老采空区地基稳定性模拟分析.pdf

SerialNo . 474 October . 2008 矿 业 快 报 EXPRESS INATION OF M I N I NG I NDUSTRY 总第 474期 2008年 10月第 10期 贾新果 1980- , 男, 汉族, 河北邢台人, 硕士, 100013北京市。 老采空区地基稳定性模拟分析 贾新果 孙景来 煤炭科学研究总院北京安全技术研究所 摘 要 利用 FLAC 2D有限差分程序对老采空区上方地表新建建筑物载荷作用下的地基稳定性 进行了模拟分析。研究结果表明, 该方法是可行的。为老采空区上方新建建筑物地基稳定性的评 价提供了一种新的分析方法。 关键词 老采空区; 冒落裂缝带高度; 地基稳定性 中图分类号 TD325 . 3 文献标识码 A 文章编号 1009 5683 2008 10004902 Simulation Analysis of Foundation StabilityAbove Old Goaf Jia XinguoSun Jinglai Beijing Research Institute ofM ine Safety Technology ,China CoalResearch Institute Abstract A si mulative analysiswas carried out upon the foundation stability under load action of new ly built buildings above an old goaf by using the FLAC2D finite difference program.The results showed that the was feasible .It provided a new analyticalm ethod for uating the foundation stability of new ly built buildings above the old goa. f Keywords Old goa;f Height of caving and fracture bel; t Foundation stability 1 引 言 目前, 许多矿区正在或准备在老采空区地表新 建建 构 筑物。煤层采出后, 使采空区周围岩体内 部结构遭到破坏, 形成冒落带、 裂缝带和弯曲下沉 带。老采空区上覆岩层虽然在经过一定时间自然压 实后基本趋于稳定, 但若在其上方地表新建建筑物 时, 若建筑物荷载影响深度与冒落裂缝带相交叠时, 就会破坏岩体业已形成的平衡状态, 出现所谓的老 采空区 活化 现象, 使覆岩重新发生移动变形, 地 面产生残余沉降。因此, 必须对老采空区新建建 构 筑物地基的稳定性进行评价, 并结合具体情 况, 采取相应的处理措施, 以保证新建建 构 筑物 的安全。 鉴于此, 文中利用 FLAC 2D有限差分程序对老采 空区地表新建建 构 筑物载荷作用下的地基稳定 性进行了模拟分析。 2 地基稳定性评价原则 冒落裂缝带高度 HF 与建筑荷载影响深度 HY可分别采用经验来计算 [ 1, 2], 但是上覆岩层受 采动影响因素众多, 应用传统计算公式所得到的结 果很难与实际情况相符。建筑物荷载影响深度与建 筑物的结构、 基础型式、 基础埋深、 荷载大小等有 关 [ 1]。 一般认为 煤层开采后, 老采空区冒落裂缝带不 再因新加建筑荷载扰动而重新移动时, 最小采深 HL应该大于冒落裂缝带高度 HF与建筑荷载影 响深度 HY两者之和 [ 3] 见图 1, 即 HL HF HY. 当实际采深大于 HL时, 建筑荷载不会使冒落 裂缝带重新移动; 当实际采深小于 HL时, 覆岩和地 表会再次发生较大的不均匀移动。 