曹小威,張國(guó)鋒,徐曉峰

(1.中國(guó)地質(zhì)工程集團(tuán)公司;2.中國(guó)地質(zhì)物資供銷(xiāo)總公司;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

1 引 言

隨著城市的規(guī)劃不斷向外輻射,對(duì)于依靠資源發(fā)展起來(lái)的城市,由于地下礦山開(kāi)采活動(dòng)破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài),使巖層位移、變形,巖體的完整性受到破壞。當(dāng)開(kāi)采的面積達(dá)到一定范圍之后,起始于采場(chǎng)附近的移動(dòng)和破壞將擴(kuò)展到地表,引起地面沉降塌陷。地下煤層采出后,上覆巖層和地表將發(fā)生的移動(dòng)和變形的范圍和程度有多大,它將給各類(lèi)建筑物帶來(lái)多大的危害和影響。如何正確評(píng)價(jià)采空區(qū)對(duì)建筑地基沉陷災(zāi)害,合理進(jìn)行建筑規(guī)劃,成為一個(gè)重要的研究課題。本文工作在充分收集、研究現(xiàn)有地質(zhì)資料和礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用方案及相關(guān)文件的基礎(chǔ)上,通過(guò)野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,采用概率積分法對(duì)采礦引發(fā)的地面沉降塌陷進(jìn)行定性定量預(yù)測(cè)分析,并結(jié)合門(mén)頭溝棚戶(hù)區(qū)改造工程,實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦引起建筑地基沉陷災(zāi)害的綜合預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

2 地下采空區(qū)分布情況

2.1 地下巖層分布

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)及工程物探確定對(duì)建筑地基穩(wěn)定造成影響的采空區(qū)巖層從上到下可以劃分為三類(lèi)巖組:松散巖組,碎裂泥巖組,較完整砂巖組。其中松散巖組主要由素填土及第四系坡洪積物組成,厚度約 11.5m,軟弱松散破碎,彈模21MPa,泊松比 0.28;泥巖組主要為含煤碎屑巖組,巖性為頁(yè)巖、綠泥巖、碎裂泥巖以及弱化巖層,裂隙節(jié)理發(fā)育,厚度0.9～38.7m,彈模 0.1～2.3GPa,泊松比 0.21～0.30,C值0.14～2.3MPa,Φ值 26～30°,分布在各煤層直接頂?shù)装寮皥?jiān)硬巖層和煤層之間,遇水后強(qiáng)度急劇降低;砂巖組是由細(xì)砂巖、粉砂巖、中砂巖等巖層組成,平均厚度 30m,具有質(zhì)地堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)完整,抗壓強(qiáng)度高,承載力大等特征,其中粉砂巖彈模 19.04GPa,泊松比 0.31,C值 16.6MPa,Φ值 38°。

2.2 采空區(qū)分布

規(guī)劃區(qū)總面積 0.587km2,區(qū)內(nèi)地下可采煤層為侏羅系窯坡組,屬門(mén)頭溝煤系,其中可采煤層一、二、五、七、九槽煤,其中九槽和七槽煤層很薄,分布范圍很小,一、二、五槽是研究區(qū)的主采煤層,面積占據(jù)規(guī)劃區(qū)面積的 80%左右,主采煤層傾角為 18度,其中一槽煤層采用陷落式采煤法,回采率85%;二槽煤層采用房柱充填法采煤,回采率 73%;五槽煤層采用殘柱式采煤法,回采率 53%。

3 建筑地基沉陷變形預(yù)測(cè)

3.1 地表下沉預(yù)測(cè)原理

概率積分法的預(yù)測(cè)原理是把巖體看作一種隨機(jī)介質(zhì),把巖層看作由大量松散的顆粒體介質(zhì)組成,從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)出發(fā),可以把整個(gè)開(kāi)采區(qū)域分解為無(wú)限個(gè)微小單元的開(kāi)采,整個(gè)開(kāi)采對(duì)巖層及地表的影響等于各單元開(kāi)采對(duì)巖層及地表影響之和。按隨機(jī)介質(zhì)理論,單元開(kāi)采引起的地表單元下沉盆地呈正態(tài)分布,且與概率密度的分布一致。地表沉降盆地下沉的概率積分預(yù)測(cè)模型是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示巖層下沉盆地的方法,該方法可適用于任意形狀工作面(采區(qū))、地表沉降盆地內(nèi)任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì),具有模型簡(jiǎn)單、參數(shù)選取方便等優(yōu)點(diǎn),可以較好地對(duì)地基變形做出預(yù)計(jì)。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

