采空區(qū)活化失穩(wěn)關(guān)鍵因素模擬分析

劉占新,王昌祥,楊路林，孫慶超，江 寧

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦，山東 濟寧 273500）

隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的大力加快，許多重要建筑物需要建于采空區(qū)上方或者穿越采空區(qū)。采空區(qū)地基穩(wěn)定性日益成為國計民生的熱點問題[1-2]。采空區(qū)第一斷裂巖塊對于采空區(qū)采動破碎次生巖體結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，是采空區(qū)邊緣上方巖體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵塊[3]；淺部開采老采空斷裂的頂板巖梁可以概化為三鉸拱式結(jié)構(gòu)模型[4]；孫琦等基于蠕變損傷理論，建立了采空區(qū)頂板-礦柱體系蠕變損傷力學(xué)模型[5]。采空區(qū)上方建筑物附加應(yīng)力影響深度是否與導(dǎo)水裂隙帶重疊可以用來評價采空區(qū)上方地基穩(wěn)定性[6]；采動殘余空洞裂隙的失穩(wěn)變形是造成塌陷區(qū)上方建筑物損害的主要原因[7]。汪吉林、常江等基于FLAC3D建立了三維多層狀地質(zhì)體模型，模擬計算了在地面建筑荷載作用下采空區(qū)地基的沉降變形及垂向應(yīng)力分布[8-9]；向振華等在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上引入了采空區(qū)破壞概率的概念，將采空區(qū)穩(wěn)定性問題量化[10]。通過以上文獻不難看出，研究采空區(qū)穩(wěn)定性過程中，往往忽略了采空區(qū)充水的影響；通過簡化力學(xué)條件進行附加應(yīng)力計算，所得結(jié)果誤差較大；工程背景幾乎都是單層煤開采。為此基于兩層煤開采采空區(qū)的工程背景，通過FLAC3D數(shù)值模擬方法模擬不同充水狀態(tài)下的兩層煤開采采空區(qū)地表移動變形規(guī)律，采用FISH語言分別對兩層煤開采采空區(qū)進行梯度加載，模擬不同樓高建筑荷載大小對地基的擾動影響，通過監(jiān)測、提取、對比不同載荷下地基附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的數(shù)值得到采空區(qū)覆巖地基允許施加荷載與地基擾動深度。

1 采空區(qū)“活化”影響因素分析

1.1 工程背景

山東藍海領(lǐng)航電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)園位于濟南章丘經(jīng)十東路以南、諾貝爾城以西，西到為睦里村東的南北向沖溝，南到宋上村，用地大致呈矩形，東西寬約760 m，南北長約1 270 m，總占地面積約927 300 m2，其中一期用地位于園區(qū)西北部，工作區(qū)內(nèi)采空區(qū)的4#煤采空區(qū)大部分與9#煤采空區(qū)重疊，煤層厚度、采空區(qū)深度及分布范圍見表1。

表1 工作區(qū)采空區(qū)情況統(tǒng)計表

1.2 采空區(qū)“活化”影響因素分析

鄰區(qū)采掘活動、強排地下水、地震、采空區(qū)上方修建建筑物等均可導(dǎo)致原有采空區(qū)破碎巖體應(yīng)力狀態(tài)失衡[11-13]。山東藍海領(lǐng)航電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)園所在區(qū)域處于老采空區(qū)，臨近沒有仍在生產(chǎn)的煤礦，本區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量705.56 mm，70%以上集中在 7、8、9 月份，12 月至翌年3月較少，日最大降水量298.4 mm。工作區(qū)屬小清河水系。區(qū)內(nèi)沒有較大的地表水系，在東西兩側(cè)分別發(fā)育1條近南北向沖溝，為季節(jié)性泄洪通道，地表徑流通暢。根據(jù)GB 18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.05g。濟南及其周邊地質(zhì)構(gòu)造雖然十分復(fù)雜，但地下無大活動斷層，基本不存在發(fā)生大地震的地質(zhì)構(gòu)造背景，強震發(fā)生概率小，基本不存在發(fā)生大地震的地質(zhì)構(gòu)造背景。

通過以上主要因素分析，對章丘采空區(qū)穩(wěn)定性影響比較大的自然因素主要為區(qū)域內(nèi)的季節(jié)性降水，地表水系及地震影響因素不大。若在采空區(qū)上部建建筑物的話，附加建筑載荷對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響也必須考慮。綜上，采用FLAC3D模擬附加建筑載荷、采空區(qū)充水2個關(guān)鍵因素對采空區(qū)的影響，深入分析采空區(qū)變形失穩(wěn)機理。

2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

2.1 參數(shù)的選取

為了更好的模擬工作區(qū)地表移動變形情況，通過采用破碎矸石壓縮試驗所獲得的干燥狀態(tài)、飽水狀態(tài)及浸水狀態(tài)下的彈性模量，確定各分帶內(nèi)的變形參量。

