采空区对地表窑洞稳定性的影响研究

薛丹丹，苟瑞君，马震宇，王学雷，赵燕兵，郑俊杰

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

采空区对地表窑洞稳定性的影响研究

薛丹丹，苟瑞君，马震宇，王学雷，赵燕兵，郑俊杰

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

煤矿开采必然会引起地表建筑物的沉降变形，若沉降量超出规定范围，将会导致窑洞的变形破坏。为分析采空区对地表窑洞稳定性的影响，本文利用FLAC3D软件，研究了地表窑洞受采空区影响时的沉降变形与破坏规律。结果表明：窑洞受采空区影响时，从拱顶至底部沉降量逐渐减小；窑洞沉降量随开采厚度和工作面推进度的增大而增大，但随开采深度的增大而减小；窑洞位于采空区中央正上方时沉降量最大，而位于采空区边界上方时，窑洞的不均匀沉降最明显；煤矿开采后及时填充，可利于提高窑洞稳定性。本文结论为研究采空区对地表建筑物的影响提供了参考。

采空区；FLAC3D；窑洞；建筑稳定性

目前国内许多建筑物都位于煤矿采空区上方，采空区的存在破坏了岩体原有的应力平衡状态，当开采规模达到一定程度后，会导致地表沉陷，对处于沉陷范围内的建筑物造成影响，严重时甚至发生房屋倒塌、人员伤亡的事故[1]。因此研究采空区对地表建筑的影响具有现实意义。

地表建筑结构的稳定性分析已经较为成熟，但受采空区影响的地表黄土窑洞的稳定性分析较少。马榕等从采动影响对窑洞变形破坏的规律出发，论述了采空区引起窑洞变形破坏的若干因素[2]；刘永等应用FLAC3D软件和自编接口程序，研究了采空区对地面沉降的影响[3]；井征博等通过人为地给柱脚支座以支座沉陷，模拟采空区引起的地表变形对框架结构的影响[4]；程占博等采用概率积分法及典型曲线法对开采工作面引起的地表沉陷规律进行了合理预测[5]；贺丽萍等采用FLAC3D软件，通过改变松散层厚度、煤层倾角等因素，对地表建筑物的稳定性进行了分析[6]。

本文针对黄土高原特有的窑洞建筑，借助专业的岩土工程数值模拟软件FLAC3D对采空区地表三孔窑洞的稳定性进行计算分析，研究了窑洞受不同的采空区参数影响时，沉降量的变化规律。

1 数值模拟

1.1 模型参数

1.1.1 窑洞和矿区模型几何参数

经过对窑洞的实地考察测量及参考相关文献[7]，建立窑洞模型如图1所示，窑洞进深(Y方向)为6 m，之后设立2 m的土体，以模拟真实窑洞与洞后土体的连接。

矿区计算模型如图2所示，从上到下分为黏土和砂岩两层，地表覆盖土层为2 m的黏土，其下为厚度118 m的砂岩。采空区位于砂岩中，煤层平均倾角α为6°，模拟时可视为水平。工作面宽度(X方向)为40 m，同时考虑到采空区上方不同位置的建筑物，其受力变化也不同，故分别选取了窑洞位于采空区中央正上方及边界正上方两种情况进行分析。

图1 窑洞尺寸

图2 计算模型(单位：m)

1.1.2 材料参数

黄土窑洞与矿区材料选用Mohr-Coulomb模型，采空区开挖部分选用null模型。所需的材料参数有：密度ρ、体积模量G、剪切模量K、内聚力c、内摩擦角φ、抗拉强度σt，如表1所示[8-9]。

1.2 模拟方案

对矿区的四个侧面(X和Y方向)进行法向位移约束，底面全约束，以保证竖直方向自由沉降；窑洞无约束，只考虑窑洞的自重应力；采空区无边界条件的约束，允许其大变形；在地表施加-5.6 kPa的均布荷载，以模拟车辆和行人通过的情况；地表窑洞和矿区采用Attach命令完成共节点。