地表沉降盆地下沉的概率積分預(yù)測(cè)模型是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示巖層下沉盆地的方法,該方法可適用于任意形狀工作面(采區(qū))、地表沉降盆地內(nèi)任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)。

表 1 五層煤全采疊加后預(yù)測(cè)參數(shù)表

降盆地下沉的概率積分預(yù)測(cè)模型所需的幾個(gè)預(yù)測(cè)參數(shù)為:下沉系數(shù) q、主要影響角正切 tanβ、水平移動(dòng)系數(shù) b、拐點(diǎn)偏移距 s和最大下沉角 θ等。

計(jì)算參數(shù)首先根據(jù)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演以及根據(jù)巖性的不同形成的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值來(lái)綜合確定其預(yù)計(jì)參數(shù)的初始值,然后對(duì)下沉系數(shù)進(jìn)行修正。計(jì)算參數(shù)取值表見(jiàn)表 1。

3 規(guī)劃區(qū)建筑地基變形分區(qū)

(1)均勻沉降區(qū):處于沉陷盆地以外部分,屬于均勻整體性沉降,對(duì)建筑物危害較小。占總規(guī)劃區(qū)的 61.7%,地表最大下沉值小于 1000mm,南北方向的最大傾斜小于1mm/m,東西方向最大傾斜為 -1mm/m,南北方向的水平變形為 0.5mm/m,東西方向的水平變形為 0.5mm/m。

(2)緩傾斜沉降區(qū):處于沉陷盆地盆沿邊緣區(qū)域,屬于不均勻沉降,對(duì)建筑物危害較大。占總規(guī)劃區(qū)的 26.7%,地表最大下沉值小于 1400mm且大于1000mm,南北方向的最大傾斜 1～4mm/m,東西方向最大傾斜為 -4～-1mm/m,南北向的水平變形為 0.5～1mm/m,東西向的水平變形為 -2～0.5mm/m。

(3)急傾斜沉降區(qū):處于沉陷盆地盆沿區(qū)域,屬于不均勻沉降劇烈區(qū),對(duì)建筑物危害很大。占總規(guī)劃區(qū)的 11.6%,地表最大下沉值大于 1400mm,南北方向的最大傾斜為4mm/m,東西方向最大傾斜為 -4mm/m,南北方向的水平變形為 1mm/m,東西方向的水平變形為-2mm/m。

4 結(jié) 論

(1)概率積分法物理及幾何意義明確,其參數(shù)和結(jié)果預(yù)計(jì)精度較高,對(duì)于建筑地基沉陷災(zāi)害的評(píng)價(jià)迅速準(zhǔn)確,并能給出定量的評(píng)價(jià)。

(2)可適用于任意形狀工作面(采區(qū))、地表沉降盆地內(nèi)任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì),具有模型簡(jiǎn)單、參數(shù)選取方便等優(yōu)點(diǎn),可以較好地對(duì)地基變形做出預(yù)計(jì)。對(duì)地基變形區(qū)進(jìn)行了劃分,并針對(duì)各區(qū)變形特征,給出了建筑地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和建議。

[1]蔡美峰,李春雷,謝謨文等.北洺河鐵礦開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)及地表變形監(jiān)測(cè)分析.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào) .

[2]任松,姜德義,楊春和等.巖溶水開(kāi)采沉陷新概率積分三維預(yù)測(cè)模型研究[J].巖土力學(xué),2007,28(1):134-138.

[3]柴華彬,鄒友峰,袁占良等.SuperMap系統(tǒng)在開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)分析中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(1):53-56.