康 彥

(貴州永潤(rùn)煤業(yè)有限公司，貴州 安順 561000)

隨著我國(guó)房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，城市面積在不斷擴(kuò)大。此外，近些年來(lái)煤炭資源的快速開(kāi)發(fā)，形成了大面積的地面塌陷區(qū)，已經(jīng)導(dǎo)致了在一些產(chǎn)煤地區(qū)理想建設(shè)用地面積的嚴(yán)重減少。在采空區(qū)上興建廠房、民用建筑已經(jīng)成為了未來(lái)解決建設(shè)用地資源短缺的重要方法[1-4]。但在采空區(qū)上新建構(gòu)筑物，可能影響經(jīng)過(guò)一段時(shí)間自然壓實(shí)的上覆巖層的平衡狀態(tài)，使其發(fā)生“二次活化”，使建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，發(fā)生破裂、傾斜甚至倒塌，嚴(yán)重影響建筑物的安全性能。因此，在興建建筑物之前對(duì)地基進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并采取適當(dāng)?shù)目棺冃未胧┦欠浅１匾腫5-7]。

一般情況下，上覆巖層的移動(dòng)和變形需要經(jīng)過(guò)很漫長(zhǎng)的一段時(shí)間，才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。若地基未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的自然壓實(shí)，將會(huì)給地表建筑物留下巨大的隱患。因此，針對(duì)采空區(qū)上方新建建筑物的穩(wěn)定性問(wèn)題，結(jié)合實(shí)例，將FLAC軟件模擬結(jié)果與地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷上覆巖層是否處于完全自然壓實(shí)狀態(tài)，以便使采空區(qū)上方的土地資源得到快速的利用。最后，通過(guò)理論計(jì)算，判斷了建筑物荷載是否能引起老采空區(qū)的活化。

1 工程概況

某礦煤層平均埋深360m，平均厚度3m，屬穩(wěn)定的中厚煤層，煤層傾角3°～6°，為近水平煤層，結(jié)構(gòu)單一，一般不含矸石。礦山開(kāi)采方式為井工開(kāi)采，一次采全高，采用全部垮落法管理頂板。其中，煤層頂板巖性主要為砂巖、泥巖和泥質(zhì)砂巖，底板巖性主要為砂巖。

2 采空區(qū)地表變形規(guī)律

2.1 模型的建立

使用FLAC軟件進(jìn)行模擬過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化模擬計(jì)算和消除邊界效應(yīng)的影響，將煤層設(shè)計(jì)成水平煤層，并盡量增大模型的尺寸。建立的數(shù)值計(jì)算模型工作面推進(jìn)方向?yàn)閅軸方向，長(zhǎng)度為1400m；工作面方向沿X軸方向，長(zhǎng)度為390m；垂直方向?yàn)閆軸方向，按地質(zhì)條件建立上覆巖層模型，高度為390m，其中，煤層厚度為3m。

數(shù)值模擬的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，模型邊界變形X，Y兩軸正負(fù)兩個(gè)方向上的約束為0，Z軸負(fù)方向上的約束為0，正方向上為自由變形；在重力場(chǎng)作用時(shí)，重力加速度為9.81m/s2。在模型達(dá)到平衡狀態(tài)后進(jìn)行開(kāi)挖，沿Y軸由400m推進(jìn)到1000m處，其推進(jìn)長(zhǎng)度為600m。建立的初始模型如圖1所示。

圖1 初始模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2為沿工作面推進(jìn)方向過(guò)中心線的沉降剖面圖，在此剖面地表布置1條測(cè)線，在測(cè)線上每隔40m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，就會(huì)得到中心線地表最大下沉曲線。圖3為地表最大下沉值模擬曲線和實(shí)測(cè)曲線。由圖3可知，地表最大實(shí)測(cè)下沉值小于其模擬值，但二者總體相差不大，這說(shuō)明上覆巖層已基本處于完全自然壓實(shí)狀態(tài)，不會(huì)影響新建建筑物的安全性能。

圖2 工作面推進(jìn)方向沉降剖面

圖3 開(kāi)采后地表最大下沉值

3 采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

煤層采出后，上覆巖層的原始平衡應(yīng)力狀態(tài)重新分布，當(dāng)再次處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，上覆巖層將會(huì)形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶?？迓淞芽p帶雖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的壓實(shí)，仍會(huì)存在許多裂隙、離層、縫隙等未填充的空間。當(dāng)建筑物荷載傳遞到垮落裂縫帶時(shí)，將會(huì)引起采空區(qū)的“活化”，使地表及建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致建筑物的破壞。因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出采用采空區(qū)垮落裂縫帶發(fā)育高度與建筑物荷載影響深度是否重疊來(lái)判斷采空區(qū)地基的穩(wěn)定性。垮落裂縫帶與建筑物荷載影響深度的關(guān)系，如圖4所示[8-9]。由圖可以看出，二者存在以下3種關(guān)系：