图 1 老采空区地基稳定性评价模型 3 应用实例 49 2007年某矿拟在 1968 1972年开采过的老采 空区上方地表新建建筑物, 该区域下方及周围区域 开采过 1个煤层, 开采工作面主要有 5904 、 1101 、 1102 、 1103 、 1104、 1106 、 5901等, 平均采厚 6 . 6m, 煤 层倾角 2∀ 6∀ , 采深 125 175m; 采用分层开采、 全 部垮落法管理顶板。煤层上覆岩层主要由表土 约 45m 、 砂质泥岩、 泥岩、 砂岩等组成, 整个上覆岩层 岩性属中硬岩层。 建立 FLAC 2D 模型 水平煤层开采, 采深 H 130 . 0m, 煤厚 M 6 . 6m。顶底板岩层主要为砂岩、 砂质泥岩、 泥岩, 表土层厚 h 45 . 0m。模型沿岩层 走向长 800 . 0m, 垂直方向 180 . 0m。计算中采用平 面应变模型。其边界约束条件见图 2 。 图 2 模型边界约束条件 为研究建筑物地基稳定性受其附加荷载的影 响, 设计了 4个模型。以新建条形建筑物长 60m、 宽 20m 为例进行计算, 砖混结构, 标准层高 3 . 0m, 基础 为毛石或钢筋混凝土条式基础, 建筑物荷载考虑为 20kN /m 2 系单层建筑面积荷载大小 , 拟建建筑物 层数考虑 4 、 5 、 6 、 7层 4种情况。假定整个建筑荷载 作用在建筑平面大小的矩形基础上, 按均布矩形荷 载计算地基附加应力。 对建立的 4个模型进行计算, 图 2为在不同附 加荷载作用下上覆岩层中附加荷载随岩层深度的变 化情况。图 3为自重应力作用下采空区上覆岩层中 的应力分布情况, 图 4为拟建建筑物为 7层时的采 空区上覆岩层中应力分布状况。 图 3 不同附加荷载随岩层深度的变化 从图 3可以看出, 上覆岩层中附加荷载随建筑 物层数 荷载 的增大而增大, 随岩层深度的增加而 减小, 达到一定深度之后, 附加荷载将小于地基自重 应力的 10 。当在采空区上方新建 4层建筑物时, 建筑荷载影响深度 HY为 20 . 1m; 新建 5层建筑物 时, 深度为 25 . 6m, 新建 6层建筑物, 该值为 31 . 0m, 而建筑 7层建筑物时, 建筑荷载影响深度 HY将达 到 34 . 9m。建筑物荷载影响深度随建筑物层数 荷 载 的增加而呈非线性增大。 图 4显示了在自重应力作用下采空区上覆岩层 中的应力分布。上覆岩层在发生初次移动变形后, 受力破坏范围较小, 并处于相对稳定状态。在没有 附加荷载作用下, 冒落裂缝带发育到了 64 . 5m 高度 处, 且处于一个相对稳定的高度。 从图 5可以看出, 在 7层建筑物荷载作用下, 冒 落裂缝带高度向上发育, 达到了 71 . 3m 高度处。此 时, HFHY 106 . 2m HL 130 . 0 m. 即建筑荷载影响深度 HY还没有和冒落裂缝 带高度接触。从图 5也可以看出, 上下两边的应力 没有叠加, 上覆岩层不会发生大的移动和变形破坏。 这说明建筑物的地基在 7层建筑物荷载作用下, 还 是处于安全状态的, 即在该区域新建 7层的建筑物 不会破坏区域内采空区的稳定性。 4 结 论 根据数值模拟的结果, 可以对老采空区上方地 基稳定性作一个定性分析。即以建筑荷载影响深度 HY与冒落裂缝带高度 HF是否相交或相切来评 价建筑物地基是否处于稳定状态 下转第 64页 50 总第 474期 矿业快报 2008年 10月第 10期 表 2 复用期间巷道表面位移情况 测站 两帮 变形量 /mm 最大变形速度 / mm /d 煤体侧顶底 变形量 /mm 最大变形速度 / mm /d 巷旁支护侧顶底 变形量 /mm 最大变形速度 / mm /d 变形剧烈区 距工作面 /m 1 51535290324454118以内 256037315344604320以内 360041330374804621以内 平均55838312344624320以内 5 . 