厚覆盖地区深部采动对浅表土层影响的时效初探

李光辉　蔡江东

摘 要：厚覆盖地区，深部煤炭资源的开采不但导致地表沉陷，还会对沉陷盆地周边土体的工程性质产生影响。通过对模型试验结果的研究及对现场实测数据、资料的分析发现，深部采动对浅表土层的影响具有时效特征，即随时间推延，深部采动对土的影响作用范围逐渐扩大。分析认为导致这一现象产生的原因在于；（1）深部采掘扰动了原有的应力状态，使得土的应力产生重新调整；（2）受深部土体固有的力学性质的影响，如土体固结系数、渗透系数在随深度变化曲线上存在一个显著的平直段；（3）采动在挤压区引起孔隙压力的迅猛增加，而孔隙压力的消散则较为缓慢。

关键词：厚覆盖层 深部采掘 渗透系数 固结系数 时间效应

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0038-02

深部煤层开采引起的覆岩下沉、移动会导致地表产生较大范围的变形，这种变形在空间上表现为迁延性，在时间上也具有长效性[1]。如淮南市的大通镇、九龙岗镇、淮北市的烈山镇、徐州的大屯、山东枣庄柴里等地，开采塌陷区形成数年后，其外围邻近塌陷区的村庄房屋及其他地表建筑物陆续发生了开裂变形的情况，有的地方居民甚至经历两次以上搬迁[2]。

调查发现，尽管矿区深部采掘活动已经停止，离塌陷盆地较远的一些后建建筑的规划、勘察、设计也完全遵循相关行业标准（如选址不但在划定的边界角范围之外，还考虑了沉降速率等因素），其中仍还有不少建筑在经历2～3年稳定期后，陆续发生开裂。

深部煤炭资源的开采所引起的地表土层变形是一个复杂的力学问题[3]，它涉及变形机制、土的结构扰动、场地应力调整等诸方面[4]。对这一问题进行深入研究，有助于揭开厚覆盖地区深部煤炭资源开采对浅部土层性质的影响，从而为合理评价土的工程性质、正确评估土地资源价值提供科学依据。

1 深部采动对浅表土层影响的时效现象

矿区病害建筑、桥梁加固实践表明，受采空塌陷影响地基即便采取加固、补强等措施，地基的变形仍难以消除—— 经历一段时间后仍会产生新的变形。有些深层扰动场地土的延续性变形现象甚至会历经数年才逐渐趋于稳定。深部采动对浅表土层影响的时效性主要表现在以下几方面。

1.1 地表沉降

厚覆盖地区，深部煤炭资源的开采对地表的影响因采掘深度不同而存在时间和空间上的差异[5]。表1为某矿业集团多个煤矿开采深度与地表移动持续时间实测汇总，从中不难发现，随开采深度加深，其对地表影响不但范围加大，而且对地表移动影响的延续时间也显著延长。（表1）

1.2 物化探指标

不同时段物理化学探结果验证[6]，采动塌陷引发的应力变化对上部土体形成复杂的影响作用会扰动土的原有结构。如采动、塌陷使一定区域范围内地层的密实度降低，这样就会影响地震波在其中的传播速度；又如采空区发生塌陷后，受影响地层结构变得疏松，在频散曲线上受影响地段内瑞利波速度显著降低；同样，由于采空区塌陷导致周边岩、土层的裂隙度增加形成丰富的微通道，在接近地表处氡保存条件受到破坏，地层中氡浓度呈现不稳定的正异常。此外，采动及塌陷区的岩、土体的电阻率、电磁波都较原场地有一定程度的变化，在以原场地值作为背景的情况下，场地土的许多地球物理特性在空间上呈现出较明显的趋势性，这种趋势性在不同的时间段表现的极为显著。

2 时效本质及影响因素

2.1 场地应力的调整

深部煤炭资源开采导致的地表塌陷是一种综合性物理、力学现象[7]。受采动、塌陷影响，一定范围内的岩、土体将发生应力重分布及包括拉张、压缩、剪切在内的一系列力学作用。这些力学作用，不但性质复杂、程度不一，其影响在空间范围上具有迁延性、在时间上具有延续性。

