采煤沉陷和高填方沉降雙重影響下的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法與應(yīng)用

孫慶先，李 杰，陳清通，林惠立，李宏杰

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

陽(yáng)泉市采煤沉陷區(qū)“光伏領(lǐng)跑者”計(jì)劃技術(shù)基地主要利用采煤沉陷區(qū)的荒地、采礦廢渣(煤矸石)回填的廢棄地以及其他用地。根據(jù)有關(guān)規(guī)程[1-2]的規(guī)定，在采煤沉陷區(qū)或回填區(qū)上興建建(構(gòu))筑物時(shí)，應(yīng)對(duì)地基穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。陽(yáng)泉市采煤沉陷區(qū)“光伏領(lǐng)跑者”計(jì)劃技術(shù)基地部分區(qū)域地下存在采空區(qū)的同時(shí)，地表存在煤矸石高填方區(qū)，因此，地基將受到采煤沉陷和煤矸石高填方沉降的雙重影響，必須進(jìn)行此情況下的地表移動(dòng)預(yù)計(jì)。

1 地形地貌與地質(zhì)條件

主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。可采煤層5層，自上而下為3，8，9，12，15號(hào)煤層。開(kāi)采時(shí)間自上世紀(jì)80年代至2009年。除15號(hào)煤層為全部可采外，其余煤層為局部可采。3，8號(hào)煤層全部為巷柱式開(kāi)采，9，12號(hào)煤層既有長(zhǎng)壁式開(kāi)采，也有巷柱式開(kāi)采，15號(hào)煤層為綜放開(kāi)采。巷柱式開(kāi)采的采出率為20%～30%。各煤層的賦存和開(kāi)采技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某光伏地塊下方煤層賦存和開(kāi)采技術(shù)參數(shù)

2 采空區(qū)殘余變形預(yù)計(jì)方法

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》[1]推薦的地表移動(dòng)期計(jì)算公式為：

T=2.5H0

(1)

式中，H0為采空區(qū)平均深度，m；T為地表移動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間(即地表移動(dòng)期)，d。

有學(xué)者[3]認(rèn)為，當(dāng)采動(dòng)影響條件非常復(fù)雜時(shí)，如果地表移動(dòng)期小于4a，建議取值為4a。本文中的光伏地塊下方同時(shí)存在5層煤的采空區(qū)，因局部可采，不同煤層采空區(qū)重疊2～5層，且開(kāi)采方法和采出率不一，因此采動(dòng)影響條件非常復(fù)雜。最大采深為15號(hào)煤層，265m。由(1)式計(jì)算可得最長(zhǎng)地表移動(dòng)期為663d，即1.8a，小于4a，因此地表移動(dòng)期取值4a。從表1中可知，開(kāi)采最晚結(jié)束時(shí)間為2009年，距今已經(jīng)8a，這說(shuō)明地表已經(jīng)進(jìn)入殘余移動(dòng)變形階段。

很多學(xué)者[3-7]的研究成果表明，采空區(qū)殘余變形可以按概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)，并對(duì)預(yù)計(jì)參數(shù)的取值進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，殘余下沉系數(shù)與覆巖巖性、開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度等有關(guān)系。長(zhǎng)壁式開(kāi)采采空區(qū)殘余下沉系數(shù)的計(jì)算公式為[5]：

qc=clnM+d

(2)

式中，qc為殘余下沉系數(shù)；c，d為系數(shù)，與覆巖巖性和開(kāi)采深度有關(guān)；M為采厚，m。

采空區(qū)殘余下沉量按下式計(jì)算[3]：

(3)

式中，Wr(x)為下沉量，m；r為開(kāi)采水平的主要影響半徑，m。

巷柱式開(kāi)采形成的采空區(qū)，其下沉系數(shù)參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[8]，同時(shí)考慮采出率、覆巖巖性和開(kāi)采結(jié)束距今的時(shí)間。

3 高填方沉降變形預(yù)計(jì)方法

3.1 煤矸石高填方沉降機(jī)理

光伏地塊大部分被以煤矸石為主的土石混高填方體所覆蓋。填方體垂直方向沉降同其壓縮性能密切相關(guān)。

煤矸石高填方的壓縮變形包括兩個(gè)方面[9]：一是自重荷載作用下的壓縮變形；二是理化作用和風(fēng)化、泥化后的壓縮變形。

(1)自重荷載作用下的壓縮變形 自重荷載作用下的煤矸石散體壓縮量是堆積高度和變形模量的函數(shù)，與其上部應(yīng)力和自身可壓縮層厚成正比。此外，填方體的壓縮量還受到其自身組分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和溝谷形狀等因素的影響。