根據(jù)破碎矸石壓縮試驗確定的壓縮模量和泊松比，確定破碎巖石的體積模量K和剪切模量G，受采動影響裂縫帶巖體參數(shù)為原始巖體力學(xué)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)[14-15]，模擬中的巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 模型尺寸及監(jiān)測點的布設(shè)

模型尺寸400 m×300 m×160 m，走向上推進300 m，留設(shè)100 m邊界煤柱，工作面模擬開挖160 m，兩邊留設(shè)70 m邊界煤柱。建立長、寬、高分別為50 m×50 m×10 m的區(qū)域來作為項目數(shù)據(jù)中心1#樓的地基。初始模型計算平衡之后，設(shè)置位移約束并將位移置0，然后設(shè)置監(jiān)測點，最后進行模型的開挖，監(jiān)測線布置如圖1。

3 不同采空區(qū)含水狀態(tài)對地表移動變形的影響

根據(jù)施工鉆孔和物探資料，研究區(qū)淺部4#煤采空區(qū)未積水，9#煤采空區(qū)積水且水位埋深為103.6～111.5 m，水位以下采空區(qū)均已充水，表明4#煤采空區(qū)處于干燥狀態(tài)，9#煤采空區(qū)處于飽水狀態(tài)。所以分析4#煤和9#煤采空區(qū)不同含水狀態(tài)對地表移動規(guī)律的影響很有現(xiàn)實意義。通過對4#煤、9#煤均自然、均飽水以及4#煤自然、9#煤飽水3種工況下地表移動變形的監(jiān)測，得到不同工況下的地表移動變形規(guī)律。

表2 數(shù)值模擬中的巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 監(jiān)測線布置

對3種含水狀態(tài)采空區(qū)地表施加建筑應(yīng)力后，模擬建筑地表垂直位移，根據(jù)測線1的監(jiān)測點移動數(shù)據(jù)，導(dǎo)出3種含水狀態(tài)下的下沉曲線（圖2）。對比發(fā)現(xiàn)，4#煤、9#煤干燥狀態(tài)下、4#煤干燥、9#煤飽水狀態(tài)下、4#煤、9#煤均為飽水狀態(tài)下，4#煤開采完畢后地表最大沉陷值分別為381、397、420 mm，盆地下沉最大值均位于采空區(qū)中心位置上方。9#煤采空區(qū)飽水后地表垂直位移與4#煤、9#煤完全干燥狀態(tài)下相比最大沉陷值增加了16 mm，4#煤、9#煤均飽水時最大沉陷值增大了39 mm，占均干燥條件下最大下沉值的9.7%，可以看出水對破碎巖體壓縮有一定的促進作用，工程應(yīng)用中必須考慮充水前后采空區(qū)穩(wěn)定性的變化。

模擬建筑地表y方向位移，3種含水狀態(tài)下的水平移動曲線如圖3。4#、9#煤全部干燥、4#自然、9#煤飽水時以及均飽水時對應(yīng)的工作面走向上最大水平移動分別為 61.1、63.8、64.5 mm。從 4#煤、9#均為干燥條件到4#煤、9#煤均為飽水條件過程中，地表下沉、水平移動逐漸增大，傾斜值和曲率也相對增大，下沉最大值始終位于采空區(qū)盆地中央位置，最大水平變形位于采空區(qū)內(nèi)側(cè)，淺部采空區(qū)矸石的壓實的密實程度會作用于地表的移動變形。

圖2 3種狀態(tài)下沉曲線

圖3 3種狀態(tài)水平移動曲線

4 荷載作用下覆巖層移動變形規(guī)律

為確定采空區(qū)上方地表新建建筑物所能達到的最大荷載，需要對地表所允許建筑荷載進行分析，確定修建建筑物荷載對地基影響深度，以附加應(yīng)力等于10%自重應(yīng)力確定其深度。通過分析建筑地基穩(wěn)定性并確定建筑物所適宜修建的層數(shù)，從而進行穩(wěn)定性評價。采用FISH語言對研究區(qū)進行梯度加載，模擬不同樓高即荷載大小對地基的擾動影響。

4.1 4#煤采空區(qū)覆巖地基擾動規(guī)律

研究區(qū)淺部4#煤采空區(qū)未積水，埋深范圍約為25.4～28.9 m。住宅樓基礎(chǔ)底面豎向均布荷載一般為20 kN/m2，由于4#煤采空區(qū)距離地表較近，采空區(qū)未處理前極易受到建筑荷載影響，所以對于4#煤按照每層0.015 MPa的荷載進行梯度加載，在建筑地表向下60 m范圍內(nèi)設(shè)置應(yīng)力和位移監(jiān)測線3，4#煤采空區(qū)覆巖地基擾動深度如圖4。