2 模拟结果与分析

三孔窑洞自身结构存在对称性，I号、III号窑洞对应的各监测点沉降量相同，且均大于II号窑洞的对应沉降量，故下文只针对I号窑洞展开分析。

2.1 窑洞未受采空区的影响分析

为清楚地分析不同因素对窑洞沉降的影响，截取窑洞部分的竖直位移云图(图3)。图3所示的竖直位移，是无采空区影响时窑洞在自重作用下产生的，I号窑洞的底部中心处竖直位移正向最大，为19.48 mm，该处同时受到了上部土体和两侧土体的压力，使得底部进口处发生了向上的隆起；拱顶处的竖直位移在负方向上最大，为17.17 mm，该处主要受到窑洞上部土体的自重作用，发生下沉。

发生变形后，窑洞会出现顶压，若顶压持续时间过久，压力会超过土层的抗拉强度，导致窑顶开始出现裂隙，窑洞产生破坏。故应在窑脸处对拱顶进行加固，以防患未然。窑洞在建成之后，会缓慢的达到自稳定的状态，各点的沉降值也会逐渐减小，因此在考虑采空区作用之前，应先将自重产生的位移清零。

图3 窑洞在自重作用下的竖直位移云图

2.2 开采厚度的影响

受到采空区影响后，由于窑洞特有的自支撑结构且整体处于土层内部，故沉降量从拱顶至两侧底部逐渐减小。在完成所有的模拟计算后，发现窑洞最大沉降量出现在拱顶处，最小沉降量出现在窑洞底部中心处，故以下分析只选取I号窑洞的拱顶和底部中心作为监测点，用以分析窑洞的稳定性。

选取开采深度为40 m、工作面推进度为80 m、窑洞位于采空区中央正上方时的情况，计算不同开采厚度条件下，窑洞拱顶及底部中心的沉降量的变化值。开采厚度分别取2 m、4 m、6 m，结果如图4所示，图4中负号仅表示方向，下文分析均以沉降量的绝对值为研究对象。

图4 窑洞沉降量随开采厚度的变化规律

由图4可以看出，随着开采厚度的不断增大，窑洞拱顶及底部中心的沉降量也随之增大，二者变化趋势一致，沉降量变化值与开采厚度呈近似线性关系；当采厚为2 m时，最大沉降量为64.63 mm，最小沉降量为52.12 mm；采厚为6 m时，最大沉降量为80.99 mm，最小沉降量为68.62 mm；相对于采厚2 m的情况，采厚为6 m时的最大沉降量增大了约20%，最小沉降量增大了约24%，沉降差出现略微减小的现象，但变化幅度很小。

开采厚度越大，窑洞沉降量越大，这是由于采空区上方垮落带高度与开采厚度成正比关系。垮落带高度随着开采厚度的增大而增大，断裂带、弯曲带的影响范围也随之增大，使岩石的移动过程更加剧烈，这会导致上覆岩层的垂直位移增大，从而造成了采空区覆岩结构失去稳定性，进一步地破坏土体的初始平衡状态；同时在窑洞自身荷载作用下，垮落带、断裂带岩体进一步活化，最终致使窑洞沉降值更大，故应选择合理的开采厚度以保证窑洞的沉降值在安全范围内。

根据模拟结果，回归求得窑洞最大、最小沉降量与开采厚度的关系，分别见式(1)、式(2)。

Wmax=-56.147-4.087M

(1)

Wmin=-43.557-4.125M

(2)

式中，M为开采厚度，单位为m。

2.3 开采深度的影响

选取开采厚度4 m、工作面推进度80 m、窑洞位于采空区中央正上方时的情况。计算不同开采深度条件下，窑洞拱顶及底部中心的沉降量变化值。开采深度分别取40 m、45 m、50 m、60 m、80 m，结果见图5。

图5 窑洞沉降量随开采深度的变化规律

由图5可以看出，随着开采深度的增大，窑洞拱顶及底部中心的沉降量随之减小。开采深度从40 m增大到60 m时，拱顶沉降量由71.86 mm减小到29.33 mm，减少约59%。底部沉降量由59.43 mm减小到16.60 mm，减少约72%。开采深度小于60 m时对拱顶及底部中心处的沉降量影响很大，而当开采深度大于60 m时，拱顶与底部进口处的沉降量变化相对较小。这说明存在一临界深厚比(本文中采空区临界深厚比为15)，超过此深厚比时，采空区开采深度对窑洞沉降的影响较小。

