孫世國,張文韜,宋維琦

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100043)

1 概述

1.1 選題目的和意義

煤礦開采形成大量老采空區(qū),地表出現(xiàn)沉陷盆底,繼而對整個(gè)礦區(qū)環(huán)境與城市地區(qū)造成嚴(yán)重影響,采空區(qū)地表的治理引起人們的重視。社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,使得土地資源日益減少,其中一部分的建筑、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)選擇的是采空區(qū)周圍,所以,采空區(qū)的地表穩(wěn)定性、建筑類型以及地表沉降率需要格外重視,其需要做進(jìn)一步研究與探索[1]。

1.2 國內(nèi)外研究背景及現(xiàn)狀

煤礦開采對環(huán)境造成的最大問題即地表形成大量沉陷區(qū),使得農(nóng)耕用地變?yōu)橥莸亍５乇硗寥篮退w因?yàn)槭艿降V井水的污染,造成了礦區(qū)土壤鹽堿化,土地資源的大量浪費(fèi)以及地表水的滲漏,對礦區(qū)人民的生活質(zhì)量造成極大影響。

早在20世紀(jì)60年代,我國便開始研究工作,其中以概率積分法的運(yùn)用最為廣泛。另外,以劉天泉為代表的一眾學(xué)者創(chuàng)建了采礦地區(qū)反動(dòng)反應(yīng)理論體系。王金莊、戴華陽在概率積分法的基礎(chǔ)上,來構(gòu)建模型,然后以開采充分條件為要求,繼而為不同類型的開采預(yù)測模型進(jìn)行判斷。該研究對礦區(qū)含有斷層水體下采煤具有重要的意義[2]。

1.3 主要研究內(nèi)容

本文依托于撫順老虎臺礦區(qū)開采情況,對采空區(qū)的地表變形規(guī)律及已有的地表變形特征進(jìn)行分析,選擇對采空區(qū)的建設(shè)工程其地基穩(wěn)定性進(jìn)行測試,以此來判斷建筑物的安全系數(shù),實(shí)現(xiàn)對建筑工程地理位置的優(yōu)化選擇,促使待建地區(qū)的地基穩(wěn)定性能夠做到準(zhǔn)確測評,并以此為模式來對新建建筑物的荷載能力進(jìn)行整體測量,對地表建筑工程設(shè)計(jì)和選擇提出建議[3]。

2 地下開采誘發(fā)地表移動(dòng)特征分析

2.1 老虎臺煤礦水文地質(zhì)條件

老虎臺礦地處撫順市區(qū),地貌形態(tài)為樹枝狀窄型谷地,地層主要由凝灰?guī)r、玄武巖和花崗片麻巖等組成,礦區(qū)存在著許多不同順序的結(jié)構(gòu)面。地勢較為平順,平均海拔海拔為90m；整個(gè)地區(qū)的西部區(qū)域是煤層,東西跨度為4.95公里,南北寬度為2公里,整體面積約為10平方公里,整個(gè)礦區(qū)有多條鐵路線路,交通運(yùn)輸十分便利。

2.2 采空區(qū)上覆巖體移動(dòng)規(guī)律的綜合分析

沿采區(qū)傾向主斷面位移矢量場的變化特征是以選擇的幾何中心,上部覆蓋的是巖體移動(dòng)矢量方向的指定區(qū)域。從下沉區(qū)域與水平移動(dòng)曲線來看,七步開采結(jié)束之后,在采空區(qū)域的位移最大達(dá)到了21米,并兩側(cè)逐步減小,這證明了開采的厚度在提高的同時(shí),水平位移與沉降值會(huì)隨之減小。其中,最大的水平位移達(dá)到了4.6米,且斷層帶分界面處于突變頻繁階段。

3 采沉區(qū)地表進(jìn)行工程建設(shè)分析

通常若要在采空區(qū)地表進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),選擇在殘余沉降期結(jié)束后進(jìn)行工程建設(shè),能夠大面積地降低沉陷環(huán)境對建筑物的危害影響。當(dāng)?shù)乇須堄喑两抵堤幱谄椒€(wěn)狀態(tài)的時(shí)候,其僅僅是對抗變形措施的選擇,以此來保障建筑物的穩(wěn)定性與安全度[4]。本文將通過對老虎臺的礦區(qū)地表沉降情況來對地表工程建設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 采沉區(qū)允許建設(shè)建筑物時(shí)間評價(jià)方法的研究

