩定性、建筑類型以及地表沉降率需要格外重視,其需要做進一步研究與探索[1]。

1.2 國內外研究背景及現狀

煤礦開采對環境造成的最大問題即地表形成大量沉陷區,使得農耕用地變為洼地。地表土壤和水體因為受到礦井水的污染,造成了礦區土壤鹽堿化,土地資源的大量浪費以及地表水的滲漏,對礦區人民的生活質量造成極大影響。

早在20世紀60年代,我國便開始研究工作,其中以概率積分法的運用最為廣泛。另外,以劉天泉為代表的一眾學者創建了采礦地區反動反應理論體系。王金莊、戴華陽在概率積分法的基礎上,來構建模型,然后以開采充分條件為要求,繼而為不同類型的開采預測模型進行判斷。該研究對礦區含有斷層水體下采煤具有重要的意義[2]。

1.3 主要研究內容

本文依托于撫順老虎臺礦區開采情況,對采空區的地表變形規律及已有的地表變形特征進行分析,選擇對采空區的建設工程其地基穩定性進行測試,以此來判斷建筑物的安全系數,實現對建筑工程地理位置的優化選擇,促使待建地區的地基穩定性能夠做到準確測評,并以此為模式來對新建建筑物的荷載能力進行整體測量,對地表建筑工程設計和選擇提出建議[3]。

2 地下開采誘發地表移動特征分析

2.1 老虎臺煤礦水文地質條件

老虎臺礦地處撫順市區,地貌形態為樹枝狀窄型谷地,地層主要由凝灰巖、玄武巖和花崗片麻巖等組成,礦區存在著許多不同順序的結構面。地勢較為平順,平均海拔海拔為90m；整個地區的西部區域是煤層,東西跨度為4.95公里,南北寬度為2公里,整體面積約為10平方公里,整個礦區有多條鐵路線路,交通運輸十分便利。

2.2 采空區上覆巖體移動規律的綜合分析

沿采區傾向主斷面位移矢量場的變化特征是以選擇的幾何中心,上部覆蓋的是巖體移動矢量方向的指定區域。從下沉區域與水平移動曲線來看,七步開采結束之后,在采空區域的位移最大達到了21米,并兩側逐步減小,這證明了開采的厚度在提高的同時,水平位移與沉降值會隨之減小。其中,最大的水平位移達到了4.6米,且斷層帶分界面處于突變頻繁階段。

3 采沉區地表進行工程建設分析

通常若要在采空區地表進行工程建設時,選擇在殘余沉降期結束后進行工程建設,能夠大面積地降低沉陷環境對建筑物的危害影響。當地表殘余沉降值處于平穩狀態的時候,其僅僅是對抗變形措施的選擇,以此來保障建筑物的穩定性與安全度[4]。本文將通過對老虎臺的礦區地表沉降情況來對地表工程建設數據進行分析。

3.1 采沉區允許建設建筑物時間評價方法的研究

建筑物下采煤中規定,在維持半年的地表沉值計算過程中,其總體數額不大于30mm的時候,意味著地表衰退期的結束,整個地域環境進入殘余沉降。在老采空區進行工程建設的期間,需要根據煤礦開采的時間來判斷沉余沉降的影響表現。采空地區的殘余沉降變形變緩,一般不會對整個建筑物造成破壞,所以,建議在2倍地表移動延續期內組織工程建設活動。本文的采空區地表殘余沉降值計算選擇的是概率積分法進行預測,得到殘余沉降全部結束后,沉降量最大為Wc=3.15m。

根據“三下”采煤規范,地表的持續移動時間計算式為Ta=2.5H,其中,Ta總為移動的總時間,H為開采的深度。取建設場地的最大開采深度700m,得到地表移動總時間為4.86年[5]。

對老虎臺礦采空區地表殘余移動變形持續時間計算,殘余沉降值與其發生所持續的時間的關系可采用負指數函數形式描述,公式為：Wc(T)=Wc(1-e-pt),式中,p為殘余下沉的時間因子(a-1)；T為殘余下沉延續時間(a)；Wc(T)為殘余下沉延續時間內的下沉值,即上文中所計算得出Wc(T)=3.15m。

本文中對于中硬巖層,寬深比D/H約為0.5,時間因子p為0.125。當每年殘余下沉量≤1mm時,即認為地表穩定,由此計算出老虎臺礦的地表殘余沉降時間大致為7.46年。因此擬進行工程建設的時間為地表衰退期結束后7.46年,即當采空區地表的殘余沉降基本結束時,進行工程建設,大概為12.32年。

3.2 建筑物位置的選擇

本文選擇以綜合角度來對采空區的地表工程基地建設情況進行對比分析。工況①是下沉盆底的中間地段,這是因為下沉盆底的中間沉降區域安全度更高,且在殘余沉降階段不容易出現大的地表沉降；工況②是F1與F1A兩者的斷層之間,地表沉降變化出現連續,且在采空區域中與邊界之間帶有一定距離。

4 主要結論

本次的論文研究內容是撫順老虎礦地區域的工程實踐研究背景,針對于礦山區域的開采下陷地區來對穩定度的殘余變化進行預測,并以此來對廢棄地區的工程建設可行性做系統的研究,其研究內容為：①根據老虎臺礦區的實際開采情況,對已形成的采空區地表變形規律及地表變形特征進行了系統分析；②采空區域地表變形持續周期的系統分析與建設時間的選擇,將選擇的兩處變形區域的位置進行安全影響因素分析。通過設計運用來對建筑設計結構要素系統認識；③設計活動的計算與核驗工作需要從結構設計的滿足要求如手,來對建筑區域的地基穩定性進行評價,明確判斷沉降區域的建筑物安全影響范圍,確定建筑荷載物是否會對采空區域進行二次“活化”。

5 研究展望

隨著對我國基礎設施建設的發展情況來對采沉區的地表恢復情況加強重視。因此對于采空區地表的殘余沉降、待建工程的地基穩定性問題等都是未來研究的熱點問題,仍然有許多實際的問題需要解決,因此在以后的工作中還應進行更進一步的研究。

[1]王金莊.我國村莊下采煤的回顧與展望[J].中國煤炭,2002(05)：28-31．

[2]劉寶琛,廖國華.煤礦地表移動的基本規律[M].北京：中國工業出版社,1965．

[3]劉天泉.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用[M].北京：煤炭工業出版社,1981．

[4]王長輝,馮錫勇.淺埋隧道圍巖及地表變形規律研究[J].江西建材,2015(06)．

[5]何國清.威布爾分布在地表預計中的應用[D].中國礦業大學,1981．