徐良驥，郭 輝，朱 楠，秦長才

(安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽淮南232001)

一、引 言

隨著礦區(qū)煤電一體化基地的建設(shè)和礦業(yè)城市的發(fā)展，老采空區(qū)上方土地越來越多地被作為建筑用地，老采空區(qū)上方興建建筑物是礦業(yè)城市土地利用的重要途徑［1］。在穩(wěn)定的老采空區(qū)上方興建建筑物時，老采空區(qū)上方的冒落裂隙帶巖層受建筑荷載應(yīng)力作用將產(chǎn)生二次變形，進而導(dǎo)致地表產(chǎn)生殘余變形并對建(構(gòu))筑物形成損害。本文以淮南礦區(qū)新莊孜礦新淮工廣為試驗點，通過相似材料模擬試驗，反演分析重復(fù)開采條件下覆巖與地表移動變形特征以及建筑荷載作用下老采空區(qū)殘余變形規(guī)律，為老采空區(qū)上方土地開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料［2－8］。

二、試驗設(shè)計與觀測

1.試驗設(shè)計

新莊孜礦新淮工廠建立在新莊孜礦32采區(qū)、42采區(qū)及44采區(qū)等重復(fù)開采穩(wěn)沉區(qū)上方地表，試驗以研究區(qū)內(nèi)B11b、C13煤層為原型、煤層傾角18°，鋪設(shè)試驗?zāi)Ｐ统叽鐬?3000 mm×300 mm×1700 mm，試驗采用幾何相似比Cl=1∶200、容重相似比 Cr=1 ∶3.33、應(yīng)力相似比 Cσ=1 ∶333、時間相似比 Ct=1∶12。模擬實際開采長度360 m，模型兩側(cè)分別留有不同寬度(上山方向500 mm，下上方向750 mm)的煤柱。相似材料模型如圖1所示。

模型首先開采C13煤層，每隔2小時開挖一次，每次開挖長度5 cm，穩(wěn)定后開采下伏B11b煤層。待覆巖和地表移動變形穩(wěn)定后，再在老采空區(qū)上方地表不同位置施加模擬載荷。

圖1 相似材料模型

2.模型觀測［9］

1)模型上從上到下布設(shè)5條觀測線，其中1號水平觀測線布設(shè)在近地表松散層內(nèi)，2號、3號及4號觀測線自上而下依次布設(shè)在主關(guān)鍵層上，5號觀測線布設(shè)在C13和B11b煤層間的亞關(guān)鍵層上。觀測線上相鄰監(jiān)測點間距離約為10 cm，采用0.5″全站儀進行監(jiān)測點位移觀測，監(jiān)測點位精度m＜0.20 mm。各觀測線設(shè)計參數(shù)見表1。

2)模型中共布設(shè)14枚壓力盒，其中沿煤層傾斜方向共布設(shè)5層，第1層2枚，間距0.62 m;第2、3、4、5 層各 3 枚，間距分別為 1.01 m、0.62 m，采用TS3890靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進行模型應(yīng)力的監(jiān)測。壓力盒的布設(shè)位置如圖2所示。

表1 各觀測線設(shè)計參數(shù)

圖2 模型壓力盒布置示意圖

3)模型停采且移動變形穩(wěn)定后，分別在煤層的停采線、開切眼上方、采空區(qū)正上方和采空區(qū)邊界煤柱上方地表施加載荷，施加荷載時按實際建筑荷載0.23 MPa、0.46 MPa 和 0.68 MPa 依次增加。模型杠桿加載裝置及加載位置如圖3、圖4所示。

圖3 模型杠桿加載裝置示意圖

圖4 模型加載位置示意圖

三、試驗結(jié)果與討論

1.覆巖運動規(guī)律分析

1)模型開采過程中對5條觀測線進行監(jiān)測并繪制下沉曲線，如圖5—圖9所示。

a.如圖5—圖8所示，C13工作面推進到60 m時，1號觀測線開始下沉;C13開采結(jié)束后，1號線、2號線、3號線和4號線的最大下沉值分別為771 mm、874 mm、985 mm和1262 mm。

b.如圖5—圖8所示，當C13工作面上覆巖層穩(wěn)定后，模型繼續(xù)開采下伏B11b煤層，當工作面推進到160 m時，1號線下沉曲線有較明顯的變化，下沉都更加劇烈;開采結(jié)束且上覆巖層穩(wěn)定后，1號線、2號線、3號線和4號線的最大下沉值分別為6204 mm、5558 mm、5664 mm 和6025 mm。

c.如圖9所示，C13煤層工作面開采穩(wěn)定后，模型開采下伏B11b煤層工作面，工作面推進至320 m時，5號觀測線處的亞關(guān)鍵層發(fā)生破斷，其變形曲線由連續(xù)性轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B續(xù)性。

圖5 1號觀測線下沉曲線圖

圖6 2號觀測線下沉曲線圖

圖7 3號觀測線下沉曲線圖

圖8 4號觀測線下沉曲線圖

圖9 5號觀測線下沉曲線圖

2)模型模擬開采覆巖破壞情況如圖10所示。

圖10

圖11

a.當C13工作面推進距離50 m，頂板開始垮落，巖層呈梯字形垮落，推進至120 m時(如圖10(a)所示)，頂板上部約5 m處有離層;模擬推進至200 m時(如圖10(b)所示)，在其上方20 m處出現(xiàn)一條較明顯的裂縫，長約130 m;隨著工作面推進至360 m時(如圖10(c)所示)垮落面積增大，層間裂縫也越來越大。

b.C13煤層開采結(jié)束，上覆巖層穩(wěn)定后，模擬開采B11b煤層。當B11b工作面推進距離40 m，頂板呈梯字形垮落，推進至170 m時(如圖10(d)所示)，頂板垮落面積增大，推進至220 m時(如圖10(e)所示)，其上覆巖層出現(xiàn)數(shù)條裂縫;推進至320 m時，C13與B11b之間的巖層整體垮落;推進至360 m時(如圖10(f)所示)，C13煤層上覆巖層垮落面積增大，且壓實C13與B11b之間的垮落覆巖。

