楊磊

摘要：近年來，隨著我國(guó)煤礦等資源開采力度的不斷加大，煤礦周邊逐漸出現(xiàn)了越來越多的采空區(qū)。這些采空區(qū)上部建筑物建設(shè)時(shí)，很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的沉降問題，從而對(duì)建筑物的使用造成不良影響。所以，在煤礦開采過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)大型建筑物地基沉降值監(jiān)測(cè)的重視程度。對(duì)長(zhǎng)壁開采覆巖破壞基本特征進(jìn)行介紹，通過試驗(yàn)分析的方式，對(duì)采空區(qū)大型建筑地基沉降值監(jiān)測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)建議，以此為采空區(qū)大型建筑物的建設(shè)提供支持。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；大型建筑；地基沉降；監(jiān)測(cè)技術(shù)

0? ?引言

礦區(qū)內(nèi)部通常需要建造大量的大型建筑，以為煤礦開采活動(dòng)的開展提供支持。然而隨著礦區(qū)的不斷開采，沉陷范圍越來越大，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)部未受或?qū)硪膊皇荛_采沉降影響的區(qū)域越來越少。這種情況下，很多建筑必須要建設(shè)在采空區(qū)的上方。

通過大量實(shí)踐研究可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)上部建設(shè)的建筑物大多數(shù)相對(duì)安全，但仍有一小部分則會(huì)對(duì)建筑造成嚴(yán)重?fù)p傷，影響建筑的后續(xù)使用。采空區(qū)上方的覆巖較為堅(jiān)硬，整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，具有較高的承載力，但受到建筑施加應(yīng)力的影響，依然會(huì)出現(xiàn)一定的地基沉降問題[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外均對(duì)采空區(qū)建筑基地沉降問題產(chǎn)生高度重視，并對(duì)此展開了大量研究，得到了諸多研究成果。但深入對(duì)這些研究分析后可以發(fā)現(xiàn)，其中依然存在一些缺陷，如盲目加固、提出的監(jiān)測(cè)方法精確度較低等，在一定程度上影響這些研究成果的應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，本文以“采空區(qū)大型建筑地基沉降值監(jiān)測(cè)技術(shù)”為課題展開了進(jìn)一步分析，提出一種更加良好的監(jiān)測(cè)方法，為采空區(qū)大型建筑地基沉降更好的監(jiān)控打下了良好基礎(chǔ)。

1? ?長(zhǎng)壁開采覆巖破壞的基本特征

現(xiàn)代煤礦開采過程中，常采用長(zhǎng)壁采煤法，該方法具有成本較低，準(zhǔn)備時(shí)間較短等優(yōu)勢(shì)[2]。長(zhǎng)壁開采結(jié)束后，會(huì)在采空區(qū)上方覆巖中形成垮落帶、斷裂帶與彎曲帶，各帶具有不同的特點(diǎn)，物理性質(zhì)存在一定差異，需要根據(jù)各帶的具體情況，設(shè)計(jì)出最佳的建筑施工方案，以保證施工活動(dòng)的順利進(jìn)行。

在垮落帶處，覆巖存在一定的碎脹性，內(nèi)部間隙較大，具有良好的連通性。由于其內(nèi)部有很多孔隙，因而存在較強(qiáng)的可壓縮性。針對(duì)覆巖的具體情況，又可將其進(jìn)一步將其劃分成兩種類型：一種為不規(guī)則帶，其中的巖塊隨機(jī)分布；另一種為規(guī)則帶，即巖塊規(guī)則的分布在區(qū)域內(nèi)。在高度方面，一般為開采厚度的3～5倍，但對(duì)于不規(guī)則帶來說，高度則明顯降低，僅有開采厚度的0.7～1.2倍[3]。

對(duì)于斷裂帶來說，處于垮落帶的上方，巖層受力水平較高，很容易出現(xiàn)完全形變等問題。上部施加一定的荷載后，一方面會(huì)出現(xiàn)與層里面保持垂直的縫隙，另一方面還可產(chǎn)生順著層里面的離層裂縫。通常情況下，可將垮落帶與斷裂帶看作一體，共同稱之為垮落斷裂帶。該垮落斷裂帶為覆巖二次移動(dòng)的主要發(fā)源區(qū)[4]。

斷裂帶與地表之間為彎曲帶，在開采區(qū)的邊緣處或周邊一定范圍內(nèi)，可能出現(xiàn)大量裂縫，上部較寬一些。隨著裂縫深度的不斷變深，裂縫寬度也逐漸變窄，直到完全消失為止。如果彎曲帶覆土較薄，且裂縫問題較為嚴(yán)重，可導(dǎo)致裂縫深入到斷裂帶當(dāng)中[5]。

