采煤沉陷和高填方沉降双重影响下的地表移动变形预计方法与应用

孙庆先，李 杰，陈清通，林惠立，李宏杰

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

阳泉市采煤沉陷区“光伏领跑者”计划技术基地主要利用采煤沉陷区的荒地、采矿废渣(煤矸石)回填的废弃地以及其他用地。根据有关规程[1-2]的规定，在采煤沉陷区或回填区上兴建建(构)筑物时，应对地基稳定性进行评价。阳泉市采煤沉陷区“光伏领跑者”计划技术基地部分区域地下存在采空区的同时，地表存在煤矸石高填方区，因此，地基将受到采煤沉陷和煤矸石高填方沉降的双重影响，必须进行此情况下的地表移动预计。

1 地形地貌与地质条件

主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。可采煤层5层，自上而下为3，8，9，12，15号煤层。开采时间自上世纪80年代至2009年。除15号煤层为全部可采外，其余煤层为局部可采。3，8号煤层全部为巷柱式开采，9，12号煤层既有长壁式开采，也有巷柱式开采，15号煤层为综放开采。巷柱式开采的采出率为20%～30%。各煤层的赋存和开采技术参数见表1。

表1 某光伏地块下方煤层赋存和开采技术参数

2 采空区残余变形预计方法

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[1]推荐的地表移动期计算公式为：

T=2.5H0

(1)

式中，H0为采空区平均深度，m；T为地表移动达到稳定所需的时间(即地表移动期)，d。

有学者[3]认为，当采动影响条件非常复杂时，如果地表移动期小于4a，建议取值为4a。本文中的光伏地块下方同时存在5层煤的采空区，因局部可采，不同煤层采空区重叠2～5层，且开采方法和采出率不一，因此采动影响条件非常复杂。最大采深为15号煤层，265m。由(1)式计算可得最长地表移动期为663d，即1.8a，小于4a，因此地表移动期取值4a。从表1中可知，开采最晚结束时间为2009年，距今已经8a，这说明地表已经进入残余移动变形阶段。

很多学者[3-7]的研究成果表明，采空区残余变形可以按概率积分法进行预计，并对预计参数的取值进行了研究。研究结果表明，残余下沉系数与覆岩岩性、开采厚度、开采深度等有关系。长壁式开采采空区残余下沉系数的计算公式为[5]：

qc=clnM+d

(2)

式中，qc为残余下沉系数；c，d为系数，与覆岩岩性和开采深度有关；M为采厚，m。

采空区残余下沉量按下式计算[3]：

(3)

式中，Wr(x)为下沉量，m；r为开采水平的主要影响半径，m。

巷柱式开采形成的采空区，其下沉系数参考文献[3]和文献[8]，同时考虑采出率、覆岩岩性和开采结束距今的时间。

3 高填方沉降变形预计方法

3.1 煤矸石高填方沉降机理

光伏地块大部分被以煤矸石为主的土石混高填方体所覆盖。填方体垂直方向沉降同其压缩性能密切相关。

煤矸石高填方的压缩变形包括两个方面[9]：一是自重荷载作用下的压缩变形；二是理化作用和风化、泥化后的压缩变形。

(1)自重荷载作用下的压缩变形 自重荷载作用下的煤矸石散体压缩量是堆积高度和变形模量的函数，与其上部应力和自身可压缩层厚成正比。此外，填方体的压缩量还受到其自身组分、结构、状态和沟谷形状等因素的影响。

(2)理化反应和风化、泥化后的压缩变形 湿度和温度变化使煤矸石散体逐渐风化崩解，碎块粒径越来越小，而粒径越小，则风化崩解的速度越快，长期堆积的煤矸石散体颗粒级配发生了变化，从而使填方体的稳定性变差，小碎块充填大碎块的空隙，进而发生压缩变形。雨水的淋溶、浸泡不仅使煤矸石逐渐破碎，而且部分可溶性物质被雨水溶解后带走，细小颗粒被雨水冲走，导致了煤矸石散体压缩变形。煤矸石中残留的煤、硫分等容易被氧化分解、发生自燃，在填方体内部产生“空洞”，不断改变填方体的密度、颗粒大小和成分及结构状态，在自重作用下继续压缩变形。总之，煤矸石散体很容易在自然条件下发生理化反应导致压缩变形，而影响这种压缩变形的因素十分复杂，包括煤矸石岩性、矿物组分、化学成分、堆积时间的长短、环境和气候条件等等。

煤矸石高填方理化反应和风化、泥化后压缩变形量的影响因素复杂，难以分析计算，仅能通过长期工程实践经验进行估算，自重荷载作用下的压缩变形量可以通过理论计算获得。

3.2 煤矸石高填方沉降变形预计方法

根据弹性力学推导出填方土体在自重荷载作用下沉降量简易计算公式。图1为大面积填方土体中取出的某个微元柱体[10]。

图1 填方体沉降分析模型

将微元柱体分成n层，层高为h。第i层土柱在自重荷载作用下的压缩量为：

(5)

填方体总沉降量为：

(6)

当n→∞时，填方体沉降的简易计算公式为：

(7)

以上3个公式中，ΔSi为第i层上的土柱在自重荷载作用下的竖向压缩量，m；S为填方体总沉降量，m；U为泊松比，无量纲；ρ为密度，kg/m3；g为加速度，9.8N/kg；H为填方高度，m；E0为变形模量，MPa。变形模量、泊松比和密度取值参考文献[11]。

填方体在自重和外荷载作用下，其内部孔隙不断被压缩减小，散体逐渐固结。有学者[10]将填方体沉降大致分为迅速沉降、持续沉降和趋于稳定3个阶段，各阶段沉降量分别约占总沉降量的50%、35%和15%。根据以往的经验分析认为，本文中煤矸石高填方沉降处于趋于稳定阶段，其沉降量按总沉降量的15%计算。

4 地表变形预计结果

对采煤沉陷和煤矸石高填方沉降导致的地表残余变形进行了联合预计。变形指标包括沉降、倾斜、曲率、水平移动和水平变形。根据计算，采煤沉陷和煤矸石高填方沉降双重影响下某光伏地块地表残余变形的预计结果见表2，地表残余下沉等值线图如图2所示，其他地表残余变形预计结果图不再一一展示。

表2 某光伏地块地表残余变形预计结果

图2 某光伏地块地表下沉等值线

5 结束语

分析了阳泉市采煤沉陷区“光伏领跑者”计划技术基地某光伏地块采煤沉陷变形特征和地表煤矸石高填方沉降变形特征，分别就采煤沉陷和煤矸石高填方沉降计算方法进行了研究，并提出了采煤沉陷和煤矸石高填方沉降双重影响下的地表变形预计思路，对两种变形进行了联合预计。预计结果为采煤沉陷区光伏项目建设提供设计依据。

[参考文献]

[1]国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局，等.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范[M].北京：煤炭工业出版社，2017.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.煤矿采空区岩土工程勘察规范[M].北京：中国计划出版社，2014.

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[6]解 陈.老采空区地表残余变形预测理论及应用研究[D].沈阳：沈阳大学，2013.

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