3 沿空留巷效果分析 该次试验沿空留巷总长为 500m, 试验结果表 明, 对于煤系地层厚煤层顶分层工作面沿空留巷, 采 用锚杆 索 梁网联合支护和人工构筑煤垛、 工字钢 点柱和走向挑棚, 有利于沿空留巷顶板稳定和下区 段回收材料, 取得明显的经济和社会效益。但从现 场观测表明, 所留巷道变形量较大, 其主要原因为以 下几点。 1试验巷道原锚杆支护参数设计不尽合理, 巷道实体煤侧部分锚杆发生破坏。因此, 巷道在复 用之前, 帮部需进行刷帮修复。 2由于工作面回采, 受工作面超前支承压力 和采空区顶板动压的影响, 巷道变形量较大。 因此, 为了今后更好地在煤系地层中进行沿空 留巷, 对所留巷道内帮锚杆支护参数有必要进一步 探讨, 对工作面的超前支承压力和采空区顶板动压 的活动区域要进行有效的支护措施, 减少巷道变形 量。在下区段的 3216工作面运输机巷沿空留巷 过程中, 通过在巷道实体煤侧采用 20mm ∃ 2500mm 的高强度左旋螺纹钢锚杆, 起到了很好控制巷道实 体煤侧变形的效果。 6 结 论 1现场矿压观测结果表明, 由于煤层较软, 所 留巷道两帮移近量及顶底移近量均较大。两帮移近 量以实体煤侧巷帮为主, 顶底移近量主要为底鼓量。 原巷道锚杆 索 支护和巷旁支护, 有效地控制了顶 板的下沉。但实体煤侧锚杆未能很好控制煤帮位 移, 可采取增加锚杆长度和锚固长度, 或煤帮侧采用 纵梁与横梁结合的方法支护, 保证锚杆支护的整体 性。 2锚索支护是加强围岩完整性及稳定程度的 一种支护形式, 它提高了围岩的稳定程度, 能有效地 控制围岩变形, 可大大提高围岩的自我承载能力, 减 轻巷旁支护的压力。锚索为主动支护, 可施加较大 的预应力, 提高巷旁支护的切顶效果 [ 3]。 3沿空留巷的顶板控制, 应充分发挥巷道顶 板岩层的自我承载能力和巷旁煤体对顶板岩层的支 承能力, 应将支护体 顶板岩层 巷旁煤体三者有机 结合起来, 形成统一的支护 围岩体系。 4沿空留巷巷道变形具有明显的分区, 根据 这一特点, 可对留巷不同区域采取有针对性的加强 支护措施。 5采用锚杆 索 巷内支护, 巷旁采用工字钢 排柱、 砌煤垛和走向挑棚联合支护, 在煤系地层进行 沿空留巷是一项成功的新技术, 具有广阔的推广应 用前景。 参 考 文 献 [ 1] 薛顺勋, 宋广太, 库明欣. 煤巷锚杆支护施工指南 [M ]. 北京 煤炭工业出版社, 1999 . [ 2] 侯朝炯, 郭励生, 勾攀峰. 煤巷锚杆支护 [M ]. 徐州 中国矿业 大学出版社, 1999 . [ 3] 刘生优. 煤系地层高岭岩沿空留巷技术 [ J]. 煤炭科学技术, 2003 9. [ 4] 华心祝. 沿空留巷巷旁锚索加强支护与参数优化 [ J]. 煤炭科 学技术, 2004 8. 收稿日期 2008 0505 上接第 50页 当建筑荷载影响深度 HY与冒落裂 缝带高度 HF相交或相切时, 建筑物地基处于不稳 定状态; 建筑荷载影响深度 HY不与冒落裂缝带高 度 HF相交或相切时, 建筑物地基处于稳定状态。 按照此原则, 同时也可以确定建筑区域所能建筑的 最大建筑物层数。 利用 FLAC 2D有限差分程序对老采空区上方地 表新建建筑物载荷作用下的地基稳定性进行模拟分 析, 经实例验证也是合理可行的, 这为老采空区上方 新建建筑物地基稳定性评价提供了一种更合理的分 析方法。 参 考 文 献 [ 1] 华南工学院, 南京工学院, 浙江大学等. 地基及基础 [M ]. 北 京 中国建筑工业出版社, 1981 . 6 . [ 2] 国家煤炭工业局. 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程 [M ]. 北京 煤炭工业出版社, 2000 . 6. [ 3] 张俊英. 采空区地基评价与处理技术[ J]. 矿山测量, 2001 2 48 49. 收稿日期 2008 0604 64 总第 474期 矿业快报 2008年 10月第 10期