建筑物下采煤中規(guī)定,在維持半年的地表沉值計(jì)算過程中,其總體數(shù)額不大于30mm的時(shí)候,意味著地表衰退期的結(jié)束,整個(gè)地域環(huán)境進(jìn)入殘余沉降。在老采空區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)的期間,需要根據(jù)煤礦開采的時(shí)間來判斷沉余沉降的影響表現(xiàn)。采空地區(qū)的殘余沉降變形變緩,一般不會(huì)對整個(gè)建筑物造成破壞,所以,建議在2倍地表移動(dòng)延續(xù)期內(nèi)組織工程建設(shè)活動(dòng)。本文的采空區(qū)地表殘余沉降值計(jì)算選擇的是概率積分法進(jìn)行預(yù)測,得到殘余沉降全部結(jié)束后,沉降量最大為Wc=3.15m。

根據(jù)“三下”采煤規(guī)范,地表的持續(xù)移動(dòng)時(shí)間計(jì)算式為Ta=2.5H,其中,Ta總為移動(dòng)的總時(shí)間,H為開采的深度。取建設(shè)場地的最大開采深度700m,得到地表移動(dòng)總時(shí)間為4.86年[5]。

對老虎臺礦采空區(qū)地表殘余移動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間計(jì)算,殘余沉降值與其發(fā)生所持續(xù)的時(shí)間的關(guān)系可采用負(fù)指數(shù)函數(shù)形式描述,公式為：Wc(T)=Wc(1-e-pt),式中,p為殘余下沉的時(shí)間因子(a-1)；T為殘余下沉延續(xù)時(shí)間(a)；Wc(T)為殘余下沉延續(xù)時(shí)間內(nèi)的下沉值,即上文中所計(jì)算得出Wc(T)=3.15m。

本文中對于中硬巖層,寬深比D/H約為0.5,時(shí)間因子p為0.125。當(dāng)每年殘余下沉量≤1mm時(shí),即認(rèn)為地表穩(wěn)定,由此計(jì)算出老虎臺礦的地表殘余沉降時(shí)間大致為7.46年。因此擬進(jìn)行工程建設(shè)的時(shí)間為地表衰退期結(jié)束后7.46年,即當(dāng)采空區(qū)地表的殘余沉降基本結(jié)束時(shí),進(jìn)行工程建設(shè),大概為12.32年。

3.2 建筑物位置的選擇

本文選擇以綜合角度來對采空區(qū)的地表工程基地建設(shè)情況進(jìn)行對比分析。工況①是下沉盆底的中間地段,這是因?yàn)橄鲁僚璧椎闹虚g沉降區(qū)域安全度更高,且在殘余沉降階段不容易出現(xiàn)大的地表沉降；工況②是F1與F1A兩者的斷層之間,地表沉降變化出現(xiàn)連續(xù),且在采空區(qū)域中與邊界之間帶有一定距離。

4 主要結(jié)論

本次的論文研究內(nèi)容是撫順老虎礦地區(qū)域的工程實(shí)踐研究背景,針對于礦山區(qū)域的開采下陷地區(qū)來對穩(wěn)定度的殘余變化進(jìn)行預(yù)測,并以此來對廢棄地區(qū)的工程建設(shè)可行性做系統(tǒng)的研究,其研究內(nèi)容為：①根據(jù)老虎臺礦區(qū)的實(shí)際開采情況,對已形成的采空區(qū)地表變形規(guī)律及地表變形特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析；②采空區(qū)域地表變形持續(xù)周期的系統(tǒng)分析與建設(shè)時(shí)間的選擇,將選擇的兩處變形區(qū)域的位置進(jìn)行安全影響因素分析。通過設(shè)計(jì)運(yùn)用來對建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素系統(tǒng)認(rèn)識；③設(shè)計(jì)活動(dòng)的計(jì)算與核驗(yàn)工作需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的滿足要求如手,來對建筑區(qū)域的地基穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià),明確判斷沉降區(qū)域的建筑物安全影響范圍,確定建筑荷載物是否會(huì)對采空區(qū)域進(jìn)行二次“活化”。

5 研究展望

隨著對我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展情況來對采沉區(qū)的地表恢復(fù)情況加強(qiáng)重視。因此對于采空區(qū)地表的殘余沉降、待建工程的地基穩(wěn)定性問題等都是未來研究的熱點(diǎn)問題,仍然有許多實(shí)際的問題需要解決,因此在以后的工作中還應(yīng)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。

[1]王金莊.我國村莊下采煤的回顧與展望[J].中國煤炭,2002(05)：28-31．

[2]劉寶琛,廖國華.煤礦地表移動(dòng)的基本規(guī)律[M].北京：中國工業(yè)出版社,1965．

[3]劉天泉.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1981．

[4]王長輝,馮錫勇.淺埋隧道圍巖及地表變形規(guī)律研究[J].江西建材,2015(06)．

[5]何國清.威布爾分布在地表預(yù)計(jì)中的應(yīng)用[D].中國礦業(yè)大學(xué),1981．