建筑荷载位置对老采空区地表移动变形的影响.pdf

第 10 期 山 西 焦 煤 科 技 No.102023 年 10 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyOct.2023试验研究收稿日期:2023-07-08作者简介:赵虎(1986),男,山西河曲人,2015 年毕业于太原理工大学,助理工程师,主要从事煤矿采掘技术管理工作(E-mail)531115271 建筑荷载位置对老采空区地表移动变形的影响赵虎(晋能控股集团 忻州公司王家岭煤矿,山西忻州036600)摘要老采空区地表新建建筑物时可能造成地表下沉,威胁建筑物稳定性。针对此问题,通过数值模拟研究了建筑荷载位置对老采空区地表下沉的影响。结果表明:老采空区覆岩稳定后达到充分采动,地表最大下沉位置位于模型中心处,最大下沉值约为 1310 mm,地表最大水平移动值约为200 mm;不同建筑物高度下,地表最大下沉和最大水平移动值均位于侧向裂隙区。当建筑物高度、作用范围一定时,地表移动变形量取决于覆岩内部不稳定结构数量及分布形态。关键词建筑荷载位置;老采空区;地表移动变形中图分类号:TD325.2文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)10-0004-03煤炭资源的开发利用对生态环境造成了严重的影响1-3,形成了大量的采煤沉陷区。随着社会发展步伐的加快,对采煤沉陷区的建设利用越来越引起重视。采煤沉陷区新建建筑物时,可能会引起地表二次变形,进而威胁建筑物稳定性。采煤工作面封闭后,随着时间的推移,不稳定区域依然存在;与此同时,采空区覆 岩 在 采 动 应 力 作 用 下 有 可 能 发 生 破 坏 失稳4-8.当封闭后的老采空区地表新建建筑物时,在建筑荷载作用下,原本处于相对稳定状态的采空区覆岩有可能重新出现活化运动,地表移动变形往往表现为突发性和不均匀性,对建筑物的稳定性产生不可忽略的影响。以山东某采区为工程背景,通过数值模拟研究建筑荷载位置对浅埋长壁老采空区地表移动变形的影响,揭示建筑荷载对浅埋长壁老采空区地表移动变形的影响机理。1工程背景研究区域位于山东某矿某采区,该区域地表拟新建数幢高层住宅楼和部分低层建筑物。该采区煤层厚度 1.62.4 m,埋深平均 144 m.研究区域内存在3 个老采空区,倾向宽度分别为 93 m、113 m、100 m.采区平面图见图 1.图 1采区平面图2数值模拟方案根据研究区域实际地质条件,适当简化并建立UDEC 数值模型,见图 2.模型共布置 3 个工作面,倾向长度均为 100 m,采高为 2 m,相邻工作面间留设15 m 煤柱,煤层埋深为 144 m.考虑边界效应的影响,模型左右边界各留 200 m,模型尺寸为 730 m180 m.根据研究区域钻孔柱状对各岩层赋予不同参数来模拟实际地层,开挖 3 个工作面后,布置测点监测初始覆岩应力分布和移动变形特征;最后施加不同位置的建筑荷载,取荷载前后测点位移差值作为地表二次下沉值。具体方案如下:1)考虑模型的对称性,以建筑物中心与采空区一侧煤壁间距离为变量,分别于煤壁支承区上部、近煤壁处侧向裂隙区(侧向裂隙区左)上部、远煤壁处侧向裂隙区(侧向裂隙区右)上部、区段煤柱上部、矸石压缩区上部 5 种方案,见图 2.图 2数值模型及方案图 2)根据建筑结构荷载规范 GB 500092012中对于民用建筑楼面均布活载荷计算的标准,将每层楼面载荷设定为 2.0 kN/m2,同时考虑楼层活载荷折减系数,设置不同建筑物载荷的方案共 6 种,分别为12 层、18 层、24 层、30 层、36 层和 42 层,载荷范围为50 m.3模拟结果3.1老采空区地表移动变形特征描述地表点移动变形的指标主要包括下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形,已有成果表明,在计算地表移动变形指标时,只需得到下沉和水平移动值,即可算出剩余指标。限于篇幅,仅列出老采空区覆岩长期承载稳定后的地表下沉和水平移动曲线,见图 3.