动荷载作用下采空区地基稳定性分析①

付恩俊 田多

(1.中煤平朔有限责任公司井工一矿，山西朔州 036000;2华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

动荷载作用下采空区地基稳定性分析①

付恩俊1②田多2

(1.中煤平朔有限责任公司井工一矿，山西朔州 036000;2华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

安太堡露天矿东北角的井阳煤矿开采造成了大面积的地下采空区，为避免施工设备陷入采空区，须研究地面施工时动荷载对采空区的影响。本文按照时间顺序把该采空区划分三个区域，通过数值模拟计算分析了在动荷载作用下采空区内的变形、塑形破坏和应力分布状况，并对采空区上方施工安全性作出评价，最后提出采空区地基的处治对策。

动荷载;采空区;地基;稳定性

0 引言

井阳煤矿位于安太堡1#露天矿的东北角，于1985年10月破土动工，其设计境界向南越入安太堡露天矿内1500m，向西越入矿内1800m，与安太堡露天矿的重叠面积为2.70km2。井阳煤矿至1997年底停采封闭矿井，历时11年。

目前，安太堡露天矿正在其矿界的东北角区域进行露天边坡的开挖施工，由于井阳煤矿开采造成了大面积的地下采空区，由此引发的地表沉陷、坍塌等潜在地质灾害严重威胁着采掘场地的钻机、推土机、电铲、运输车等设备及人员的安全，因此，为保证施工作业的安全，对开采范围内的采空区进行安全状况的分析和评价，提出合理的处治对策。

1 地下采空情况

根据现场调研及采掘资料分析，按回采时间顺序，将安太堡东北帮区域内地下采空区分成三个区域，1987～1990年形成的采空区定名为A区，1992～1994年形成的采空区定名为B区，1995～1997年形成的采空区定名为C区。详见图1：

2 采空区地基破坏模式及稳定判据

2.1 采空区地基破坏模式

房柱式采空区与上覆岩体组成的复合地基存在如下破坏模式：

1)仅上覆岩体产生破坏，对房柱式采空区影响不大;

图1 井阳煤矿采空区位置示意图

2)由于施工荷载引发的附加应力作用仅导致采空区产生破坏，上覆岩体无破坏;

3)上覆岩体和房柱式采空区同时产生破坏。

2.2 采空区地基稳定判据

采空区与上覆岩体组成复合地基的破坏包括强度破坏和变形破坏，相应的稳定判据包括强度判据和变形判据两方面：

1)复合地基应有足够的承载能力，以保证在地表施工设备荷载作用下不产生破坏;

2)在施工荷载作用下，复合地基的沉降应满足施工作业的安全与正常使用要求。

3 采空区地基稳定性的数值分析

3.1 计算模型及参数选取

以井阳煤矿房柱式采空区和安太堡露天煤矿边坡工程开挖为工程背景，构建如图2所示的数值计算模型。

图2 计算模型边界条件及网格划分图

模型计算范围宽×高=160m×180m，共划分为7200个平面单元。模型两侧限制水平方向移动，底面固定。在安太堡矿施工机械设备中，P＆H型和BE型电铲的荷载集度最大，荷载集度值为0.29MP，如施工过程中按动载荷考虑，动载系数取2，则R＆H型和BE型电铲的动荷载集度为0.58MP。动载荷按等效均布方式作用到地基上。

