采空区活化失稳关键因素模拟分析

刘占新,王昌祥,杨路林，孙庆超，江 宁

（1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；3.山东兖州煤业股份有限公司 东滩煤矿，山东 济宁 273500）

随着城镇化、工业化进程的大力加快，许多重要建筑物需要建于采空区上方或者穿越采空区。采空区地基稳定性日益成为国计民生的热点问题[1-2]。采空区第一断裂岩块对于采空区采动破碎次生岩体结构的相对稳定性起关键作用，是采空区边缘上方岩体结构中的关键块[3]；浅部开采老采空断裂的顶板岩梁可以概化为三铰拱式结构模型[4]；孙琦等基于蠕变损伤理论，建立了采空区顶板-矿柱体系蠕变损伤力学模型[5]。采空区上方建筑物附加应力影响深度是否与导水裂隙带重叠可以用来评价采空区上方地基稳定性[6]；采动残余空洞裂隙的失稳变形是造成塌陷区上方建筑物损害的主要原因[7]。汪吉林、常江等基于FLAC3D建立了三维多层状地质体模型，模拟计算了在地面建筑荷载作用下采空区地基的沉降变形及垂向应力分布[8-9]；向振华等在数值模拟的基础上引入了采空区破坏概率的概念，将采空区稳定性问题量化[10]。通过以上文献不难看出，研究采空区稳定性过程中，往往忽略了采空区充水的影响；通过简化力学条件进行附加应力计算，所得结果误差较大；工程背景几乎都是单层煤开采。为此基于两层煤开采采空区的工程背景，通过FLAC3D数值模拟方法模拟不同充水状态下的两层煤开采采空区地表移动变形规律，采用FISH语言分别对两层煤开采采空区进行梯度加载，模拟不同楼高建筑荷载大小对地基的扰动影响，通过监测、提取、对比不同载荷下地基附加应力与自重应力的数值得到采空区覆岩地基允许施加荷载与地基扰动深度。

1 采空区“活化”影响因素分析

1.1 工程背景

山东蓝海领航电子商务产业园位于济南章丘经十东路以南、诺贝尔城以西，西到为睦里村东的南北向冲沟，南到宋上村，用地大致呈矩形，东西宽约760 m，南北长约1 270 m，总占地面积约927 300 m2，其中一期用地位于园区西北部，工作区内采空区的4#煤采空区大部分与9#煤采空区重叠，煤层厚度、采空区深度及分布范围见表1。

表1 工作区采空区情况统计表

1.2 采空区“活化”影响因素分析

邻区采掘活动、强排地下水、地震、采空区上方修建建筑物等均可导致原有采空区破碎岩体应力状态失衡[11-13]。山东蓝海领航电子商务产业园所在区域处于老采空区，临近没有仍在生产的煤矿，本区属暖温带大陆性季风气候区，年平均降水量705.56 mm，70%以上集中在 7、8、9 月份，12 月至翌年3月较少，日最大降水量298.4 mm。工作区属小清河水系。区内没有较大的地表水系，在东西两侧分别发育1条近南北向冲沟，为季节性泄洪通道，地表径流通畅。根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》，区内地震动峰值加速度为0.05g。济南及其周边地质构造虽然十分复杂，但地下无大活动断层，基本不存在发生大地震的地质构造背景，强震发生概率小，基本不存在发生大地震的地质构造背景。

通过以上主要因素分析，对章丘采空区稳定性影响比较大的自然因素主要为区域内的季节性降水，地表水系及地震影响因素不大。若在采空区上部建建筑物的话，附加建筑载荷对采空区稳定性的影响也必须考虑。综上，采用FLAC3D模拟附加建筑载荷、采空区充水2个关键因素对采空区的影响，深入分析采空区变形失稳机理。

2 数值模拟方案设计

2.1 参数的选取

为了更好的模拟工作区地表移动变形情况，通过采用破碎矸石压缩试验所获得的干燥状态、饱水状态及浸水状态下的弹性模量，确定各分带内的变形参量。

根据破碎矸石压缩试验确定的压缩模量和泊松比，确定破碎岩石的体积模量K和剪切模量G，受采动影响裂缝带岩体参数为原始岩体力学参数的相关系数[14-15]，模拟中的岩层力学参数见表2。

2.2 模型尺寸及监测点的布设

模型尺寸400 m×300 m×160 m，走向上推进300 m，留设100 m边界煤柱，工作面模拟开挖160 m，两边留设70 m边界煤柱。建立长、宽、高分别为50 m×50 m×10 m的区域来作为项目数据中心1#楼的地基。初始模型计算平衡之后，设置位移约束并将位移置0，然后设置监测点，最后进行模型的开挖，监测线布置如图1。

3 不同采空区含水状态对地表移动变形的影响

根据施工钻孔和物探资料，研究区浅部4#煤采空区未积水，9#煤采空区积水且水位埋深为103.6～111.5 m，水位以下采空区均已充水，表明4#煤采空区处于干燥状态，9#煤采空区处于饱水状态。所以分析4#煤和9#煤采空区不同含水状态对地表移动规律的影响很有现实意义。通过对4#煤、9#煤均自然、均饱水以及4#煤自然、9#煤饱水3种工况下地表移动变形的监测，得到不同工况下的地表移动变形规律。