浅埋长壁老采空区覆岩稳定后,达到充分采动。地表最大下沉位置位于模型中心处,最大下沉值约为1310 mm,地表最大水平移动值约为 200 mm.由图 3可以看出,由于研究区域区段煤柱长期承载后出现失稳破坏,失去承载能力,因此研究区域地表下沉曲线和水平移动曲线与单一工作面类似。3.2建筑荷载位置对地表移动变形的影响建筑物高度相同时(30 层),建筑荷载位置对地表下沉的影响见图 4.当建筑物修建在地表时,地表二次下沉曲线在建筑荷载一定影响范围内出现明显下凹,即下沉量差值较大。由于不同位置覆岩内不稳定结构分布存在差异,建筑物修建在地表不同位置处二次下沉曲线下凹的拐点也不同。图 3老采空区地表移动变形特征图老采空区上部新建建筑物时,地基受水平方向拉力,地表二次水平移动曲线拐点位于建筑物两侧位置,在建筑物作用范围内达到最值。当建筑物修建于不同位置时,覆岩内部变形空间不同,水平拉力大小也不同,导致不同区域覆岩二次水平移动量差异较大,从而影响地表二次水平变形。为进一步分析建筑荷载位置对地表下沉的影响,取各曲线最大值,见图 5.当建筑物高度为 12 层时,52023 年第 10 期赵虎:建筑荷载位置对老采空区地表移动变形的影响建筑荷载下地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为 54.8 mm,最大水平移动值为11.8 mm;当建筑物高度为 18 层时,建筑荷载下地表最大下沉位置为侧向裂隙区(左),最大下沉值为71.0 mm,地 表 最 大 水 平 变 形 位 置 为 侧 向 裂 隙 区(右),最大水平移动值为 12.9 mm;当建筑物高度为24 层时,建筑荷载下地表最大下沉位置为侧向裂隙区(左),最大下沉值为 109.8 mm,地表最大移动变形位 置 为 侧 向 裂 隙 区(右),最 大 水 平 移 动 值 为23.1 mm;随着建筑物高度增加至 30 层,地表最大移动变形量进一步增加,此时地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为 135.1 mm,最大水平移动值为 31.0 mm;当建筑物高度为 36 层时,建筑荷载下地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为 162.7 mm,最大水平移动值为35.1 mm;当建筑物高度为 42 层时,建筑荷载下地表最大移动变形位置均为侧向裂隙区(右),最大下沉值为 173.7 mm,最大水平移动值为 39.6 mm.图 4不同荷载位置地表移动变形特征图图 5不同荷载位置地表最大移动变形量图由图 5 可知,当建筑物高度、范围一定时,侧向裂隙区上部新建建筑物造成的地表移动变形量最大。一方面,侧向裂隙区内部裂隙、孔洞和离层等不稳定结构较多,在建筑荷载作用下此类结构闭合将导致覆岩出现局部移动变形。另一方面,侧向裂隙区的关键块在建筑荷载作用下发生回转和滑落失稳,而关键块的失稳往往能够导致其周边覆岩出现大范围下沉,造成地表移动变形量的大幅度增加。4结论针对建筑荷载造成老采空区地表二次移动变形问题,基于 UDEC 模拟软件,研究了不同建筑荷载位置下老采空区地表移动变形特征,主要结论如下:1)老采空区覆岩稳定后,达到充分采动。地表最大下沉位置位于 模型中心处,最 大 下 沉 值 约 为1310 mm,地表最大水平移动值约为 200 mm.由于研究区域区段煤柱长期承载后出现失稳破坏,失去承载能力,因此研究区域地表下沉曲线和水平移动曲线与单一工作面类似。2)不同建筑物高度下,地表最大下沉和最大水平移动值均位于侧向裂隙区。3)当建筑物高度、作用范围(下转第 12 页)6山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期感知系统的刮板输送机具有良好的调直效果,且稳定可靠,能够满足智能工作面的实际需要。图 13基于光纤感知系统的刮板输送机调直误差图4结论与展望1)采用将光纤光栅传感器安装在刮板输送机机身电缆槽中的刮板输送机感知方法,对刮板输送机直线度进行检测。