(1)當(dāng)建筑物的影響深度與垮落裂縫帶之間有一定距離時(shí)，如圖4(a)所示，采空區(qū)上建筑物荷載不會(huì)影響垮落裂縫帶的穩(wěn)定性，此時(shí)建筑物地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)當(dāng)建筑物的影響深度與垮落裂縫帶之間剛好重合時(shí)，如圖4(b)所示，此時(shí)建筑物地基處于臨界狀態(tài)。

(3)當(dāng)建筑物的影響深度與垮落裂縫帶之間相互重疊時(shí)，如圖4(c)所示，采空區(qū)上建筑物荷載會(huì)影響垮落裂縫帶的穩(wěn)定性，此時(shí)建筑物地基處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 垮落裂縫帶與建筑物荷載影響深度的關(guān)系

3.2 采空區(qū)垮落裂縫帶發(fā)育高度

采空區(qū)垮落帶高度計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

采空區(qū)裂縫帶高度計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中，∑M為煤層累計(jì)厚度，m。

按式(1)和(2)計(jì)算得到采空區(qū)垮落帶高度9.06±2.2m，采空區(qū)裂縫帶高度為44.64m。所以，采空區(qū)垮落裂隙帶Hh發(fā)育高度最大為55.9m[10]。

3.3 建筑物荷載的影響深度

隨著深度的增加，地基基底土的自重應(yīng)力逐漸增大，而新建建筑物所產(chǎn)生的附加應(yīng)力逐漸減小。一般認(rèn)為，當(dāng)新建建筑物所產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)位置處地基層自重應(yīng)力的20%時(shí)，即可認(rèn)為建筑物產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)該深度處地基的影響可以忽略不計(jì)。但當(dāng)采空區(qū)上覆巖層遭到破壞，內(nèi)部含有裂隙、空洞或新建建筑物下含有高壓縮性土?xí)r，只有當(dāng)新建建筑物所產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)位置處地基層自重應(yīng)力的10%時(shí)，方可認(rèn)為建筑物產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基沒(méi)有產(chǎn)生影響，即：

σz= 0.1σc

由于地基中的土是層狀分布的，不同土層其重度不同。因此，基底土的自重應(yīng)力為：

假設(shè)新建建筑物長(zhǎng)54m，寬14m，基礎(chǔ)埋深3m，每層建筑荷載為20kPa。地基的附加應(yīng)力采用均布矩形荷載計(jì)算，則建筑物中心處地基附加應(yīng)力最大，即：

σz=4kp0

基礎(chǔ)底面平均附加應(yīng)力：

p0=p-γ0d

建筑物基礎(chǔ)底面處豎向均布荷載：

式中，k為角點(diǎn)下豎向附加應(yīng)力系數(shù)；γG為回填土及基礎(chǔ)的平均容重，kN/m3；A為基底面積，m2；d為基礎(chǔ)埋深，m；N為作用在基礎(chǔ)上的豎向載荷，kN/m2；γ0為基礎(chǔ)底面以上土層的容重，kN/m3。

建筑物荷載影響深度計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，建筑物的影響深度約為19m，即HJ=19m。

表1 建筑物荷載影響深度

3.4 采空區(qū)地基穩(wěn)定性分析

由以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，煤層的最小采深大于建筑物荷載影響深度與該礦采空區(qū)垮落裂縫帶發(fā)育高度之和，即，Hmin>Hh+HJ。此時(shí)，建筑物的影響深度與垮落裂縫帶之間有一定的安全距離，如圖4(a)所示，采空區(qū)上方建筑物荷載不會(huì)影響到垮落裂縫帶的穩(wěn)定性，新建建筑物地基將會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降變形，進(jìn)而影響建筑物的安全。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬得到的最終地表下沉曲線與地表實(shí)測(cè)下沉數(shù)據(jù)相差不大，為短時(shí)間利用采空區(qū)興建建筑物提供了基礎(chǔ)。

(2)概括了建筑物荷載影響深度與采空區(qū)垮落裂縫帶發(fā)育高度之間的3種關(guān)系。

(3)通過(guò)理論計(jì)算，得到了該礦煤層的最小采深大于建筑物荷載影響深度與該礦采空區(qū)垮落裂縫帶發(fā)育高度之和，采空區(qū)上方建筑物荷載不會(huì)影響到垮落裂縫帶的穩(wěn)定性，新建建筑物地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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