建筑荷载位置对老采空区地表移动变形的影响

赵 虎

(晋能控股集团 忻州公司王家岭煤矿, 山西 忻州 036600)

煤炭资源的开发利用对生态环境造成了严重的影响[1-3],形成了大量的采煤沉陷区。随着社会发展步伐的加快,对采煤沉陷区的建设利用越来越引起重视。采煤沉陷区新建建筑物时,可能会引起地表二次变形,进而威胁建筑物稳定性。采煤工作面封闭后,随着时间的推移,不稳定区域依然存在;与此同时,采空区覆岩在采动应力作用下有可能发生破坏失稳[4-8]. 当封闭后的老采空区地表新建建筑物时,在建筑荷载作用下,原本处于相对稳定状态的采空区覆岩有可能重新出现活化运动,地表移动变形往往表现为突发性和不均匀性,对建筑物的稳定性产生不可忽略的影响。以山东某采区为工程背景,通过数值模拟研究建筑荷载位置对浅埋长壁老采空区地表移动变形的影响,揭示建筑荷载对浅埋长壁老采空区地表移动变形的影响机理。

1 工程背景

研究区域位于山东某矿某采区,该区域地表拟新建数幢高层住宅楼和部分低层建筑物。该采区煤层厚度1.6～2.4 m,埋深平均144 m. 研究区域内存在3个老采空区,倾向宽度分别为93 m、113 m、100 m. 采区平面图见图1.

图1 采区平面图

2 数值模拟方案

根据研究区域实际地质条件,适当简化并建立UDEC数值模型,见图2. 模型共布置3个工作面,倾向长度均为100 m,采高为2 m,相邻工作面间留设15 m煤柱,煤层埋深为144 m. 考虑边界效应的影响,模型左右边界各留200 m,模型尺寸为730 m×180 m.

图2 数值模型及方案图

根据研究区域钻孔柱状对各岩层赋予不同参数来模拟实际地层,开挖3个工作面后,布置测点监测初始覆岩应力分布和移动变形特征;最后施加不同位置的建筑荷载,取荷载前后测点位移差值作为地表二次下沉值。具体方案如下:

1) 考虑模型的对称性,以建筑物中心与采空区一侧煤壁间距离为变量,分别于煤壁支承区上部、近煤壁处侧向裂隙区(侧向裂隙区左)上部、远煤壁处侧向裂隙区(侧向裂隙区右)上部、区段煤柱上部、矸石压缩区上部5种方案,见图2.

2) 根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012中对于民用建筑楼面均布活载荷计算的标准,将每层楼面载荷设定为2.0 kN/m2,同时考虑楼层活载荷折减系数,设置不同建筑物载荷的方案共6种,分别为12层、18层、24层、30层、36层和42层,载荷范围为50 m.

3 模拟结果

3.1 老采空区地表移动变形特征

描述地表点移动变形的指标主要包括下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形,已有成果表明,在计算地表移动变形指标时,只需得到下沉和水平移动值,即可算出剩余指标。限于篇幅,仅列出老采空区覆岩长期承载稳定后的地表下沉和水平移动曲线,见图3. 浅埋长壁老采空区覆岩稳定后,达到充分采动。地表最大下沉位置位于模型中心处,最大下沉值约为1310 mm,地表最大水平移动值约为200 mm. 由图3可以看出,由于研究区域区段煤柱长期承载后出现失稳破坏,失去承载能力,因此研究区域地表下沉曲线和水平移动曲线与单一工作面类似。

图3 老采空区地表移动变形特征图

3.2 建筑荷载位置对地表移动变形的影响

建筑物高度相同时(30层),建筑荷载位置对地表下沉的影响见图4.

图4 不同荷载位置地表移动变形特征图

当建筑物修建在地表时,地表二次下沉曲线在建筑荷载一定影响范围内出现明显下凹,即下沉量差值较大。由于不同位置覆岩内不稳定结构分布存在差异,建筑物修建在地表不同位置处二次下沉曲线下凹的拐点也不同。

老采空区上部新建建筑物时,地基受水平方向拉力,地表二次水平移动曲线拐点位于建筑物两侧位置,在建筑物作用范围内达到最值。当建筑物修建于不同位置时,覆岩内部变形空间不同,水平拉力大小也不同,导致不同区域覆岩二次水平移动量差异较大,从而影响地表二次水平变形。

为进一步分析建筑荷载位置对地表下沉的影响,取各曲线最大值,见图5. 当建筑物高度为12层时,建筑荷载下地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为54.8 mm,最大水平移动值为11.8 mm;当建筑物高度为18层时,建筑荷载下地表最大下沉位置为侧向裂隙区(左),最大下沉值为71.0 mm,地表最大水平变形位置为侧向裂隙区(右),最大水平移动值为12.9 mm;当建筑物高度为24层时,建筑荷载下地表最大下沉位置为侧向裂隙区(左),最大下沉值为109.8 mm,地表最大移动变形位置为侧向裂隙区(右),最大水平移动值为23.1 mm;随着建筑物高度增加至30层,地表最大移动变形量进一步增加,此时地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为135.1 mm,最大水平移动值为31.0 mm;当建筑物高度为36层时,建筑荷载下地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为162.7 mm,最大水平移动值为35.1 mm;当建筑物高度为42层时,建筑荷载下地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为173.7 mm,最大水平移动值为39.6 mm.

图5 不同荷载位置地表最大移动变形量图

由图5可知,当建筑物高度、范围一定时,侧向裂隙区上部新建建筑物造成的地表移动变形量最大。一方面,侧向裂隙区内部裂隙、孔洞和离层等不稳定结构较多,在建筑荷载作用下此类结构闭合将导致覆岩出现局部移动变形。另一方面,侧向裂隙区的关键块在建筑荷载作用下发生回转和滑落失稳,而关键块的失稳往往能够导致其周边覆岩出现大范围下沉,造成地表移动变形量的大幅度增加。

4 结 论

针对建筑荷载造成老采空区地表二次移动变形问题,基于UDEC模拟软件,研究了不同建筑荷载位置下老采空区地表移动变形特征,主要结论如下:

1) 老采空区覆岩稳定后,达到充分采动。地表最大下沉位置位于模型中心处,最大下沉值约为1310 mm,地表最大水平移动值约为200 mm. 由于研究区域区段煤柱长期承载后出现失稳破坏,失去承载能力,因此研究区域地表下沉曲线和水平移动曲线与单一工作面类似。

2) 不同建筑物高度下,地表最大下沉和最大水平移动值均位于侧向裂隙区。

3) 当建筑物高度、作用范围一定时,地表移动变形量取决于覆岩内部不稳定结构数量及分布形态。由于侧向裂隙区覆岩中存在大量不稳定结构,在各区域中覆岩内部可压缩空间最大,不稳定结构的压缩闭合导致了地表下沉量的大幅增加,因此在侧向裂隙区上部新建建筑物对地表下沉和水平移动的影响在各区域中最大。