该方法在对刮板输送机进行调直过程中综合考虑误差影响,并进行相应误差补偿。调直实验验证结果显示,刮板输送机直线度误差可控制在50 mm 以内。该方法可以实现刮板输送机直线度的实时检测和动态调直,有效解决了刮板输送机直线度误差累积的问题,采用的调直方法直线度误差更小,提高了刮板输送机调直效率和准确性,对于工作面安全、高效和智能化生产具有重要意义。2)提出基于光纤光栅感知的刮板输送机直线度调直方法,主要研究水平面内的刮板输送机调直问题,对刮板输送机在竖直面调直存在的问题需要进一步研究。3)井下开采环境具有复杂性、多因素干扰性等特点,在对刮板输送机调直过程中,要对其他误差因素综合考虑,进行误差补偿。需要进一步研究控制过程中的累积误差,实现刮板输送机精确推移。参考文献1王国法.煤矿智能化最新技术进展与问题探讨J.煤炭科学技术,2022,50(1):1-27.2吴刚.基于捷联惯导的采煤机运行姿态高精度感知理论与技术研究D.徐州:中国矿业大学,2020.3李威,周广新,杨雪锋,等.综采面刮板输送机机身自动调直装置及其控制方法:CN102155222AP.2011-08-17.4郭猛.内置磁致伸缩位移传感器的推移油缸设计J.煤矿机械,2014,35(4):30-31.5代刚,左海军,牛剑峰,等.一种用于液压油缸的行程传感器:CN202418109UP.2012-09-05.6牛永刚,窦学丽,殷鹏,等.基于 UWB 与激光测距的综采工作面定位系统J.工矿自动化,2021,47(7):125-129,134.7李俊士.一种基于多种传感器的工作面找直方法J.煤矿机电,2014(06):11-12,15.8方新秋,宁耀圣,李爽,等.基于光纤光栅的刮板输送机直线度感知关键技术研究J.煤炭科学技术,2019,47(1):152-158.9鞠金峰,许家林,周颖,等.煤矿井下综采工作面推进距动态监测仪:CN103822657AP.2014-05-28.(上接第 6 页)一定时,地表移动变形量取决于覆岩内部不稳定结构数量及分布形态。由于侧向裂隙区覆岩中存在大量不稳定结构,在各区域中覆岩内部可压缩空间最大,不稳定结构的压缩闭合导致了地表下沉量的大幅增加,因此在侧向裂隙区上部新建建筑物对地表下沉和水平移动的影响在各区域中最大。参考文献1陈绍杰,江宁,常西坤,等.采煤塌陷地建设利用关键技术与实践M.北京:科学出版社,2019.2钱鸣高,许家林,王家臣.再论煤炭的科学开采J.煤炭学报,2018,43(1):1-13.3袁亮,姜耀东,王凯,等.我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用的科学思考J.煤炭学报,2018,43(1):14-20.4Chen Shaojie,Guo Weijia,Zhou Hui,et al.Field investigation of long-term bearing capacity of strip coal pillars J.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2014,70:109-114.5Chen Shaojie,Wang Hailong,Wang Huaiyuan,et al.Strip coal pillar design based on estimated surface subsidence in eastern chinaJ.Rock Mechan-ics and Rock Engineering,2016,49(9):3829-3838.6陈绍杰,尹大伟,张保良,等.顶板-煤柱结构体力学特性及其渐进破坏机制研究J.岩石力学与工程学报,2017,36(7):1588-1598.7鲍永生.拟建建筑物下方多煤层采空区治理分析J.煤矿安全,2022,53(5):218-223.8种化省,王建.锦丘煤矿建筑物压煤充填开采地表沉陷规律研究J.山东煤炭科技,2022,40(4):161-163.21山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期