(2)理化反應(yīng)和風(fēng)化、泥化后的壓縮變形 濕度和溫度變化使煤矸石散體逐漸風(fēng)化崩解，碎塊粒徑越來(lái)越小，而粒徑越小，則風(fēng)化崩解的速度越快，長(zhǎng)期堆積的煤矸石散體顆粒級(jí)配發(fā)生了變化，從而使填方體的穩(wěn)定性變差，小碎塊充填大碎塊的空隙，進(jìn)而發(fā)生壓縮變形。雨水的淋溶、浸泡不僅使煤矸石逐漸破碎，而且部分可溶性物質(zhì)被雨水溶解后帶走，細(xì)小顆粒被雨水沖走，導(dǎo)致了煤矸石散體壓縮變形。煤矸石中殘留的煤、硫分等容易被氧化分解、發(fā)生自燃，在填方體內(nèi)部產(chǎn)生“空洞”，不斷改變填方體的密度、顆粒大小和成分及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在自重作用下繼續(xù)壓縮變形。總之，煤矸石散體很容易在自然條件下發(fā)生理化反應(yīng)導(dǎo)致壓縮變形，而影響這種壓縮變形的因素十分復(fù)雜，包括煤矸石巖性、礦物組分、化學(xué)成分、堆積時(shí)間的長(zhǎng)短、環(huán)境和氣候條件等等。

煤矸石高填方理化反應(yīng)和風(fēng)化、泥化后壓縮變形量的影響因素復(fù)雜，難以分析計(jì)算，僅能通過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，自重荷載作用下的壓縮變形量可以通過(guò)理論計(jì)算獲得。

3.2 煤矸石高填方沉降變形預(yù)計(jì)方法

根據(jù)彈性力學(xué)推導(dǎo)出填方土體在自重荷載作用下沉降量簡(jiǎn)易計(jì)算公式。圖1為大面積填方土體中取出的某個(gè)微元柱體[10]。

圖1 填方體沉降分析模型

將微元柱體分成n層，層高為h。第i層土柱在自重荷載作用下的壓縮量為：

(5)

填方體總沉降量為：

(6)

當(dāng)n→∞時(shí)，填方體沉降的簡(jiǎn)易計(jì)算公式為：

(7)

以上3個(gè)公式中，ΔSi為第i層上的土柱在自重荷載作用下的豎向壓縮量，m；S為填方體總沉降量，m；U為泊松比，無(wú)量綱；ρ為密度，kg/m3；g為加速度，9.8N/kg；H為填方高度，m；E0為變形模量，MPa。變形模量、泊松比和密度取值參考文獻(xiàn)[11]。

填方體在自重和外荷載作用下，其內(nèi)部孔隙不斷被壓縮減小，散體逐漸固結(jié)。有學(xué)者[10]將填方體沉降大致分為迅速沉降、持續(xù)沉降和趨于穩(wěn)定3個(gè)階段，各階段沉降量分別約占總沉降量的50%、35%和15%。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)分析認(rèn)為，本文中煤矸石高填方沉降處于趨于穩(wěn)定階段，其沉降量按總沉降量的15%計(jì)算。

4 地表變形預(yù)計(jì)結(jié)果

對(duì)采煤沉陷和煤矸石高填方沉降導(dǎo)致的地表殘余變形進(jìn)行了聯(lián)合預(yù)計(jì)。變形指標(biāo)包括沉降、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形。根據(jù)計(jì)算，采煤沉陷和煤矸石高填方沉降雙重影響下某光伏地塊地表殘余變形的預(yù)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，地表殘余下沉等值線(xiàn)圖如圖2所示，其他地表殘余變形預(yù)計(jì)結(jié)果圖不再一一展示。

表2 某光伏地塊地表殘余變形預(yù)計(jì)結(jié)果

圖2 某光伏地塊地表下沉等值線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了陽(yáng)泉市采煤沉陷區(qū)“光伏領(lǐng)跑者”計(jì)劃技術(shù)基地某光伏地塊采煤沉陷變形特征和地表煤矸石高填方沉降變形特征，分別就采煤沉陷和煤矸石高填方沉降計(jì)算方法進(jìn)行了研究，并提出了采煤沉陷和煤矸石高填方沉降雙重影響下的地表變形預(yù)計(jì)思路，對(duì)兩種變形進(jìn)行了聯(lián)合預(yù)計(jì)。預(yù)計(jì)結(jié)果為采煤沉陷區(qū)光伏項(xiàng)目建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局、國(guó)家能源局，等.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2017.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[3]王明立，胡炳南，趙有星.采煤沉陷區(qū)工程建筑物地基的穩(wěn)定性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(3)：72-75.

[4]郭廣禮，鄧喀中，譚志祥，等.深部老采區(qū)殘余沉降預(yù)計(jì)方法及其應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，20(1):1-3.

[5]鄧喀中，譚志祥，張宏貞，等.長(zhǎng)壁老采空區(qū)殘余沉降計(jì)算方法研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(10)：1601-1605.

[6]解 陳.老采空區(qū)地表殘余變形預(yù)測(cè)理論及應(yīng)用研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)大學(xué)，2013.

[7]白志輝，李 亮， 陳冉麗，等.老采空區(qū)上方地基穩(wěn)定性及殘余變形規(guī)律研究[J].煤礦開(kāi)采，2009，14(2)：39-41，82.

[8]滕永海，唐志新，易四海.采煤塌陷區(qū)高層建筑地基評(píng)價(jià)與抗變形技術(shù)[J].礦山測(cè)量，2016，44(1)：1-5.

[9]董 倩.重慶地區(qū)矸石山堆積形態(tài)及其穩(wěn)定性分析的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[10]賀廣零，李倩妹，洪 芳，等.山區(qū)變電站高填方體地基工后沉降分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，24(4)：45-49.

[11]柴亞南.煤矸石路基填料分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及沉降特性研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.