建筑荷载影响下的浅部老采空区覆岩变形破坏相似材料模拟研究

韩科明

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

随着我国经济、社会的发展和城镇化建设的不断推进，建设项目越来越多，土地资源越来越宝贵。特别对于煤炭资源型城市来说，煤炭的大量开采造成土地损毁和建设用地匮乏，开发利用采煤沉陷区土地是不可避免的趋势［1］。

在采煤沉陷研究中，将连续6个月地表下沉值不超过30mm时作为地表移动期的结束，即地表移动稳定［2］。地表移动稳定后，老采空区破损覆岩虽经历长时间地压实，但仍不可避免地存在一定的空隙，抗压、抗拉、抗剪强度明显低于原始岩体的强度，其岩体结构处于相对稳定状态，不能承受较大外力扰动［3－5］。若深厚比 (采深与采厚的比值)较大，破损岩体距离地表较远，则建筑荷载不会影响其原有的稳定状态;但若深厚比较小，地表的建筑荷载向下传递将有可能打破其原有的平衡状态，导致地表产生新的移动和变形，影响到建 (构)筑物的安全使用［6］。因此，在深厚比较小的浅部老采空区地表建设，更易引发老采空区覆岩失稳破坏。本文采用相似材料模拟试验的方法对浅部老采空区覆岩空隙分布特征和荷载影响下的老采空区覆岩失稳破坏过程进行了模拟研究，为浅部老采空区地表安全建设提供借鉴。

1 试验模型建立

试验以淮南集团某矿地质条件为试验模型原型，试验区可采煤层3层，自上而下分别为13煤采厚4m，11煤采厚2m，8煤采厚3m。其中13煤和11煤出露地表，煤层倾角15°。

模型依据矿井原型条件按比例分层铺设，模型尺寸长×宽×高为4200mm×250mm×1500mm，模型岩层按照煤层倾斜方向分层铺设。试验选择河砂作为填料，石灰和石膏作为胶结物，通过不同的配比来达到各分层所需要的强度要求。培养完成后的试验模型见图1。

图1 培养完成后的试验模型

本试验几何相似常数取αl=1/200;时间相似常数取容重相似常数取αp=5/8;根据相似指标，可得应力相似常数为:ασ=αl× αp=1/320。

根据试验相似常数和试验原型的地质条件确定材料物理力学参数及配比见表1。本次试验材料选择河砂作为骨料，石灰和石膏作为胶结物。表中配比号第1组数字代表骨料与胶结物的比值，第2，3组数字代表两种胶结物在胶结物总量中所占比例。

在模型顶部用千斤顶施加压力的方式模拟建筑荷载，施加建筑荷载的压片平面尺寸为80mm×150mm，千斤顶固定在模型上梁，千斤顶底部压片通过与模型顶部接触加载压力。

试验按照一次开采5m的方式向前推进，工作面长度为160m。首先在8煤中由深至浅分别开采4个工作面即 0801，0802，0803和0804;模型变形稳定后，按照先开采13煤再开采11煤的顺序在两煤层中分别各开采1个工作面，标记为1301和1101。至此，老采空区模型建立完毕。

表1 模型岩层物理力学参数及材料配比

2 老采空区覆岩空隙形成过程和分布特征

随着工作面的推进，顶板岩层逐渐垮落，垮落后的岩石散乱地堆积在采空区中，呈不规则性。随着工作面继续推进，上覆岩层出现离层。试验显示，离层并非是逐层自下而上发展，而是首先在上覆岩层中第一层硬岩的下部出现，随工作面的推进离层高度和长度都增大，在其岩组内部也发生不同高度和长度的离层，离层下的岩组挠曲加大，中间部分增加的幅度更大，在采空区中央接触到顶板不规则垮落岩石后慢慢趋于稳定［7］。采空区开切眼和停采边界处的上覆岩层在两端破断，有空洞出现，在上覆岩层中出现高角度纵向裂隙。当工作面推进距离较小时裂隙角较小，纵向裂隙发育高度也较低。随着工作面推进裂隙角逐渐增大，裂隙发育高度增加，当工作面推进到一定距离后趋于稳定(离层裂隙和纵向裂隙推进方向延展但不再向上发展，裂隙角变化不大)。

从试验的结果可以看出，地下开采形成的空间一部分被垮裂覆岩碎胀充填，另外一部分则形成残留空间。残留空间一部分出现在开采边界附近，在该处由于覆岩具有一定的刚度，在采空区边缘形成悬顶，从而使覆岩不垮落而形成空洞;另有一部分是覆岩中存在的离层，由于上方岩体的刚度大于下方岩体的刚度，在岩层移动过程中出现离层，从而形成空间，这部分空间由于岩层结构已经平衡，在没有外因扰动的条件下将长期存在［8］。

煤层开采完成后，模型放置养护一段时间后观察结果，垮落岩石、离层裂隙和纵向裂隙有不同程度地压密和闭合，采空区边界处的空洞上的岩块有些失稳掉下，但未充满空洞，且没有再向上覆岩层发育。从观测数据看，开采完成到养护一段时间后，地表的下沉量变化很小。