3.2 安全控制指标

在计算分析中，拟采用如下安全控制指标：

1)破坏模式的安全控制指标

在地表自由面施加拟静力荷载后，采空区地基中破坏损伤范围如与采空区上覆岩体中的破坏损伤区进一步扩展、沟通，则视采空区地基已进入破坏状态。

2)采空区洞室变形破坏控制指标

采空区洞室监测点变形不收敛，或虽收敛但拱顶变形值超过100mm，两帮变形值超过50mm，则视采空区洞室已进入破坏状态。

3)采空区地基变形破坏控制指标

在地表自由面施加拟静力荷载后，采空区地基监测点变形不收敛，或新增变形值超过50mm，则视采空地基已进入破坏状态。

3.3 计算结果分析

1)变形监测点分析

为了对施工荷载作用下采空区地基和洞室的变形进行分析，在数值计算过程中，分别在地表施加荷载的中心位置及采空区洞室中设置了3个变形监测点，如图3所示。

图3 变形监测点布置位置示意图

在地表自由面施加拟静力荷载后，采空区地基中心监测点变形曲线收敛，该点监测沉陷值仅比加载前增加了5mm，如图4所示;在地表自由面施加拟静力荷载后，采空区硐室顶板监测点变形曲线收敛，该点监测沉陷值仅比加载前增加了3.5mm，如图5所示;在地表自由面施加拟静力荷载后，采空区硐室底板监测点变形曲线趋于收敛，该点监测沉陷值仅比加载前增加了0.02mm，如图6所示。

图4 地表监测点沉陷历史曲线图

图5 采空区洞室顶板监测点历史曲线图

图6 采空区洞室底板监测点历史曲线图

2)破坏场分析

施加拟静力荷载后，采空区上覆岩体中破坏单元的数量变化不大，也没有出现塑性区范围进一步扩展、沟通的情况，如图7和图8所示。

图7 加载前破坏场图

图8 加载后破坏场图

3)应力场分析

在地表施加拟静力荷载后，由于采空区上覆岩体中附加应力的增大，造成采空区上覆岩体中主应力集中的程度稍有提高，如图9和图10所示。

图9 加载前垂向主应力场图

图10 加载后垂向主应力场图

综前所述，依据计算分析中所采用的破坏模式安全控制指标、采空区洞室变形破坏控制指标和采空区地基变形破坏控制指标得知，在地表自由面施加拟静力荷载后，采空区地基处于稳定状态。

4 采空区地基的处治对策

4.1 圈定预警范围

依据数值模拟试验的结果，圈定地表塌陷变形的警戒边界线，建立健全警戒边界线圈定区域内地面及坡表观测点的位移及位移速度动态观测体系，若发现开采过程中地面及坡表局部变形严重、有裂隙带出现等现象出现，对进入圈定边界线区域内的工作人员，要实施提前预警预报制度，确保有关人员的安全和矿山的正常生产。

4.2 探查爆破处治

在打爆破钻孔过程中，根据钻探中有无掉钻具、钻进速度是否变快、钻孔是否漏浆或严重塌孔等现象，来判断有隐伏采空区的存在。

对揭露的空巷、断层构造附近的采空区、顶板厚度小的浅层采空区，实施爆破法强制采空区上覆岩层冒落的措施，确保电铲和运输车辆安全。

4.3 其它防范措施

为减小雨水渗流作用引发采空区场地产生局部塌塌、沉陷的现象，应在地面和坡表设置截拦水堤、集中排水沟等排水体系，防止雨水浸泡、软化、活化采空区上覆冒落岩体，地表变形或造成严重地质灾害事故。

虽然井阳煤矿采空区正常的地表移动已经结束和基本结束，但其形成的冒落与裂隙带的岩层已不连续，若再次受到其他因素的扰动，将有可能活化采空区，可能产生一定的地表移动和变形，对地表施工不利。因此，建议在采空区场地地表施工过程中，对荷载大、有振动或对变形较敏感的施工设备，尽可能避开圈定的预警沉陷区域。

［1］张东方.露天空区处理工艺技术方法探索［J］．金属矿山，2009(7)：24－26

［2］张云明.高速公路下伏采空区稳定性评价方法探讨［J］.铁道勘测设计，2007(3)：58－62

［3］刘秀英.荷载作用下老采空区地表移动规律的试验研究［J］.太原科技大学学报，2010，31 (1)：49－54

［4］姚高辉，吴爱祥，王贻明.缓倾斜破碎不连续矿体采空区稳定性分析［J］.黄金，2009，30 (12)：25－28

［5］滕永海，张俊英.老采空区地基稳定性评价［J］.煤炭学报，1997，22(5)：504－508

［6］郭亚静，巩红林，陈亮.铁法矿区采空区地表变形规律［J］.煤炭技术，2010，29(2)：142－145

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，贵州赤水人，中煤平朔有限责任公司井工一矿总工程师。