开采深度越大，窑洞沉降量越小，这是由于当采厚不变时，垮落带和断裂带的高度是确定的；此时开采深度决定了弯曲带的厚度。采深越大，弯曲带厚度越大，变形延伸到地表所需时间越长，致使地表下沉速度减小；同时垂直应力增加，位于采空区上方的弯曲带岩层可形成压力拱，而采深越大，压力拱效应就越明显，对地表附近岩层的作用越小，即开采深度的增加有利于提高窑洞的稳定性。

2.4 开采工作面推进度的影响

选取采厚为4 m、开采深度为40 m、窑洞位于采空区正上方时的情况，计算得到窑洞拱顶与底部中心沉降量随工作面推进度的变化见图6。工作面推进度为20 m、40 m、60 m、80 m、100 m。

由图6可知，随着工作面推进度的增大，拱顶和底部中心的沉降量逐渐增大。从20 m推进至60 m时，变化趋势比较缓慢，拱顶沉降量由14.94 mm增大至25.98 mm，增大约42%；底部中心沉降量由2.11 mm增大至13.37 mm，增大约84%；当推进度大于60 m时，沉降量开始大幅度增加，且变化速率很快。即当工作面推进度由60 m增大到100 m时，拱顶沉降量由25.98 mm迅速增大至161.97 mm，增大约84%；底部中心沉降量由13.37 mm增大至146.78 mm，增大约91%。

煤矿开挖会扰动周围岩层，从而引起地层移动和变形，这势必会对地表窑洞造成影响。随着推进度的不断增大，地表的移动和变形破坏了窑洞自身的初始应力平衡，在形成新的应力平衡过程中，窑洞产生附加应力，强度随之降低，抗剪能力减弱。导致窑洞自身结构从底部到拱顶遭到不同程度的破坏，即工作面推进度越大，对窑洞稳定性越不利。

2.5 窑洞与采空区相对位置的影响

窑洞位于采空区上方不同位置时，其沉降规律也不相同，因此模拟窑洞位于采空区中央正上方和位于采空区边界正上方时的两种情况。选取开采厚度为6 m、开采深度为40 m、工作面推进度为40 m时的情况，得到窑洞位于采空上方不同位置时拱顶与底部中心的沉降量(表2)。由表2可知，当窑洞位于采空区正上方时，其沉降值较大。

图6 窑洞沉降量随工作面推进度的变化规律

表2 窑洞位于采空区不同位置处沉降量变化值

相对位置拱顶(mm)底部中心(mm)位于采空区正上方-1887-661位于采空区边界上方-1746-469

进一步分析两种相对位置下窑洞在进深方向的不均匀变形。在窑洞基础的深度方向(图2中Y方向)两端各设置一观测点，以这两点的沉降差作为房屋不均匀沉陷的指标，则距离窑洞基础中心不同距离处，房屋前后的不均匀沉降差见图7。

分析图7并结合表2，由于三孔窑洞的受力对称性，与窑洞基础中心不同距离处的监测点的沉降值变化情况呈左右对称。虽然窑洞位于采空区中央上方时的拱顶沉降量较大，但基础不均匀沉降差较小，与其相比，窑洞位于采空区边界上方时，其基础各组监测点的不均匀沉降差均增大。

窑洞位于采空区中央正上方时，覆岩充分破坏，水平离层、裂缝发育完善，造成下沉较大，但分布较为均匀的现象。当窑洞位于采空区边界上方时，由开采引起的覆岩裂隙发育程度不同，采空区一侧的窑洞下沉更大，使地表产生了显著的位移差，这种情况会造成窑洞变形更加不均匀，窑洞的稳定性更差。因此应避免将房屋建在与采空区边界相交的区域。

3 采空区充填对窑洞的影响

在本文计算条件下，选取使窑洞产生最大沉降位移的一组作为研究对象，即开采深度为40 m、开采厚度为6 m、工作面推进度为100 m、房子位于采空区中央正上方时的情况，分析采空区充填前后对窑洞沉降值的影响，结果见表3。

