采空区建筑地基的稳定性分析和施工处理方法

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1、采空区建筑地基的稳定性分析和施工处理方法摘要：结合工作实践，探讨了采空区建筑地基的稳定性分析方法及工程实践屮对采空区的常用处理方法，对釆空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有重要的理论和实际运用价值。关键词：采空区，建筑地基，稳定性分析，丿施工处理方法在过去几十年中，我国中西部煤炭资源的开发对国民经济的发展做出了巨大贡献。但由于煤炭资源的开采，在中西部地区的一•些老能源基地造成了人规模、人范围的采空塌陷区，导致上覆岩体冒落、断裂和弯Illi,使岩体力学强度降低，造成老采空区上方建筑地基的承载能力下降。随着西部大开发战略和基础

2、建设的加速实施，以及小城镇建设的不断发展，可供建筑的地面严重不足，一些地区的公路、铁路、厂房、住宅楼等不得不穿越或建立在老采空区上方。在这些静荷载或动荷载作用下，冇可能使原木处于相对平衡状态的冒裂带岩体重新“活化”,使冒裂带岩体再压密、地下残留空洞再冒落，导致地表产生附加移动和变形，进而使新建建筑物沉降、局部开裂、倾斜、直至倒塌。因此，开展对■老采空区建筑地基稳定性评价及其变形破坏规律的研究工作，对老采空区建筑地阜的处理、采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具冇极艾重要的理论和实际运川价值。1、采空区建筑物地基的稳定性分析老

3、采空区建筑地基的危害程度及稳定性评价在国内外都属于一个较新的课题。在老采空区上方修建建筑物的关键问题是对老采空区建筑地基的稳定性评价问题。目前，我国的相关分析方法有以下三种。1.1力平衡分析法⑴PoMUlMIHINp1/f1f1//輕H/90・卩\2/1/♦ACfffBBB1采空区顶板"定性示意图如图1所示，矿层采空后其顶板岩块ABCD因重力W的作用而下沉，两边的楔体ABM和CDN也对其施加水平压力P。因此，在AB和CD两个面上乂受到因P的作用而产生的摩阻力f的抵抗。现取采空段(巷道)单位长度为计算单元，则作用在巷道顶板

4、的压力为:Q二W-2f(1)/^aan(l)=-y〃(45°--)(2)22P=—tan2(45°--)(3)22式中:巷道单位长度顶板上所受的压力，kN/m；W巷道单位长度顶板上所受的总重力，kN/m；P楔体ABM和CDN作用在AB和CD而上的主压应力的最大值，kN/ni；f巷道单位长度侧壁的摩阻力，kN/m；H巷道顶板的埋藏深度，叹B巷道宽度，m；岩层的内摩擦角，(°)o当建筑物建在采空区上时(设建筑物基底单位压力为P0),根据力平衡分析，有：哪BPo~2f(4)即：牛胎〃f=r///^-//fan(i)tan2(45°越)

5、]+FP。(5)2当H增大至某一深度，使顶板岩层恰好保持口然平衡状态(即沪0),此时的〃称为临界深度％,町得临界深度的计算公式：B/+Jb2/2+4BXotantan2(45°-—脸~d)⑹2/tan0tan，(45°一号当/从时，地基不稳定；当曲.5必时，地基稳定性差；当於1.5从时，地基稳定。该方法仅适用于埋深较浅、地质条件简单的小煤窑釆空区场地。1.2附加应力法⑵附加应力法是以建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带发育高度是否重灣来确定建筑物层数、判断采空区地基稳定性的方法。冒落裂隙带发冇高度与建筑物荷载影响深度之间存在三种

6、情况，其屮建筑物荷载影响深度是由地基产生的附加应力决定,即当地基中附加应力OZ=0.1。c（。C为自重应力）时,把此时的深度Z作为建筑物荷载影响深度。1）当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面Z间有一定的距离时，这种悄况不会影响冒落裂隙带的稳定性；2）当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面正好接触时，在这种情况下建筑物荷载为临界荷载；3）当建筑物荷载影响深度进入冒落裂隙带内时，这种情况建筑物荷载会影响冒落裂隙带的稳定性，建筑物会受到鮫大不均匀沉降的影响。该方法难以考虑上覆岩层复杂的地质构造条件及冒落裂隙带的后期变化,K1J.F1

7、.也只能算作一种定性分析方法。1.3数值分析法4刃国外学者在20世纪80年代后期运用有限元和边界元法研究采动覆岩产4垮落的开采条件和垮落高度、覆岩产生离层裂缝的力学条件及离层裂缝的位置和高度等。20世纪末国内学者康建荣运川相似材料模拟和离散元法研究了采动覆岩离层形成的过程、机理及基本规律，并开发了适用于任意形状、多工作面、多开采线段的开采沉陷预计系统。这些研究成果为进一步研究老采空区在建筑物荷载作用卞的地基稳定性问题奠定了基础。常江以弹塑性理论为依据，将老采空区地层概化为一•个连续介质和碎裂介质的耦合体,运用有限元法分析了不同覆

8、岩组合对采空区建筑地基稳定性的彫响。老采空区建筑地基稳定性的力学分析是一个极具复杂的问题。它不仅和开采煤层的厚度、倾角、埋深、上覆岩层的岩性、物理力学性质、厚度、赋存状态、场地地形地貌、地质构造、水文地质条件以及煤矿开采方法、开采面积、开采次数、顶板管理方法等地