建筑荷载作用下老采空区上方覆岩与地表残余变形规律研究

2015-12-11徐良骥秦长才

测绘通报 2015年5期

徐良骥，郭辉，朱楠，秦长才

(安徽理工大学测绘学院，安徽淮南232001)

一、引言

随着矿区煤电一体化基地的建设和矿业城市的发展，老采空区上方土地越来越多地被作为建筑用地，老采空区上方兴建建筑物是矿业城市土地利用的重要途径［1］。在稳定的老采空区上方兴建建筑物时，老采空区上方的冒落裂隙带岩层受建筑荷载应力作用将产生二次变形，进而导致地表产生残余变形并对建(构)筑物形成损害。本文以淮南矿区新庄孜矿新淮工广为试验点，通过相似材料模拟试验，反演分析重复开采条件下覆岩与地表移动变形特征以及建筑荷载作用下老采空区残余变形规律，为老采空区上方土地开发利用提供基础资料［2－8］。

二、试验设计与观测

1.试验设计

新庄孜矿新淮工厂建立在新庄孜矿32采区、42采区及44采区等重复开采稳沉区上方地表，试验以研究区内B11b、C13煤层为原型、煤层倾角18°，铺设试验模型尺寸为:3000 mm×300 mm×1700 mm，试验采用几何相似比Cl=1∶200、容重相似比 Cr=1 ∶3.33、应力相似比 Cσ=1 ∶333、时间相似比 Ct=1∶12。模拟实际开采长度360 m，模型两侧分别留有不同宽度(上山方向500 mm，下上方向750 mm)的煤柱。相似材料模型如图1所示。

模型首先开采C13煤层，每隔2小时开挖一次，每次开挖长度5 cm，稳定后开采下伏B11b煤层。待覆岩和地表移动变形稳定后，再在老采空区上方地表不同位置施加模拟载荷。

图1 相似材料模型

2.模型观测［9］

1)模型上从上到下布设5条观测线，其中1号水平观测线布设在近地表松散层内，2号、3号及4号观测线自上而下依次布设在主关键层上，5号观测线布设在C13和B11b煤层间的亚关键层上。观测线上相邻监测点间距离约为10 cm，采用0.5″全站仪进行监测点位移观测，监测点位精度m＜0.20 mm。各观测线设计参数见表1。

2)模型中共布设14枚压力盒，其中沿煤层倾斜方向共布设5层，第1层2枚，间距0.62 m;第2、3、4、5 层各 3 枚，间距分别为 1.01 m、0.62 m，采用TS3890静态电阻应变仪进行模型应力的监测。压力盒的布设位置如图2所示。

表1 各观测线设计参数

图2 模型压力盒布置示意图

3)模型停采且移动变形稳定后，分别在煤层的停采线、开切眼上方、采空区正上方和采空区边界煤柱上方地表施加载荷，施加荷载时按实际建筑荷载0.23 MPa、0.46 MPa 和 0.68 MPa 依次增加。模型杠杆加载装置及加载位置如图3、图4所示。

图3 模型杠杆加载装置示意图

图4 模型加载位置示意图

三、试验结果与讨论

1.覆岩运动规律分析

1)模型开采过程中对5条观测线进行监测并绘制下沉曲线，如图5—图9所示。

a.如图5—图8所示，C13工作面推进到60 m时，1号观测线开始下沉;C13开采结束后，1号线、2号线、3号线和4号线的最大下沉值分别为771 mm、874 mm、985 mm和1262 mm。

b.如图5—图8所示，当C13工作面上覆岩层稳定后，模型继续开采下伏B11b煤层，当工作面推进到160 m时，1号线下沉曲线有较明显的变化，下沉都更加剧烈;开采结束且上覆岩层稳定后，1号线、2号线、3号线和4号线的最大下沉值分别为6204 mm、5558 mm、5664 mm 和6025 mm。

c.如图9所示，C13煤层工作面开采稳定后，模型开采下伏B11b煤层工作面，工作面推进至320 m时，5号观测线处的亚关键层发生破断，其变形曲线由连续性转变为非连续性。

