尚 棟

(山西西山金城建筑有限公司，山西 太原 030053)

邊坡下采礦引起的非塌陷區(qū)地面變形破壞可分為兩大類，第一大類是采礦引起的變形導(dǎo)致邊坡變形破壞，從而使邊坡上建筑物破壞或邊坡下的建筑遭受破壞，典型實(shí)例是湖北遠(yuǎn)安縣鹽池河大型山體滑崩(見(jiàn)圖1)。第二大類是山體塌陷過(guò)程中對(duì)坡腳具有明顯的擠壓作用，導(dǎo)致坡腳地面出現(xiàn)鼓脹變形，使其上的建筑破壞。最典型的實(shí)例是陜西韓城電廠(見(jiàn)圖2)，橫山邊坡下開(kāi)采312 工作面，隨著山體下沉導(dǎo)致地面起鼓，按滑坡變形機(jī)理進(jìn)行了治理，但治理效果不理想，變形并沒(méi)有得到控制，最后通過(guò)安全煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)變更，控制了山體變形。本文對(duì)第二類建筑物的變形機(jī)理進(jìn)行了研究，并在工程實(shí)踐中提出了新的治理措施。

圖1 鹽池河滑崩工程地質(zhì)剖面圖

圖2 “韓城電廠滑坡”工程地質(zhì)剖面圖

1 黃臺(tái)峰風(fēng)井場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

黃臺(tái)峰位于山西省古交市黃臺(tái)峰，地面高程最高1 320.0 m、最低1 130.0 m，最大高差為90 m，工業(yè)場(chǎng)地位于邊坡坡腳，高程為1 139.0 m。

場(chǎng)地出露的地層主要為下二疊統(tǒng)、上石炭統(tǒng)山西組西銘段粉砂巖與泥巖互層，山頂局部地段出露第四系晚更新統(tǒng)馬蘭組黃土和中更新統(tǒng)離石組黃土，坡腳工業(yè)場(chǎng)地沖溝內(nèi)局部出露新近堆積的黃土狀土。

研究區(qū)內(nèi)巖層為近水平巖層，地層產(chǎn)狀為170°∠3° ～10°，自然斜坡為近正交斜坡。構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，斷層主要為小型正斷層，主要有兩組，一組為北北東-北東向，傾角一般在40° ～60°左右，一組為北西向，傾角一般在65° ～75°左右，但延伸的距離和斷距均較小。

2 黃臺(tái)峰風(fēng)井場(chǎng)地變形機(jī)理研究

2.1 簡(jiǎn)單力學(xué)分析

地下開(kāi)采所形成的采空區(qū)，破壞了圍巖原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而引起上覆巖層、底板巖層和采空區(qū)圍巖發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞。隨著回采面積的擴(kuò)大，這種影響將從采空區(qū)發(fā)展到地表，這一過(guò)程稱巖層移動(dòng)。在一般開(kāi)采條件下(水平煤層，地形較平坦)，在底板下方形成所謂的“下三帶”，即臌脹帶、微裂隙帶和應(yīng)力變化帶，在采空區(qū)四周形成邊三帶即片落帶、塑性變形帶和彈性變形帶，在頂板上方形成“上三帶”即垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。

采用長(zhǎng)壁垮落采礦法，巖層移動(dòng)的范圍隨著采空區(qū)面積增大而擴(kuò)大。當(dāng)采空區(qū)的面積達(dá)到一定范圍時(shí)，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生變形與移動(dòng)。當(dāng)采礦工作結(jié)束，地表移動(dòng)停止后，在采空區(qū)上方地表形成沉陷的區(qū)域，稱為最終移動(dòng)盆地或最終下降盆地。對(duì)于近水平礦層且采空區(qū)為矩形時(shí)，最終移動(dòng)盆地位于采空區(qū)正上方，呈橢圓形。但在邊坡下采煤(水平煤層)移動(dòng)盆地的特征與平地略有差別，黃臺(tái)峰風(fēng)井場(chǎng)區(qū)采空區(qū)塌陷力學(xué)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3，山體在沿最大拉裂縫塌陷的過(guò)程中，將對(duì)其側(cè)壁產(chǎn)生巨大的摩擦力(T2)，T2 可分解為背向山體方向的推力P 和向上的鼓脹力N。其中:N 導(dǎo)致工業(yè)場(chǎng)地產(chǎn)生向上的垂向位移，P 導(dǎo)致工業(yè)場(chǎng)地產(chǎn)生背向山體的水平位移，地面變形曲線見(jiàn)圖3。黃臺(tái)峰風(fēng)井的建筑變形主要為地面的隆起變形所破壞。

