沉陷区恢复地表工程建设安全影响分析

孙世国,张文韬,宋维琦

(北方工业大学,北京 100043)

1 概述

1.1 选题目的和意义

煤矿开采形成大量老采空区,地表出现沉陷盆底,继而对整个矿区环境与城市地区造成严重影响,采空区地表的治理引起人们的重视。社会主义市场经济的不断发展,使得土地资源日益减少,其中一部分的建筑、基础设施的建设选择的是采空区周围,所以,采空区的地表稳定性、建筑类型以及地表沉降率需要格外重视,其需要做进一步研究与探索[1]。

1.2 国内外研究背景及现状

煤矿开采对环境造成的最大问题即地表形成大量沉陷区,使得农耕用地变为洼地。地表土壤和水体因为受到矿井水的污染,造成了矿区土壤盐碱化,土地资源的大量浪费以及地表水的渗漏,对矿区人民的生活质量造成极大影响。

早在20世纪60年代,我国便开始研究工作,其中以概率积分法的运用最为广泛。另外,以刘天泉为代表的一众学者创建了采矿地区反动反应理论体系。王金庄、戴华阳在概率积分法的基础上,来构建模型,然后以开采充分条件为要求,继而为不同类型的开采预测模型进行判断。该研究对矿区含有断层水体下采煤具有重要的意义[2]。

1.3 主要研究内容

本文依托于抚顺老虎台矿区开采情况,对采空区的地表变形规律及已有的地表变形特征进行分析,选择对采空区的建设工程其地基稳定性进行测试,以此来判断建筑物的安全系数,实现对建筑工程地理位置的优化选择,促使待建地区的地基稳定性能够做到准确测评,并以此为模式来对新建建筑物的荷载能力进行整体测量,对地表建筑工程设计和选择提出建议[3]。

2 地下开采诱发地表移动特征分析

2.1 老虎台煤矿水文地质条件

老虎台矿地处抚顺市区,地貌形态为树枝状窄型谷地,地层主要由凝灰岩、玄武岩和花岗片麻岩等组成,矿区存在着许多不同顺序的结构面。地势较为平顺,平均海拔海拔为90m；整个地区的西部区域是煤层,东西跨度为4.95公里,南北宽度为2公里,整体面积约为10平方公里,整个矿区有多条铁路线路,交通运输十分便利。

2.2 采空区上覆岩体移动规律的综合分析

沿采区倾向主断面位移矢量场的变化特征是以选择的几何中心,上部覆盖的是岩体移动矢量方向的指定区域。从下沉区域与水平移动曲线来看,七步开采结束之后,在采空区域的位移最大达到了21米,并两侧逐步减小,这证明了开采的厚度在提高的同时,水平位移与沉降值会随之减小。其中,最大的水平位移达到了4.6米,且断层带分界面处于突变频繁阶段。

3 采沉区地表进行工程建设分析

通常若要在采空区地表进行工程建设时,选择在残余沉降期结束后进行工程建设,能够大面积地降低沉陷环境对建筑物的危害影响。当地表残余沉降值处于平稳状态的时候,其仅仅是对抗变形措施的选择,以此来保障建筑物的稳定性与安全度[4]。本文将通过对老虎台的矿区地表沉降情况来对地表工程建设数据进行分析。

3.1 采沉区允许建设建筑物时间评价方法的研究

建筑物下采煤中规定,在维持半年的地表沉值计算过程中,其总体数额不大于30mm的时候,意味着地表衰退期的结束,整个地域环境进入残余沉降。在老采空区进行工程建设的期间,需要根据煤矿开采的时间来判断沉余沉降的影响表现。采空地区的残余沉降变形变缓,一般不会对整个建筑物造成破坏,所以,建议在2倍地表移动延续期内组织工程建设活动。本文的采空区地表残余沉降值计算选择的是概率积分法进行预测,得到残余沉降全部结束后,沉降量最大为Wc=3.15m。

根据“三下”采煤规范,地表的持续移动时间计算式为Ta=2.5H,其中,Ta总为移动的总时间,H为开采的深度。取建设场地的最大开采深度700m,得到地表移动总时间为4.86年[5]。

对老虎台矿采空区地表残余移动变形持续时间计算,残余沉降值与其发生所持续的时间的关系可采用负指数函数形式描述,公式为：Wc(T)=Wc(1-e-pt),式中,p为残余下沉的时间因子(a-1)；T为残余下沉延续时间(a)；Wc(T)为残余下沉延续时间内的下沉值,即上文中所计算得出Wc(T)=3.15m。

本文中对于中硬岩层,宽深比D/H约为0.5,时间因子p为0.125。当每年残余下沉量≤1mm时,即认为地表稳定,由此计算出老虎台矿的地表残余沉降时间大致为7.46年。因此拟进行工程建设的时间为地表衰退期结束后7.46年,即当采空区地表的残余沉降基本结束时,进行工程建设,大概为12.32年。

3.2 建筑物位置的选择

本文选择以综合角度来对采空区的地表工程基地建设情况进行对比分析。工况①是下沉盆底的中间地段,这是因为下沉盆底的中间沉降区域安全度更高,且在残余沉降阶段不容易出现大的地表沉降；工况②是F1与F1A两者的断层之间,地表沉降变化出现连续,且在采空区域中与边界之间带有一定距离。

4 主要结论

本次的论文研究内容是抚顺老虎矿地区域的工程实践研究背景,针对于矿山区域的开采下陷地区来对稳定度的残余变化进行预测,并以此来对废弃地区的工程建设可行性做系统的研究,其研究内容为：①根据老虎台矿区的实际开采情况,对已形成的采空区地表变形规律及地表变形特征进行了系统分析；②采空区域地表变形持续周期的系统分析与建设时间的选择,将选择的两处变形区域的位置进行安全影响因素分析。通过设计运用来对建筑设计结构要素系统认识；③设计活动的计算与核验工作需要从结构设计的满足要求如手,来对建筑区域的地基稳定性进行评价,明确判断沉降区域的建筑物安全影响范围,确定建筑荷载物是否会对采空区域进行二次“活化”。

5 研究展望

随着对我国基础设施建设的发展情况来对采沉区的地表恢复情况加强重视。因此对于采空区地表的残余沉降、待建工程的地基稳定性问题等都是未来研究的热点问题,仍然有许多实际的问题需要解决,因此在以后的工作中还应进行更进一步的研究。

[1]王金庄.我国村庄下采煤的回顾与展望[J].中国煤炭,2002(05)：28-31．

[2]刘宝琛,廖国华.煤矿地表移动的基本规律[M].北京：中国工业出版社,1965．

[3]刘天泉.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社,1981．

[4]王长辉,冯锡勇.浅埋隧道围岩及地表变形规律研究[J].江西建材,2015(06)．

[5]何国清.威布尔分布在地表预计中的应用[D].中国矿业大学,1981．