2? ?試驗(yàn)分析

2.1? ?模型構(gòu)建

本研究當(dāng)中，分別構(gòu)建出了兩種采空區(qū)覆巖模型，分別設(shè)置成Q1與Q2，針對(duì)本研究需求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件，設(shè)置模型的相似比例，具體為：線比A1為1/100；容重比Af為0.6；強(qiáng)度比AR為0.006。其剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，數(shù)字對(duì)應(yīng)的不同材料性質(zhì)如表1所示。

通過對(duì)某礦區(qū)巖體相關(guān)資料的查找可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)礦井開采時(shí)，回采工作面推進(jìn)距離對(duì)覆巖移動(dòng)的影響最大，而時(shí)間的影響則相對(duì)較小。

對(duì)于本模型來說，主要研究的是采空區(qū)沉降穩(wěn)定后，后續(xù)建設(shè)的大型建筑使地基產(chǎn)生的二次沉降。所以本研究當(dāng)中，忽略了時(shí)間因素的影響，只是按照一定時(shí)間作為一個(gè)周期，逐漸完成煤礦開采工作。每個(gè)周期的開采距離控制在10cm左右，直到完成整個(gè)開采工作為止。

開采完成后，針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，判斷沉陷是否穩(wěn)定，待沉陷穩(wěn)定后，在模型上加載擬建建筑的荷載。

2.2? ?模型分析方法

向模型加載一定荷載后，通過小鋼尺法的方式，對(duì)地面沉降值予以測(cè)量。即按照相關(guān)規(guī)定要求，結(jié)合本研究需求，在模型適當(dāng)位置處，懸掛一個(gè)精確的小鋼尺，之后，以Ni1型自動(dòng)安平精密水準(zhǔn)儀為主要工具，對(duì)模型沉降值進(jìn)行測(cè)量[6]。

2.3? ?模型監(jiān)測(cè)結(jié)果

構(gòu)建出上述兩種模型后，分別選擇已知情況的礦區(qū)進(jìn)行測(cè)試。通過測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，不論是在垮落斷裂帶分布方面，還是在地表移動(dòng)變形方面，均與實(shí)際情況較為相似，誤差很小，可將其忽略不計(jì)。

由此表明，本模型模擬效果良好，可將其應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。測(cè)試當(dāng)中，模型1設(shè)置了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)記作S1、S2、S3、S4、S5，模型2設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記作P1、P2、P3、P4，各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2與表3所示。

3? ?沉降值分析與討論

3.1? ?沉降值差異分析

通過實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，若建筑物與采空區(qū)相對(duì)位置存在差異，所產(chǎn)生的沉降值也存在較大的差距。其中，建筑處于采動(dòng)區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的沉降值最高，其次為沉陷盆地處，最后為煤柱的上方。

由長(zhǎng)壁采空區(qū)上方覆巖的破壞特點(diǎn)可知，在采空區(qū)的中心位置處，覆巖垮落破壞最為嚴(yán)重，內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在大量縫隙，因而上部施加荷載后，很容易出現(xiàn)很大的沉降值。

在煤柱上方，開采過程中引起的地層變動(dòng)，依然會(huì)對(duì)周邊巖體造成一定干擾，使覆巖出現(xiàn)一定的沉降。但煤柱可提供一定的支撐力，加之內(nèi)部縫隙較小，因而所產(chǎn)生的沉降值并不是很大。

而沉陷盆地處于采動(dòng)區(qū)域煤柱之間，縫隙發(fā)育中等，因而所產(chǎn)生的沉降值也處于兩者之間。覆巖內(nèi)部裂縫越發(fā)育，與地表的距離越接近，上部大型建筑地基所產(chǎn)生的沉降值較高。

由此表明，建筑物建設(shè)或使用時(shí)，越靠近采空區(qū)，所產(chǎn)生的沉降值越高，特別是在邊緣區(qū)域，這一情況更加顯著。

煤礦開采工作的開展，可使不同區(qū)域出現(xiàn)不同的裂隙發(fā)育特點(diǎn)，受到這一因素的影響，導(dǎo)致建筑地基產(chǎn)生不均勻沉降問題。所以，在采空區(qū)建筑建設(shè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，預(yù)留出一定的變形縫，以防止產(chǎn)生不均勻沉降的問題。

