動荷載作用下采空區地基穩定性分析①

付恩俊 田多

(1.中煤平朔有限責任公司井工一礦，山西朔州 036000;2華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

動荷載作用下采空區地基穩定性分析①

付恩俊1②田多2

(1.中煤平朔有限責任公司井工一礦，山西朔州 036000;2華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

安太堡露天礦東北角的井陽煤礦開采造成了大面積的地下采空區，為避免施工設備陷入采空區，須研究地面施工時動荷載對采空區的影響。本文按照時間順序把該采空區劃分三個區域，通過數值模擬計算分析了在動荷載作用下采空區內的變形、塑形破壞和應力分布狀況，并對采空區上方施工安全性作出評價，最后提出采空區地基的處治對策。

動荷載;采空區;地基;穩定性

0 引言

井陽煤礦位于安太堡1#露天礦的東北角，于1985年10月破土動工，其設計境界向南越入安太堡露天礦內1500m，向西越入礦內1800m，與安太堡露天礦的重疊面積為2.70km2。井陽煤礦至1997年底停采封閉礦井，歷時11年。

目前，安太堡露天礦正在其礦界的東北角區域進行露天邊坡的開挖施工，由于井陽煤礦開采造成了大面積的地下采空區，由此引發的地表沉陷、坍塌等潛在地質災害嚴重威脅著采掘場地的鉆機、推土機、電鏟、運輸車等設備及人員的安全，因此，為保證施工作業的安全，對開采范圍內的采空區進行安全狀況的分析和評價，提出合理的處治對策。

1 地下采空情況

根據現場調研及采掘資料分析，按回采時間順序，將安太堡東北幫區域內地下采空區分成三個區域，1987～1990年形成的采空區定名為A區，1992～1994年形成的采空區定名為B區，1995～1997年形成的采空區定名為C區。詳見圖1：

2 采空區地基破壞模式及穩定判據

2.1 采空區地基破壞模式

房柱式采空區與上覆巖體組成的復合地基存在如下破壞模式：

1)僅上覆巖體產生破壞，對房柱式采空區影響不大;

圖1 井陽煤礦采空區位置示意圖

2)由于施工荷載引發的附加應力作用僅導致采空區產生破壞，上覆巖體無破壞;

3)上覆巖體和房柱式采空區同時產生破壞。

2.2 采空區地基穩定判據

采空區與上覆巖體組成復合地基的破壞包括強度破壞和變形破壞，相應的穩定判據包括強度判據和變形判據兩方面：

1)復合地基應有足夠的承載能力，以保證在地表施工設備荷載作用下不產生破壞;

2)在施工荷載作用下，復合地基的沉降應滿足施工作業的安全與正常使用要求。

3 采空區地基穩定性的數值分析

3.1 計算模型及參數選取

以井陽煤礦房柱式采空區和安太堡露天煤礦邊坡工程開挖為工程背景，構建如圖2所示的數值計算模型。

圖2 計算模型邊界條件及網格劃分圖

模型計算范圍寬×高=160m×180m，共劃分為7200個平面單元。模型兩側限制水平方向移動，底面固定。在安太堡礦施工機械設備中，P＆H型和BE型電鏟的荷載集度最大，荷載集度值為0.29MP，如施工過程中按動載荷考慮，動載系數取2，則R＆H型和BE型電鏟的動荷載集度為0.58MP。動載荷按等效均布方式作用到地基上。