圖3 黃臺(tái)峰風(fēng)井場(chǎng)地采空區(qū)塌陷力學(xué)示意圖

2.2 數(shù)值模擬

針對(duì)黃臺(tái)峰山體塌陷導(dǎo)致坡腳風(fēng)井場(chǎng)地隆起變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，其物理模型見(jiàn)圖4。

本研究報(bào)告中破壞模型均采用摩爾-庫(kù)倫模型，在模型的左、右和下邊界，采用零位移邊界條件，具體處理如下:

圖4 黃臺(tái)峰塌陷區(qū)數(shù)值模擬物理模型圖

1)左右邊界取u=0，v≠0(u 為X 方向的位移，v為Y 方向位移)，即限制水平位移、允許垂直位移。2)下邊界取u=v =0，為全約束邊界。3)上邊界不約束，為自由邊界。

4#煤開(kāi)采時(shí)應(yīng)力解除孔施工前、后工業(yè)廣場(chǎng)X 方向位移等值線圖見(jiàn)圖5。在開(kāi)采上層煤時(shí)，工業(yè)場(chǎng)地的最大主應(yīng)力等值線圖見(jiàn)圖6。最大剪應(yīng)力等值線圖見(jiàn)圖7。

圖5 施工前、后工業(yè)廣場(chǎng)X 方向位移等值線圖

圖6 施工前、后工業(yè)廣場(chǎng)最大主應(yīng)力等值線圖

圖7 施工前、后工業(yè)廣場(chǎng)最大剪應(yīng)力等值線圖

由圖7 可知，在工業(yè)場(chǎng)地下方出現(xiàn)明顯向上的剪應(yīng)力集中，這是產(chǎn)生向上的位移速度的根源。數(shù)值模擬的地面垂向變形曲線見(jiàn)圖8，最大垂向位移達(dá)到11 mm。

3 黃臺(tái)峰風(fēng)井場(chǎng)地建筑物變形治理措施

圖8 數(shù)值模擬的地面變形曲線圖

由于黃臺(tái)峰風(fēng)井場(chǎng)地變形的誘因是山體塌陷過(guò)程中坡腳剪應(yīng)力引起的垂直變形所致，故本次治理工程采用應(yīng)力解除的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)采用鉆孔對(duì)工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)的剪應(yīng)力進(jìn)行釋放，達(dá)到緩解風(fēng)機(jī)房及風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)變形的目的。主要在靠近山體一側(cè)設(shè)計(jì)一排鉆孔(見(jiàn)圖9)，鉆孔間距為750 mm，鉆孔直徑為150 mm，鉆孔深度為20 m。設(shè)置了3 個(gè)深部變形監(jiān)測(cè)孔。鉆進(jìn)過(guò)程鉆孔上部5 ～10 m 塌孔較為嚴(yán)重(見(jiàn)圖10)，表明應(yīng)力釋放結(jié)果顯著。但鉆孔形成后，變形很快趨于穩(wěn)定，即使在2010 年7 月份開(kāi)采下部的6#煤時(shí)也未出現(xiàn)較大的水平變形。

圖9 工業(yè)場(chǎng)地應(yīng)力解除鉆孔平面布置圖

圖10 CX2 測(cè)斜孔時(shí)間-位移曲線圖

由圖5 可知，工業(yè)場(chǎng)地水平向位移明顯降低，地表最大主應(yīng)力從-1.88 ×105Pa 下降到-7.66 ×104Pa，下降幅度達(dá)59%。由圖6 可知，最大剪應(yīng)力7.41×103Pa 下降到5.86 ×103Pa，下降幅度達(dá)21.0%。

4 結(jié)束語(yǔ)

該工程自2004 年開(kāi)采4#煤以來(lái)，工業(yè)場(chǎng)地就一直在變形，風(fēng)機(jī)房出現(xiàn)變形，到2007 年風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一度陷入停產(chǎn)的境界，但應(yīng)力解除鉆孔施工完畢后，風(fēng)機(jī)基本運(yùn)轉(zhuǎn)正常，風(fēng)機(jī)房的變形也趨于停頓。2008 年開(kāi)采下部的6#煤，在未調(diào)整安全煤柱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，也未發(fā)生變形，本工程取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 范士凱.采空區(qū)上邊坡穩(wěn)定問(wèn)題［J］.資源與環(huán)境工程，2006，20(11):617.

［2］ 范士凱.湖北省陳家河煤礦跑馬嶺山體穩(wěn)定性工程地質(zhì)研究［J］.資源與環(huán)境工程，2006(S1):42 -43.

［3］ 徐邦棟.滑坡分析與防治［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001:742 -767.

［4］ 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［M］.北京:煤炭出版社，2000:189 -190.