3 老采空区中央上方地表加载覆岩空隙演化及地表下沉分析

3.1 0803采空区中央上方地表加载

0803工作面采深130～170m，深厚比43～57。在该采空区中央正上方持续加载，覆岩空隙演化过程见图2。

图2 建筑荷载作用下0803工作面采空区覆岩空隙演化示意

加载各阶段采空区覆岩没有明显的破坏性变形。不同荷载作用下的地表下沉变化见图3。

图3 建筑荷载作用下0803工作面地表下沉曲线

由图2，图3可知，加载初期至0.667MPa(该数据为建筑物实际荷载，以下同)，随着荷载的增加，采空区覆岩压实度相应增加，地表下沉平稳增大，最大下沉160mm(该数据为转化后的实际下沉量，以下同);加载至1MPa，地表下沉迅速增加，最大下沉达到635mm;加载至1.17MPa，覆岩基本稳定，地表变形仅有微小增加，最大下沉保持在640mm不再增大。

3.2 1301采空区中央上方地表加载

1301工作面采深80～120m，深厚比20～30。在该采空区中央正上方持续加载，覆岩空隙演化过程见图4。随着荷载的增加，采空区上方垮裂覆岩被快速压缩，加载处正下方岩层出现较大变形，裂缝带直接发育至地表 (图4(b))。当加载到0.3MPa时，覆岩变形破坏明显 (图4(c))，变形最大处出现掉渣现象，模型已不能承受更大荷载。图5为建筑荷载作用下1301工作面地表下沉曲线。

图4 建筑荷载作用下1301工作面采空区覆岩空隙演化示意

图5 建筑荷载作用下1301工作面地表下沉曲线

由图5可知，建筑荷载引起的地表下沉最大区域位于加载处，下沉曲线较陡［9］，最大下沉量达到2430mm。

4 采空区边界上方地表加载覆岩空隙演化及地表下沉分析

0804工作面右边界采深80m，深厚比小于30。在采空区右边界正上方加载，覆岩空隙演化过程见图6。加载初期至0.667MPa，采空区右边界正上方发育纵向裂缝并逐渐贯通至地表，在荷载作用下右边界上方覆岩开始向采空区方向移动，由此在覆岩内部产生的拉应力促使右边界右侧煤柱上方从地表发育纵向裂缝 (图6(b))，地表最大下沉180mm;加载至0.917MPa，覆岩沿采空区右边界正上方的纵向裂缝断裂，形成整体性切冒 (图6(c))，地表最大下沉急剧增加到1300mm。图7显示了不同荷载作用下的地表下沉变化。

图6 建筑荷载作用下0804工作面采空区边界处覆岩空隙演化示意

图7 建筑荷载作用下0804工作面采空区边界上方地表下沉曲线

分析观测结果得知，当荷载较小时，浅部老采空区边界正上方附近地表最大变形区域分布在采空区上方;当荷载达到一定极限值时，在靠近采空区边界的煤柱上方也出现较大的变形区。这表明:浅部老采空区边缘两侧受建筑荷载影响地表变形较大。

相对于采空区中央区域，采空区边界区域垮落覆岩压实性较差且存在空洞区，当采空区埋深较大时，受荷载影响地表残余变形是均匀的、连续的，弯曲带岩体的整体性支撑效应分散了建筑荷载的影响，采空区边界处覆岩被进一步压实，但不会引起边界空洞的失稳，在地表不会出现较大的变形;浅部老采空区覆岩内不存在弯曲带岩层的整体性支撑效应或因为此类岩层较薄不足以分散荷载的影响，荷载直接作用在空洞上方的已断裂或者破碎的岩层上，引发岩层再次失稳破坏，空洞被破碎岩层填充，覆岩沿采空区边界上方发育的裂缝整体性断裂，形成覆岩切冒，严重时可直接切冒至地表，相对于浅部老采空区中央正上方受建筑荷载影响，浅部老采空区边界正上方受荷载影响后地表变形表现出更明显的不均匀性和不连续性。

5 结论

(1)受建筑荷载影响老采空区残留空隙二次压缩或失稳是浅部老采空区地表产生新的较大变形的根本原因。

(2)老采空区覆岩残留空隙主要有离层、裂隙、空洞三类。离层是由于上方岩体的刚度大于下方岩体的刚度，在岩层移动过程中生成，从而形成空间，这部分空间由于岩层结构已经平衡，在没有外因扰动的条件下将长期存在;裂隙主要分布在垮落带和裂缝带内，这些破损岩层虽经历长时间的压实但仍不可避免地存在裂隙;空洞主要分布于开采边界附近 (有少部分存在于未压密的垮落带内)，在该处由于覆岩具有一定的刚度而形成悬顶，从而使覆岩不垮落而形成空洞。

(3)当深厚比较大时 (荷载影响不到采空区垮裂覆岩)，在采空区中央正上方持续加载，覆岩离层被压实闭合，垮裂带岩层没有明显变化，在模型条件下加载至1.17 MPa时覆岩稳定，地表最大下沉保持在640mm不再增大。当深厚比较小时，荷载直接作用在老采空区已破损覆岩上，会加速覆岩的变形破坏，进而在地表产生新的较大变形［10］，在模型条件下加载到0.3 MPa时，地表最大下沉达到2430mm。

(4)在浅部采空区边界上方地表持续加载，采空区边界残留空洞上方发育纵向裂缝，随着荷载的增大覆岩沿纵向裂缝整体性断裂，直至切冒到地表，地表变形表现出明显的不均匀性和不连续性。

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