计算结果表明：煤矿开采后及时充填，有利于提高窑洞的稳定性，即最大沉降值减少约70%，最小沉降值减小约75%。

图7 窑洞底部监测点的不均匀沉降差变化

表3 不同情况下窑洞沉降变形

拱顶(mm)底部中心(mm)采空区未充填-216-204采空区充填后-6496-5156变化率70%75%

4 结 论

与仅受自重时相比，窑洞受采空区影响时，拱顶和底部中心的沉降量发生了较大的变化，故采空区的影响不可忽视。本文对影响窑洞稳定性的主要因素进行了分析，结论如下所述。

1)受采空区影响时，窑洞从拱顶至底部沉降量逐渐减小，应在窑脸处对拱顶进行加固，避免裂隙的产生。

2)窑洞的沉降量随开采厚度的增大而线性增大，即开采厚度的增大会降低窑洞的稳定性。

3)窑洞沉降量随开采深度的增大而减小，在开采未达到临界深厚比时，开采深度对窑洞沉降量的影响较大，而当超过这一深厚比后，开采深度对窑洞沉降量无明显影响。

4)窑洞沉降量及其变化率随着工作面推进度的增加而增大，在煤矿开采时，应结合矿区建筑物的具体要求，合理安排掘进深度。

5)窑洞处于采空区边界上方时，虽然沉降量较小，但不均匀沉降更加明显，这会对窑洞稳定性造成严重影响，应尽量避免将建筑物建在与采空区边界相交的区域。

6)煤矿开采后及时填充，可利于提高窑洞稳定性，使其沉降值明显减小。即采空区充填可有效解决地表建筑物的沉降变形问题。

[1] 张海波，宋卫东.基于FLAC3D数值模拟的采空区稳定性分析[J].黄金，2013，34(3)：31-34.

[2] 马榕，李凤明，吴德儒，等.采煤引起窑洞破坏的原因及其对策[J].煤矿开采，1999，36(3)：13-15.

[3] 刘永，张志军，贺桂成，等.某矿山地下采空区对地表稳定性的影响研究[J].中国矿业，2012，21(9)：118-121.

[4] 井征博，路世豹，蔡文进，等.采动引起的地表变形对框架结构的影响[J].青岛理工大学学报，2011，32(2)：27-32.

[5] 张健，王佳玲，李志明，等.构造措施对采空区砌体结构抗变形的影响分析[J].中国矿业，2012，21(9)：106-110.

[6] 贺丽萍，于永江.采空区建筑物地基稳定性影响因素分析[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30(6)：814-817.

[7] 童丽萍，韩翠萍.黄土窑居自支撑结构体系的研究[J].四川建筑科学研究，2009，35(2)：71-73.

[8] 孙超，薄景山，刘红帅，等.采空区地表沉降影响因素研究[J].吉林大学学报：地球科学版，2009，39(3)：498-502.

[9] 陈莉粉.黄土地区窑洞建筑中结构稳定性的研究[D].西安：西安科技大学，2012.

Study on the stability of the cave dwelling above mined-out area

XUE Dandan，GOU Ruijun，MA Zhenyu，WANG Xuelei，ZHAO Yanbing，ZHENG Junjie

(School of Chemical and Environment Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Settlement deformation of surface buildings would occur because of coal mining inevitably，it would cause the deformation failure of cave dwelling if vertical settlement beyond the prescribed scope.In order to analyze the effects of goaf on the stability of surficial cave dwelling，the settlement regularities and stress characteristics of the cave dwellings was studied by FLAC3D.It shows that the settlement under the influence of mined-out area decreases from dome to bottom of cave.Cave settlement decreases as the increase of the mining thickness and face advance and enlarges as the mining depth.The maximum settlement occurred when the cave was located above the mined-out area，and the most obvious asymmetry settlement can be observed when the cave was located above the goaf area boundary.The results can provide reference for the study about the effects of buildings on the goaf surface.

mined-out area；FLAC3D；cave dwelling；building stability

2016-06-27

薛丹丹(1992-)，女，山西太原人，硕士研究生，研究方向为矿区建筑安全，E-mail：727595992@qq.com。

苟瑞君(1968-)，女，教授，硕士生导师，研究方向为安全科学与技术。

TD325

A

1004-4051(2017)02-0129-04