表2 数值模拟中的岩层力学参数

图1 监测线布置

对3种含水状态采空区地表施加建筑应力后，模拟建筑地表垂直位移，根据测线1的监测点移动数据，导出3种含水状态下的下沉曲线（图2）。对比发现，4#煤、9#煤干燥状态下、4#煤干燥、9#煤饱水状态下、4#煤、9#煤均为饱水状态下，4#煤开采完毕后地表最大沉陷值分别为381、397、420 mm，盆地下沉最大值均位于采空区中心位置上方。9#煤采空区饱水后地表垂直位移与4#煤、9#煤完全干燥状态下相比最大沉陷值增加了16 mm，4#煤、9#煤均饱水时最大沉陷值增大了39 mm，占均干燥条件下最大下沉值的9.7%，可以看出水对破碎岩体压缩有一定的促进作用，工程应用中必须考虑充水前后采空区稳定性的变化。

模拟建筑地表y方向位移，3种含水状态下的水平移动曲线如图3。4#、9#煤全部干燥、4#自然、9#煤饱水时以及均饱水时对应的工作面走向上最大水平移动分别为 61.1、63.8、64.5 mm。从 4#煤、9#均为干燥条件到4#煤、9#煤均为饱水条件过程中，地表下沉、水平移动逐渐增大，倾斜值和曲率也相对增大，下沉最大值始终位于采空区盆地中央位置，最大水平变形位于采空区内侧，浅部采空区矸石的压实的密实程度会作用于地表的移动变形。

图2 3种状态下沉曲线

图3 3种状态水平移动曲线

4 荷载作用下覆岩层移动变形规律

为确定采空区上方地表新建建筑物所能达到的最大荷载，需要对地表所允许建筑荷载进行分析，确定修建建筑物荷载对地基影响深度，以附加应力等于10%自重应力确定其深度。通过分析建筑地基稳定性并确定建筑物所适宜修建的层数，从而进行稳定性评价。采用FISH语言对研究区进行梯度加载，模拟不同楼高即荷载大小对地基的扰动影响。

4.1 4#煤采空区覆岩地基扰动规律

研究区浅部4#煤采空区未积水，埋深范围约为25.4～28.9 m。住宅楼基础底面竖向均布荷载一般为20 kN/m2，由于4#煤采空区距离地表较近，采空区未处理前极易受到建筑荷载影响，所以对于4#煤按照每层0.015 MPa的荷载进行梯度加载，在建筑地表向下60 m范围内设置应力和位移监测线3，4#煤采空区覆岩地基扰动深度如图4。

图4 4#煤采空区覆岩地基扰动深度

由图4可知，4#煤采空区覆岩应力最大允许值为0.14 MPa，此时影响埋深为19 m，与4#煤采空区垮落裂缝带之间具有3 m的安全距离。当建筑荷载为0.015 MPa时，应力传播由浅到深为递增趋势；荷载为0.03 MPa时，埋深小于16 m时应力基本保持不变，大于16 m时应力开始逐渐增加；施加应力小于0.045 MPa时，地基扰动深度与施加荷载呈线性关系增加，当施加应力逐渐增加影响至导水裂隙带高度范围内时，呈非线性关系增加；荷载大于0.045 MPa时，应力传播为先减小后增加。4#煤采空上方下沉量如图5，随着附加应力增大，4#煤采空区覆岩下沉量按线弹性增加，附加应力越大，垮落带下沉量变形梯度急剧增大。

4.2 9#煤采空区覆岩地基扰动规律

9#煤采空区积水且水位埋深为 103.6～111.5 m，9#煤埋深范围约为 140.0～145.3 m。设计将桩打至 4#煤底板，采用“桩+筏板”结构。施加荷载梯度为0.1 MPa，9#煤采空区覆岩地基扰动深度和9#煤采空区覆岩下沉量如图6、图7。

图5 4#煤覆岩下沉量

图6 9#煤采空区覆岩地基扰动深度度

图7 9#煤采空区覆岩下沉量

由图6可知，当9#煤采空区覆岩地基允许施加荷载为2.0 MPa，地基扰动深度70 m，距地表深度为110 m时，不会引起9#煤采空区两带高度范围内的覆岩体活化失稳。梯度加载时，应力传播为先减小后增加；扰动范围内，应力传播梯度明显比扰动范围外大；在荷载分布范围外沿垂线方向的任意点，附加应力随地基深度增加其数值逐渐减小，且为非线性减小。

9#煤在弯曲下沉带高度影响范围内，固定荷载作用下的覆岩垂直位移变化梯度随深度增大而减小；导水裂隙带高度至垮落带影响范围内，固定荷载作用下的覆岩垂直位移变化梯度随深度增大而增大，且垮落带影响范围内垂直位移变化梯度急剧增大；垮落带影响范围内，变形梯度急剧增大。

5 结论

1）采空区上覆岩层体积模量、剪切模量在数值模拟中的选取特别重要，尤其是采空区充水时参数的选取，文中的垮落带破碎矸石取自研究区、导水裂隙带参数根据室内单轴压缩试验和破碎岩石压实试验所得，比较符合研究区实际情况。

2）采空区不同含水状态下上覆岩层的垂直位移不同，研究区浅部4#煤采空区未积水，9#煤采空区积水，通过模拟监测两层煤都没有充水、只有4#煤充水和两层煤都充水的地表移动变形，发现水对破碎岩体压缩有一定的促进作用，改变参数后的地表下沉和地表水平移动明显增大。

3）附加应力影响深度到达弯曲下沉带高度范围内，荷载较小时，覆岩垂直位移与施加荷载基本呈现线性关系增加，荷载较大时，呈现非线性关系增加；住宅楼基础底面竖向均布荷载一般为20 kN/m2，由于4#煤采空距离地表较近，采空区未处理前极易受到建筑荷载影响，需要对4#煤采空区采取加固处理；9#煤采空区覆岩地基允许施加荷载为2.0 MPa，地基扰动深度70 m，满足设计要求，研究发现随着附加应力增大，采空区覆岩下沉量按线弹性增加，附加应力越大，垮落带下沉量变形梯度急剧增大。