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采空区地表变形规律及地基稳定性评价 康彦 贵州永润煤业有限公司，贵州 安顺 561000 ［ 摘 要］以地表变形实测数据为基础，运用数值模拟的计算方法，系统地分析了上覆岩层自 然压实状态，并通过理论计算，判断了实例建筑物荷载能否引起老采空区的 “二次活化” ，为短时间 利用采空区兴建建筑物提供了理论基础。 ［ 关键词］采空区; 地表变形; 地基稳定性 ［ 中图分类号］ TD325. 2［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201802- 0065- 03 Base Stability uation and Goaf Surface Deation Law ［ 收稿日期］ 2018－01－07［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 02. 018 ［ 作者简介］ 康彦 1983－ ，男，山西兴县人，在职研究生，工程师，主要从事煤矿采掘技术管理工作。 ［ 引用格式］ 康彦 . 采空区地表变形规律及地基稳定性评价 ［ J］ ． 煤矿开采，2018，23 2 65－67. 随着我国房地产业的快速发展，城市面积在不 断扩大。此外，近些年来煤炭资源的快速开发，形 成了大面积的地面塌陷区，已经导致了在一些产煤 地区理想建设用地面积的严重减少。在采空区上兴 建厂房、民用建筑已经成为了未来解决建设用地资 源短缺的重要方法 ［1－4 ］。但在采空区上新建构筑 物，可能影响经过一段时间自然压实的上覆岩层的 平衡状态，使其发生 “二次活化” ，使建筑物产生 不均匀沉降，发生破裂、倾斜甚至倒塌，严重影响 建筑物的安全性能。因此，在兴建建筑物之前对地 基进行稳定性评价，并采取适当的抗变形措施是非 常必要的 ［5－7 ］。 一般情况下，上覆岩层的移动和变形需要经过 很漫长的一段时间，才能达到稳定状态。若地基未 经过长时间的自然压实，将会给地表建筑物留下巨 大的隐患。因此，针对采空区上方新建建筑物的稳 定性问题，结合实例，将 FLAC 软件模拟结果与地 表实测数据进行对比分析，判断上覆岩层是否处于 完全自然压实状态，以便使采空区上方的土地资源 得到快速的利用。最后，通过理论计算，判断了建 筑物荷载是否能引起老采空区的活化。 1工程概况 某矿煤层平均埋深 360m，平均厚度 3m，属稳 定的中厚煤层，煤层倾角 3 ～6，为近水平煤层， 结构单一，一般不含矸石。矿山开采方式为井工开 采，一次采全高，采用全部垮落法管理顶板。其 中，煤层顶板岩性主要为砂岩、泥岩和泥质砂岩， 底板岩性主要为砂岩。 2采空区地表变形规律 2. 1模型的建立 使用 FLAC 软件进行模拟过程中，为了简化模 拟计算和消除边界效应的影响，将煤层设计成水平 煤层，并尽量增大模型的尺寸。建立的数值计算模 型工作面推进方向为 Y 轴方向，长度为 1400m; 工 作面方向沿 X 轴方向，长度为 390m;垂直方向为 Z 轴方向，按地质条件建立上覆岩层模型，高度为 390m，其中，煤层厚度为 3m。 数值模拟的本构模型采用摩尔－库伦准则，模 型边界变形 X，Y 两轴正负两个方向上的约束为 0， Z 轴负方向上的约束为 0，正方向上为自由变形; 在重力场作用时，重力加速度为 9. 81m/s2。在模 型达到平衡状态后进行开挖，沿 Y 轴由 400m 推进 到 1000m 处，其推进长度为 600m。建立的初始模 型如图 1 所示。 图 1初始模型 2. 2数值模拟结果分析 图 2 为沿工作面推进方向过中心线的沉降剖面 图，在此剖面地表布置 1 条测线，在测线上每隔 40m 布置 1 个测点，就会得到中心线地表最大下沉 56 第 23 卷 第 2 期 总第 141 期 2018 年 4 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 2 Series No. 141 April2018 ChaoXing 曲线。图 3 为地表最大下沉值模拟曲线和实测曲 线。由图 3 可知，地表最大实测下沉值小于其模拟 值，但二者总体相差不大，这说明上覆岩层已基本 处于完全自然压实状态，不会影响新建建筑物的安 全性能。 图 2工作面推进方向沉降剖面 图 3开采后地表最大下沉值 3采空区地基稳定性评价 3. 1评价方法 煤层采出后，上覆岩层的原始平衡应力状态重 新分布，当再次处于稳定状态时，上覆岩层将会形 成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。