图5 1号观测线下沉曲线图

图6 2号观测线下沉曲线图

图7 3号观测线下沉曲线图

图8 4号观测线下沉曲线图

图9 5号观测线下沉曲线图

2)模型模拟开采覆岩破坏情况如图10所示。

图10

图11

a.当C13工作面推进距离50 m，顶板开始垮落，岩层呈梯字形垮落，推进至120 m时(如图10(a)所示)，顶板上部约5 m处有离层;模拟推进至200 m时(如图10(b)所示)，在其上方20 m处出现一条较明显的裂缝，长约130 m;随着工作面推进至360 m时(如图10(c)所示)垮落面积增大，层间裂缝也越来越大。

b.C13煤层开采结束，上覆岩层稳定后，模拟开采B11b煤层。当B11b工作面推进距离40 m，顶板呈梯字形垮落，推进至170 m时(如图10(d)所示)，顶板垮落面积增大，推进至220 m时(如图10(e)所示)，其上覆岩层出现数条裂缝;推进至320 m时，C13与B11b之间的岩层整体垮落;推进至360 m时(如图10(f)所示)，C13煤层上覆岩层垮落面积增大，且压实C13与B11b之间的垮落覆岩。

2.荷载作用下地表残余变形规律

C13和B11b煤层开采完毕、模型稳定后，在老采空区上方地表不同位置施加荷载，地表残余移动变形曲线及其与荷载量关系如图11—图13所示。

在模型中老采空区上方地表根据实际建筑物荷载依次施加荷载 0.23 MPa、0.46 MPa 和 0.68 MPa。

1)如图11所示，在停采线上方地表、切眼上方地表、采空区中央上方地表和煤柱上方地表施加荷载时，荷载所在位置发生了不均匀沉降。随着荷载量的增加，残余下沉值也随之增加。当施加0.23 MPa的荷载时，停采线上方地表、切眼上方地表、采空区中央上方地表和煤柱上方地表残余下沉值分别为10 mm、6 mm、24 mm和5 mm。当荷载达到最大的0.68 MPa时，4个位置达到最大下沉值分别为46 mm、39 mm、98 mm和23 mm。

2)如图12所示，施加荷载后，荷载所在位置倾斜变形值较大，随着荷载量的增加，残余倾斜变形值随之增大。当施加0.23 MPa的荷载时，停采线上方地表、切眼上方地表、采空区中央上方地表和煤柱上方地表残余倾斜变形值分别为 0.21 mm/m、0.15 mm/m、0.21 mm/m 和 0.1 mm/m。当达到最大荷载 0.68 MPa时，4个位置的残余倾斜变形为0.6 mm/m、0.38 mm/m、0.28 mm/m 和 0.2 mm/m。

3)如图13所示，施加荷载后，荷载所在位置水平变形值发生变化，随着荷载量的增加，残余水平变形值随之增大。当施加0.23 MPa的荷载时，停采线上方地表、切眼上方地表、采空区中央上方地表和煤柱上方地表残余水平变形值分别为0.12 mm/m、0.1 mm/m、0.15 mm/m 和 0.1 mm/m。当达到最大荷载0.68 MPa时，4个位置的残余水平变形值分别为1.1 mm/m、0.7 mm/m、0.4 mm/m 和 0.2 mm/m。

荷载作用下，停采线上方地表、切眼上方地表、采空区中央上方地表和煤柱上方地表都产生了残余变形，并随着荷载增加，变形值随之增大。其中，采空区中央上方地表残余下沉值最大;停采线上方地表残余倾斜变形值和水平变形值最大，煤柱上方地表变形值最小。因此，在煤柱上方地表兴建建筑物时安全性能要好于其他部位。

3.覆岩应力变化特征

通过传感器采集的数据得到煤层上覆岩层内部应力变化曲线如图14—图16所示。

图12

图13

图14

图15

图16

由图14—图16可知:

1)随着模拟工作面的推进，工作面上覆岩层垮落，造成覆岩应力变化，覆岩各测点的应力缓慢上升，且距离工作面近的位置应力变化大，距离工作面远的位置应力变化小。其中在级数为288时测点应力达到峰值，距离工作面较近的采空区上方、停采线上方和煤柱边界上方的1测点、5测点和2测点应力变化最大，分别为 12.3 MPa、12.9 MPa 和12.1 MPa。距离工作面较远的12测点、14测点和13 测点应力变化最小，分别为 3.2 MPa、3.0 MPa 和2.8 MPa。随着工作面上覆岩层稳定，测点应力逐渐减小，最后趋于稳定。

2)对模型进行加载，离地表加压位置较近的测点受到较小的响应，应力值增大，随后渐趋于稳定，而距离地表较远的其他测点几乎没有变化。在级数为1439时模型开始施加荷载。距离地表较近的采空区上方、停采线上方和煤柱边界上方的12测点、14测点和13测点应力增加，当施加荷载达到最大的0.68 MPa时，12测点、14测点和13测点分别为0.7 MPa、1.7 MPa 和 1.2 MPa。当级数为 1722 时，12测点、14测点和13测点应力开始稳定，并不再发生变化。