圖4 4#煤采空區(qū)覆巖地基擾動深度

由圖4可知，4#煤采空區(qū)覆巖應(yīng)力最大允許值為0.14 MPa，此時影響埋深為19 m，與4#煤采空區(qū)垮落裂縫帶之間具有3 m的安全距離。當建筑荷載為0.015 MPa時，應(yīng)力傳播由淺到深為遞增趨勢；荷載為0.03 MPa時，埋深小于16 m時應(yīng)力基本保持不變，大于16 m時應(yīng)力開始逐漸增加；施加應(yīng)力小于0.045 MPa時，地基擾動深度與施加荷載呈線性關(guān)系增加，當施加應(yīng)力逐漸增加影響至導(dǎo)水裂隙帶高度范圍內(nèi)時，呈非線性關(guān)系增加；荷載大于0.045 MPa時，應(yīng)力傳播為先減小后增加。4#煤采空上方下沉量如圖5，隨著附加應(yīng)力增大，4#煤采空區(qū)覆巖下沉量按線彈性增加，附加應(yīng)力越大，垮落帶下沉量變形梯度急劇增大。

4.2 9#煤采空區(qū)覆巖地基擾動規(guī)律

9#煤采空區(qū)積水且水位埋深為 103.6～111.5 m，9#煤埋深范圍約為 140.0～145.3 m。設(shè)計將樁打至 4#煤底板，采用“樁+筏板”結(jié)構(gòu)。施加荷載梯度為0.1 MPa，9#煤采空區(qū)覆巖地基擾動深度和9#煤采空區(qū)覆巖下沉量如圖6、圖7。

圖5 4#煤覆巖下沉量

圖6 9#煤采空區(qū)覆巖地基擾動深度度

圖7 9#煤采空區(qū)覆巖下沉量

由圖6可知，當9#煤采空區(qū)覆巖地基允許施加荷載為2.0 MPa，地基擾動深度70 m，距地表深度為110 m時，不會引起9#煤采空區(qū)兩帶高度范圍內(nèi)的覆巖體活化失穩(wěn)。梯度加載時，應(yīng)力傳播為先減小后增加；擾動范圍內(nèi)，應(yīng)力傳播梯度明顯比擾動范圍外大；在荷載分布范圍外沿垂線方向的任意點，附加應(yīng)力隨地基深度增加其數(shù)值逐漸減小，且為非線性減小。

9#煤在彎曲下沉帶高度影響范圍內(nèi)，固定荷載作用下的覆巖垂直位移變化梯度隨深度增大而減小；導(dǎo)水裂隙帶高度至垮落帶影響范圍內(nèi)，固定荷載作用下的覆巖垂直位移變化梯度隨深度增大而增大，且垮落帶影響范圍內(nèi)垂直位移變化梯度急劇增大；垮落帶影響范圍內(nèi)，變形梯度急劇增大。

5 結(jié)論

1）采空區(qū)上覆巖層體積模量、剪切模量在數(shù)值模擬中的選取特別重要，尤其是采空區(qū)充水時參數(shù)的選取，文中的垮落帶破碎矸石取自研究區(qū)、導(dǎo)水裂隙帶參數(shù)根據(jù)室內(nèi)單軸壓縮試驗和破碎巖石壓實試驗所得，比較符合研究區(qū)實際情況。

2）采空區(qū)不同含水狀態(tài)下上覆巖層的垂直位移不同，研究區(qū)淺部4#煤采空區(qū)未積水，9#煤采空區(qū)積水，通過模擬監(jiān)測兩層煤都沒有充水、只有4#煤充水和兩層煤都充水的地表移動變形，發(fā)現(xiàn)水對破碎巖體壓縮有一定的促進作用，改變參數(shù)后的地表下沉和地表水平移動明顯增大。

3）附加應(yīng)力影響深度到達彎曲下沉帶高度范圍內(nèi)，荷載較小時，覆巖垂直位移與施加荷載基本呈現(xiàn)線性關(guān)系增加，荷載較大時，呈現(xiàn)非線性關(guān)系增加；住宅樓基礎(chǔ)底面豎向均布荷載一般為20 kN/m2，由于4#煤采空距離地表較近，采空區(qū)未處理前極易受到建筑荷載影響，需要對4#煤采空區(qū)采取加固處理；9#煤采空區(qū)覆巖地基允許施加荷載為2.0 MPa，地基擾動深度70 m，滿足設(shè)計要求，研究發(fā)現(xiàn)隨著附加應(yīng)力增大，采空區(qū)覆巖下沉量按線彈性增加，附加應(yīng)力越大，垮落帶下沉量變形梯度急劇增大。