3.2? ?沉降值計(jì)算

通過對(duì)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行觀察能夠發(fā)現(xiàn)，向模型施加一定的荷載后，沉降會(huì)在第一時(shí)間出現(xiàn)，并在較短的時(shí)間內(nèi)，使沉降速度提升至峰值，之后不斷降低。荷載施加的第1年，沉降變化非?；钴S，沉降值超過總沉降值的80%，之后沉降速度開始變緩，且維持很長(zhǎng)一段時(shí)間。

以模型2為例，可根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果值，構(gòu)建出不同位置的沉降W（k）預(yù)測(cè)灰色GM（1，1）模型：

3.2.1? ?P1測(cè)點(diǎn)處沉降值

P1測(cè)點(diǎn)處位于采空區(qū)的上部，與邊界相距55m，其計(jì)算公式為：

W（k）=4108.52exp[0.0521（k-1）]-3941.52? ? （1）

其中，k=t/4，t表示荷載施加的具體天數(shù)。通過后驗(yàn)差檢驗(yàn)可知，該模型的方差比為0.11。按照該模型對(duì)數(shù)據(jù)還原可以發(fā)現(xiàn)，其與原始數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度較高，具體值為0.652，表明其預(yù)測(cè)精度高，可將其應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

3.2.2? ?P2測(cè)點(diǎn)處沉降值

P2測(cè)點(diǎn)處位于采空區(qū)的上部，與邊界相距30m，其計(jì)算公式為：

W（k）=2372.55exp[0.0536（k-1）]-2266.55? ? （2）

通過驗(yàn)差檢驗(yàn)可知，該模型的方差比為0.175，關(guān)聯(lián)度為0.729，表明其預(yù)測(cè)精度高，可將其應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

3.2.3? ?P4測(cè)點(diǎn)處沉降值

P4測(cè)點(diǎn)位于煤柱的上部，在邊界外10m，其計(jì)算公式為：

W（k）=1585.5exp[0.08（k-1）]-1533.5? ? ? ? （3）

通過后驗(yàn)差檢驗(yàn)可知，該模型的方差比為0.117，關(guān)聯(lián)度為0.66，表明其預(yù)測(cè)精度高，可將其應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

3.3? ?沉降規(guī)律總結(jié)

通過模型分析開采過程能夠發(fā)現(xiàn)，采用長(zhǎng)壁采煤法時(shí)，礦區(qū)頂板可出現(xiàn)明顯的垮落現(xiàn)象。在礦床邊緣處，存在諸多孔洞與眼線。而在中心區(qū)域處，則無較大的孔洞。但在軟硬巖層交界處，則存在明顯的離層問題。

施加荷載后，在淺層處離層裂縫的寬度明顯縮減，表明這一區(qū)域出現(xiàn)二次位移現(xiàn)象。在深度較大的孔洞處，未出現(xiàn)明顯的位移現(xiàn)象，由此表明，開采作業(yè)面大大一定深度后，各孔洞與眼線較為穩(wěn)定，施加較大的荷載后，很少出現(xiàn)較大的沉降問題。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

由模擬實(shí)驗(yàn)分析可知，在特定的采深工況當(dāng)中，可在采空區(qū)的上方構(gòu)建大型建筑物。但在工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)設(shè)置變形縫等措施，以控制建筑地基的變形，提升整個(gè)建筑施工與后續(xù)使用時(shí)的安全性。當(dāng)采煤層較淺，且覆巖破壞較為嚴(yán)重時(shí)，要根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出合理的加固措施，以提升地基的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)大幅度沉降的問題。

采空區(qū)上方構(gòu)建建筑物時(shí)，沉降值與三個(gè)因素有關(guān)：一是建筑所施加荷載的大小，二是與操控區(qū)的相對(duì)位置，三是巖土層采動(dòng)破壞程度。其中，采動(dòng)區(qū)中心產(chǎn)生的沉降值最大。沉陷盆地邊緣處產(chǎn)生的沉降值相對(duì)較低，但沉降值變化幅度較大，對(duì)建筑造成的破壞最為嚴(yán)重，因而盡量不在該區(qū)域建設(shè)建筑物。煤柱的上部產(chǎn)生的沉降值最低，是建筑建設(shè)的最佳場(chǎng)所。

建筑地基沉降時(shí)，超過80%出現(xiàn)于施加荷載的1年以內(nèi)，之后逐漸降低，因而應(yīng)將項(xiàng)目建設(shè)后的第1年作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

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