秦 爽，李國和

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司地質路基設計處，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，但由于缺少觀測數據和有效的預計手段，對這些“老采空區(qū)”的勘察、評價、治理一直無計可施，致使采空區(qū)上工程的設計、施工缺乏依據，存在隱患。以往的研究多以終采時間、時間影響參數和深厚比作為重要的技術指標，忽視了對采空區(qū)移動過程和變形機理的推斷，因此至今未找到好的切入點和預計方法。

1 采空區(qū)變形過程

采空區(qū)的變形是由“點”及“面”再到“體”的過程，其中“點”指采出的介質小單元，“面”指各個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)和平衡拱等共同構成的礦山壓力平衡體系。與蠕變不同，其為“波動性緩沉”。

一般將采空區(qū)的變形過程分為2個階段，即集中移動期(包括初始期、活躍期和衰退期)［2］和殘余變形期［3，1］。集中移動期是指從地表累計下沉10 mm開始，至連續(xù)6個月地表下沉值累計不超過30 mm結束的這段時間［2］。采空區(qū)的絕大部分變形量發(fā)生在這個時期，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個月累計下沉不大于30 mm后地表移動變形過程的延續(xù)［2］，且6個月內地表最大下沉速度小于1.7 mm/d。與集中移動期比較，殘余變形階段地表移動不僅速度緩慢、變形輕微，機理也更為復雜。國內外對殘余移動變形實測數據很少，研究也不夠深入，因此殘余移動變形計算尚沒有成熟的方法。

由集中移動期和殘余變形期的定義可知，2個變形階段的劃分是以一段時間內累計的下沉值為界限，并沒有從覆巖移動機理的角度來界定，因此通常所說的殘余變形量實際為“剩余變形量”。若假設整個變形期的下沉量為W，集中移動期的下沉量為Wh，殘余變形期的下沉量為Wc，則下式恒成立

式中 q——整個變形期的下沉系數;

qh——集中移動期的下沉系數;

qc——殘余變形期的下沉系數。

2 殘余變形機理

地下開采結束以后，采空區(qū)在經過集中移動期后，在長時間的自然壓實下，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構(彎曲帶為超靜定結構)。因此，變形過程的延續(xù)需具備2個必要條件:(1)地面下有延續(xù)變形的空間量;(2)更改靜定結構的約束。

2.1 殘余變形空間量的來源

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

圖1 采空區(qū)內部巖體結構

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

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

據以往鉆孔資料及模擬實驗反映，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個方面的因素。

(1)內因:垮落巖塊和破碎巖體在地下水和空氣作用下強度衰減，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構再次失穩(wěn)變形，這些外力主要是地震力、區(qū)域地質構造活動引起的構造應力、附近采動或爆破造成的擾動作用力、地面附加荷載作用等。其中，除采動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知性。

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

3 活化系數與充分沉降的關系

采空區(qū)達到初始穩(wěn)定狀態(tài)后，當煤層群開采(或厚煤層分層開采)時，若下層煤開采的影響超過上層煤開采時已經移動的覆巖，則地表受下層煤開采的重復采動影響發(fā)生二次下沉。二次下沉量并不是由下層采空區(qū)產生，而是老采空區(qū)在重復采動條件下的活化，二次下沉量與原下沉量的比值稱為活化系數，由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(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時的活化系數為0，即當受三次擾動移動穩(wěn)定后，采空區(qū)不再移動，地表達到充分沉降。分別設三次重采下沉值和下沉系數為 W3、q3，則 W=W3、q=q3。

表1 按覆巖性質區(qū)分的重復采動下沉活化系數

4 殘余變形下沉值

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

式中 mi——覆巖i分層的法線厚度，m;

Qi——覆巖i分層的巖性評價系數。

三次重采分層巖性評價系數Q3與覆巖層單軸抗壓強度R存在函數關系Q3=f(R)(圖2)，經推導得

圖2 三次重采分層巖性評價系數與覆巖層單軸抗壓強度函數關系

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 結語

(1)在深入研究采空區(qū)變形過程的基礎上，提出“波動性緩沉”的概念。

(2)通過研究殘余變形的機理，總結了初始穩(wěn)定后延續(xù)變形的條件，并提出這個過程在時間和空間上的不確定性，因此下沉值與時間無直接的函數關系。

(3)以重復采動影響老采空區(qū)活化為切入點，提出“充分沉降”的概念，推導出計算殘余變形下沉量的分段函數關系式。

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