已有研究表明，当采空达到一定的空间规模时，采空区上方岩体中的主应力呈现“拱形”分布[8]，并出现拉应力、压应力集中、降低等应力传递、转移现象；同时，由于煤层开采，岩土体中铅直应力分量、水平应力分量在空间分布上也都发生复杂且的趋势性变化。

开采打破了原先的平衡，引发内部应力在一定范围内的调整。由于土体的粘、弹、塑性性质，它既通过变形产生吸能效应使得采动影响作用逐渐减弱；同时也能通过粒间相互作用扩散这种传递，因此这一调整在总体趋势上存在着缓慢、渐变和趋弱等特点，如此构成采动对浅表土层影响时效的力学基础。

2.2 深部土体固结、渗透特性

对于深部土，马金荣等研究发现，厚松散层矿区黏性土的K0值随深度变化，并且在一定深度条件下接近于常数1（有的甚至大于1）[11]！这说明深部土所受水平力作用较强，因此，一旦深部荷载释放，就会引起较大的变形（地表沉陷系数常大于1就是一个证明）[11]。由于深部土体侧限水平作用很大，且土的结构强度也较高，因此变形的调整将是一个缓慢的过程。

此外，采动导致的卸荷会使土体产生回弹，虽然回弹值不是很大，并且超固结土体最终仍将发生压缩变形，但因此延长了土的固结时间无疑增加了对浅部土层影响的时效性。

2.4 超孔隙压力

离心模型试验表明，深部开采活动会引起一定范围内土体孔隙水压力的变化，如张拉区孔压减少，而在挤压区则产生超静孔压。数值上，孔压变化的规律大体表现为：随土体开始下，受压区孔隙水压迅速上升；当下沉增量趋于减少时，超静孔压会逐渐从一个较大值（不一定是峰值）缓慢变小。孔压的变化常伴随着土的重新固结过程，因此孔压从短期内迅速聚集到缓慢减少，必定经历一个较长的时间过程，这也就导致上覆土体变形存在时间效应的一个重要原因。

3 结论

厚覆盖地区，深部采动使得土中原有的应力场受到扰动，从而引发应力的重新调整，如此对地表土的影响不但存在空间效应，还存在时间效应。其主要原因在于：

（1）深部土体的侧限作用较强，相应的土体水平变形能力也大，因此深部采掘引发的局部范围应力释放会延续一个较长的过程。

（2）受深部土体性质和结构强度的控制，如深部土体固结系数、渗透系数普遍存在一个不随压力增大而变化的平直段，与浅层土相比，即使达到同一固结度，深部土体都会经历更长的固结时间。

（3）深部采动在挤压区引发孔隙水压快速、迅猛聚积，而孔隙压力的消散速度则受土的渗透性质影响是一个缓变过程，这也是时效性的一个重要原因。

参考文献

[1] 蔡江东.结构扰动土细观识别方法及物理力学性质研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[2] 周国铨.我国采矿下沉研究的概况[J].矿山测量，1981（1）：111-125.

[3] 孟磊，冯启言，张海荣，等.徐州大屯中心区地面沉降机理分析与危险性评价[J].中国地质灾害与防治学报，2008（19）3：60-63.

[4] 张永波.老采空区建筑地基稳定性及其变形破坏规律的研究[D].山西：太原理工大学，2005.

[5] 蔡江东.深部采动对塌陷盆地周边土体影响的空间效应研究[J].岩石力学，2011（S2）：401-407.

[6] 刘菁华，王祝文，朱士，等.煤矿采空区及塌陷区的地球物理探查[J].煤炭学报，2005，30（6）：715-719.

[7] 何国清，杨伦，凌庚娣，著.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[8] 隋旺华，狄乾生.开采沉陷土体变形与孔隙水压相互作用研究进展[J].工程地质学报，1999（17）：303-309.

[9] 隋旺华，陈奇.简论煤层开采沉陷土体变形的研究意义、现状、机理及预测方法[J].中国地质灾害与防治学报，1995（6），1：1-6.

[10] 马金荣.深层土的力学特性研究[D].徐州：中国矿业大学，1998.

[11] 隋旺华，金晓媚.厚松散层土体采矿沉陷的位移变形分析[J].中国地质灾害与防治学报，1993（4）：452-459.