垮落裂缝带虽经 过长时间的压实，仍会存在许多裂隙、离层、缝隙 等未填充的空间。当建筑物荷载传递到垮落裂缝带 时，将会引起采空区的 “活化” ，使地表及建筑物 产生不均匀沉降，导致建筑物的破坏。因此，国内 学者提出采用采空区垮落裂缝带发育高度与建筑物 荷载影响深度是否重叠来判断采空区地基的稳定 性。垮落裂缝带与建筑物荷载影响深度的关系，如 图 4 所示 ［8－9 ］。由图可以看出，二者存在以下 3 种 关系 1当建筑物的影响深度与垮落裂缝带之间 有一定距离时，如图 4 a所示，采空区上建筑 物荷载不会影响垮落裂缝带的稳定性，此时建筑物 地基处于稳定状态。 2当建筑物的影响深度与垮落裂缝带之间 刚好重合时，如图 4 b所示，此时建筑物地基 处于临界状态。 3当建筑物的影响深度与垮落裂缝带之间 相互重叠时，如图 4 c所示，采空区上建筑物 荷载会影响垮落裂缝带的稳定性，此时建筑物地基 处于不稳定状态。 图 4垮落裂缝带与建筑物荷载影响深度的关系 3. 2采空区垮落裂缝带发育高度 采空区垮落带高度计算公式如式 1所示。 Hm 100∑M 4. 7∑M 19 2. 2 1 采空区裂缝带高度计算公式如式 2所示。 HL 20 ∑ 槡 M 10 2 式中，∑M 为煤层累计厚度，m。 按式 1和 2 计算得到采空区垮落带高 度 9. 062. 2m，采空区裂缝带高度为 44. 64m。所 以，采 空 区 垮 落 裂 隙 带 Hh发 育 高 度 最 大 为 55. 9m［10 ］。 3. 3建筑物荷载的影响深度 随着深度的增加，地基基底土的自重应力逐渐 增大，而新建建筑物所产生的附加应力逐渐减小。 一般认为，当新建建筑物所产生的附加应力等于相 应位置处地基层自重应力的 20时，即可认为建 筑物产生的附加应力对该深度处地基的影响可以忽 略不计。但当采空区上覆岩层遭到破坏，内部含有 裂隙、空洞或新建建筑物下含有高压缩性土时，只 有当新建建筑物所产生的附加应力等于相应位置处 地基层自重应力的 10时，方可认为建筑物产生 的附加应力对该深度处的地基没有产生影响，即 σz 0. 1σ c 由于地基中的土是层状分布的，不同土层其重 度不同。因此，基底土的自重应力为 σcγ1h1γ2h2 γnhn∑ n i 1 γihi 假设新建建筑物长 54m，宽 14m，基础埋深 3m，每层建筑荷载为 20kPa。地基的附加应力采用 均布矩形荷载计算，则建筑物中心处地基附加应力 最大，即 66 总第 141 期煤矿开采2018 年第 2 期 ChaoXing σz 4 kp0 基础底面平均附加应力 p0 p －γ0d 建筑物基础底面处竖向均布荷载 p N G A N γGAd A 式中，k 为角点下竖向附加应力系数; γG为回填土 及基础的平均容重，kN/m3;A 为基底面积，m2; d 为基础埋深，m; N 为作用在基础上的竖向载荷， kN/m2 ; γ 0为基础底面以上土层的容重，kN/m 3。 建筑物荷载影响深度计算结果如表 1 所示。从 表 1 可以看出，建筑物的影响深度约为 19m，即 HJ19m。 表 1建筑物荷载影响深度 深度/m 基底下深度地面下深度 附加应力/ kNm －2 10自重应力/ kNm －2 5836. 16. 5 101328. 413. 0 151820. 519. 5 161916. 420. 8 3. 4采空区地基稳定性分析 由以上的计算结果可以看出，煤层的最小采深 大于建筑物荷载影响深度与该矿采空区垮落裂缝带 发育高度之和，即，Hmin＞Hh H J。此时，建筑物的 影响深度与垮落裂缝带之间有一定的安全距离，如 图 4 a所示，采空区上方建筑物荷载不会影响 到垮落裂缝带的稳定性，新建建筑物地基将会处于 稳定状态，不会产生不均匀沉降变形，进而影响建 筑物的安全。 4结论 1通过数值模拟得到的最终地表下沉曲线 与地表实测下沉数据相差不大，为短时间利用采空 区兴建建筑物提供了基础。 2概括了建筑物荷载影响深度与采空区垮 落裂缝带发育高度之间的 3 种关系。 3通过理论计算，得到了该矿煤层的最小 采深大于建筑物荷载影响深度与该矿采空区垮落裂 缝带发育高度之和，采空区上方建筑物荷载不会影 响到垮落裂缝带的稳定性，新建建筑物地基处于稳 定状态。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 李培现，谭志祥，王磊，等 . 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