3.2 安全控制指標

在計算分析中，擬采用如下安全控制指標：

1)破壞模式的安全控制指標

在地表自由面施加擬靜力荷載后，采空區地基中破壞損傷范圍如與采空區上覆巖體中的破壞損傷區進一步擴展、溝通，則視采空區地基已進入破壞狀態。

2)采空區洞室變形破壞控制指標

采空區洞室監測點變形不收斂，或雖收斂但拱頂變形值超過100mm，兩幫變形值超過50mm，則視采空區洞室已進入破壞狀態。

3)采空區地基變形破壞控制指標

在地表自由面施加擬靜力荷載后，采空區地基監測點變形不收斂，或新增變形值超過50mm，則視采空地基已進入破壞狀態。

3.3 計算結果分析

1)變形監測點分析

為了對施工荷載作用下采空區地基和洞室的變形進行分析，在數值計算過程中，分別在地表施加荷載的中心位置及采空區洞室中設置了3個變形監測點，如圖3所示。

圖3 變形監測點布置位置示意圖

在地表自由面施加擬靜力荷載后，采空區地基中心監測點變形曲線收斂，該點監測沉陷值僅比加載前增加了5mm，如圖4所示;在地表自由面施加擬靜力荷載后，采空區硐室頂板監測點變形曲線收斂，該點監測沉陷值僅比加載前增加了3.5mm，如圖5所示;在地表自由面施加擬靜力荷載后，采空區硐室底板監測點變形曲線趨于收斂，該點監測沉陷值僅比加載前增加了0.02mm，如圖6所示。

圖4 地表監測點沉陷歷史曲線圖

圖5 采空區洞室頂板監測點歷史曲線圖

圖6 采空區洞室底板監測點歷史曲線圖

2)破壞場分析

施加擬靜力荷載后，采空區上覆巖體中破壞單元的數量變化不大，也沒有出現塑性區范圍進一步擴展、溝通的情況，如圖7和圖8所示。

圖7 加載前破壞場圖

圖8 加載后破壞場圖

3)應力場分析

在地表施加擬靜力荷載后，由于采空區上覆巖體中附加應力的增大，造成采空區上覆巖體中主應力集中的程度稍有提高，如圖9和圖10所示。

圖9 加載前垂向主應力場圖

圖10 加載后垂向主應力場圖

綜前所述，依據計算分析中所采用的破壞模式安全控制指標、采空區洞室變形破壞控制指標和采空區地基變形破壞控制指標得知，在地表自由面施加擬靜力荷載后，采空區地基處于穩定狀態。

4 采空區地基的處治對策

4.1 圈定預警范圍

依據數值模擬試驗的結果，圈定地表塌陷變形的警戒邊界線，建立健全警戒邊界線圈定區域內地面及坡表觀測點的位移及位移速度動態觀測體系，若發現開采過程中地面及坡表局部變形嚴重、有裂隙帶出現等現象出現，對進入圈定邊界線區域內的工作人員，要實施提前預警預報制度，確保有關人員的安全和礦山的正常生產。

4.2 探查爆破處治

在打爆破鉆孔過程中，根據鉆探中有無掉鉆具、鉆進速度是否變快、鉆孔是否漏漿或嚴重塌孔等現象，來判斷有隱伏采空區的存在。

對揭露的空巷、斷層構造附近的采空區、頂板厚度小的淺層采空區，實施爆破法強制采空區上覆巖層冒落的措施，確保電鏟和運輸車輛安全。

4.3 其它防范措施

為減小雨水滲流作用引發采空區場地產生局部塌塌、沉陷的現象，應在地面和坡表設置截攔水堤、集中排水溝等排水體系，防止雨水浸泡、軟化、活化采空區上覆冒落巖體，地表變形或造成嚴重地質災害事故。

雖然井陽煤礦采空區正常的地表移動已經結束和基本結束，但其形成的冒落與裂隙帶的巖層已不連續，若再次受到其他因素的擾動，將有可能活化采空區，可能產生一定的地表移動和變形，對地表施工不利。因此，建議在采空區場地地表施工過程中，對荷載大、有振動或對變形較敏感的施工設備，盡可能避開圈定的預警沉陷區域。

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Stability Analysis on Goaf Foundation Under Dynamic Load

FU Enjun，TIAN Duo

(1.China Coal Pingshuo Coal Co..，Ltd，Shuozhou Shanxi036000;
2.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East 101601)

Large area of underground goaf caused by mining has appeared in JingYang coal mine of northeastern Antaibao opencast mine(open pit mine).In order to avoid construction equipments falling into mined-out area，the effects of stability caused by ground construction in mined-out area were studied.In this paper，the goaf was divided into three regions according to time sequence.The deformation，plastic failure and distribution of stress were analyzed based on(by means of)numerical simulation under dynamic loading.The security of the construction technique above goaf was evaluated，and the control countermeasures

(treatment measures)were obtained.

dynamic loading;goaf;foundation;stability

TD325+.1

A

1672－7169(2011)04－0023－04

2011－08－16

付恩俊(1965－)，男，貴州赤水人，中煤平朔有限責任公司井工一礦總工程師。