2.荷載作用下地表殘余變形規(guī)律

C13和B11b煤層開采完畢、模型穩(wěn)定后，在老采空區(qū)上方地表不同位置施加荷載，地表殘余移動變形曲線及其與荷載量關(guān)系如圖11—圖13所示。

在模型中老采空區(qū)上方地表根據(jù)實際建筑物荷載依次施加荷載 0.23 MPa、0.46 MPa 和 0.68 MPa。

1)如圖11所示，在停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表施加荷載時，荷載所在位置發(fā)生了不均勻沉降。隨著荷載量的增加，殘余下沉值也隨之增加。當施加0.23 MPa的荷載時，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表殘余下沉值分別為10 mm、6 mm、24 mm和5 mm。當荷載達到最大的0.68 MPa時，4個位置達到最大下沉值分別為46 mm、39 mm、98 mm和23 mm。

2)如圖12所示，施加荷載后，荷載所在位置傾斜變形值較大，隨著荷載量的增加，殘余傾斜變形值隨之增大。當施加0.23 MPa的荷載時，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表殘余傾斜變形值分別為 0.21 mm/m、0.15 mm/m、0.21 mm/m 和 0.1 mm/m。當達到最大荷載 0.68 MPa時，4個位置的殘余傾斜變形為0.6 mm/m、0.38 mm/m、0.28 mm/m 和 0.2 mm/m。

3)如圖13所示，施加荷載后，荷載所在位置水平變形值發(fā)生變化，隨著荷載量的增加，殘余水平變形值隨之增大。當施加0.23 MPa的荷載時，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表殘余水平變形值分別為0.12 mm/m、0.1 mm/m、0.15 mm/m 和 0.1 mm/m。當達到最大荷載0.68 MPa時，4個位置的殘余水平變形值分別為1.1 mm/m、0.7 mm/m、0.4 mm/m 和 0.2 mm/m。

荷載作用下，停采線上方地表、切眼上方地表、采空區(qū)中央上方地表和煤柱上方地表都產(chǎn)生了殘余變形，并隨著荷載增加，變形值隨之增大。其中，采空區(qū)中央上方地表殘余下沉值最大;停采線上方地表殘余傾斜變形值和水平變形值最大，煤柱上方地表變形值最小。因此，在煤柱上方地表興建建筑物時安全性能要好于其他部位。

3.覆巖應(yīng)力變化特征

通過傳感器采集的數(shù)據(jù)得到煤層上覆巖層內(nèi)部應(yīng)力變化曲線如圖14—圖16所示。

圖12

圖13

圖14

圖15

圖16

由圖14—圖16可知:

1)隨著模擬工作面的推進，工作面上覆巖層垮落，造成覆巖應(yīng)力變化，覆巖各測點的應(yīng)力緩慢上升，且距離工作面近的位置應(yīng)力變化大，距離工作面遠的位置應(yīng)力變化小。其中在級數(shù)為288時測點應(yīng)力達到峰值，距離工作面較近的采空區(qū)上方、停采線上方和煤柱邊界上方的1測點、5測點和2測點應(yīng)力變 化 最大，分別為 12.3 MPa、12.9 MPa 和12.1 MPa。距離工作面較遠的12測點、14測點和13 測點應(yīng)力變化最小，分別為 3.2 MPa、3.0 MPa 和2.8 MPa。隨著工作面上覆巖層穩(wěn)定，測點應(yīng)力逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

2)對模型進行加載，離地表加壓位置較近的測點受到較小的響應(yīng)，應(yīng)力值增大，隨后漸趨于穩(wěn)定，而距離地表較遠的其他測點幾乎沒有變化。在級數(shù)為1439時模型開始施加荷載。距離地表較近的采空區(qū)上方、停采線上方和煤柱邊界上方的12測點、14測點和13測點應(yīng)力增加，當施加荷載達到最大的0.68 MPa時，12測點、14測點和13測點分別為0.7 MPa、1.7 MPa 和 1.2 MPa。當級數(shù)為 1722 時，12測點、14測點和13測點應(yīng)力開始穩(wěn)定，并不再發(fā)生變化。

四、結(jié)論與建議

1)相似材料模擬試驗表明，重復(fù)開采會造成工作面上覆巖層垮落，從而導(dǎo)致覆巖和地表的移動變形，且移動變形破壞比單一工作面開采劇烈。

2)在穩(wěn)定的老采空區(qū)上方地表不同位置施加荷載，會造成地表發(fā)生殘余變形，其中采空區(qū)上方地表下沉值最大，停采線上方地表殘余傾斜變形值和水平變形值最大，煤柱上方地表移動變形值最小;隨著荷載增加，地表殘余變形量也隨之增大。

3)隨著工作面的推進覆巖間應(yīng)力值增大，并達到一定峰值。隨著工作面上方覆巖移動變形的穩(wěn)定，其應(yīng)力也會下降并趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定的采空區(qū)地表施加荷載，會引起離地表距離近的位置應(yīng)力發(fā)生較小響應(yīng)，且隨著荷載增加而增大，最后趨于穩(wěn)定;而距離地表較遠的位置應(yīng)力值幾乎沒有變化。

4)為減少建筑荷載作用下地表殘余變形的影響，在老采空區(qū)上方興建大型建筑物時，應(yīng)及時采取灌漿充填裂縫、加固地基等措施治理采空區(qū)興建建筑物損害變形造成的損害［10－12］。

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