薛丹丹，茍瑞君，馬震宇，王學(xué)雷，趙燕兵，鄭俊杰

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

采空區(qū)對地表窯洞穩(wěn)定性的影響研究

薛丹丹，茍瑞君，馬震宇，王學(xué)雷，趙燕兵，鄭俊杰

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

煤礦開采必然會引起地表建筑物的沉降變形，若沉降量超出規(guī)定范圍，將會導(dǎo)致窯洞的變形破壞。為分析采空區(qū)對地表窯洞穩(wěn)定性的影響，本文利用FLAC3D軟件，研究了地表窯洞受采空區(qū)影響時的沉降變形與破壞規(guī)律。結(jié)果表明：窯洞受采空區(qū)影響時，從拱頂至底部沉降量逐漸減??；窯洞沉降量隨開采厚度和工作面推進(jìn)度的增大而增大，但隨開采深度的增大而減??；窯洞位于采空區(qū)中央正上方時沉降量最大，而位于采空區(qū)邊界上方時，窯洞的不均勻沉降最明顯；煤礦開采后及時填充，可利于提高窯洞穩(wěn)定性。本文結(jié)論為研究采空區(qū)對地表建筑物的影響提供了參考。

采空區(qū)；FLAC3D；窯洞；建筑穩(wěn)定性

目前國內(nèi)許多建筑物都位于煤礦采空區(qū)上方，采空區(qū)的存在破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)開采規(guī)模達(dá)到一定程度后，會導(dǎo)致地表沉陷，對處于沉陷范圍內(nèi)的建筑物造成影響，嚴(yán)重時甚至發(fā)生房屋倒塌、人員傷亡的事故[1]。因此研究采空區(qū)對地表建筑的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

地表建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析已經(jīng)較為成熟，但受采空區(qū)影響的地表黃土窯洞的穩(wěn)定性分析較少。馬榕等從采動影響對窯洞變形破壞的規(guī)律出發(fā)，論述了采空區(qū)引起窯洞變形破壞的若干因素[2]；劉永等應(yīng)用FLAC3D軟件和自編接口程序，研究了采空區(qū)對地面沉降的影響[3]；井征博等通過人為地給柱腳支座以支座沉陷，模擬采空區(qū)引起的地表變形對框架結(jié)構(gòu)的影響[4]；程占博等采用概率積分法及典型曲線法對開采工作面引起的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了合理預(yù)測[5]；賀麗萍等采用FLAC3D軟件，通過改變松散層厚度、煤層傾角等因素，對地表建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[6]。

本文針對黃土高原特有的窯洞建筑，借助專業(yè)的巖土工程數(shù)值模擬軟件FLAC3D對采空區(qū)地表三孔窯洞的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，研究了窯洞受不同的采空區(qū)參數(shù)影響時，沉降量的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)

1.1.1 窯洞和礦區(qū)模型幾何參數(shù)

經(jīng)過對窯洞的實(shí)地考察測量及參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]，建立窯洞模型如圖1所示，窯洞進(jìn)深(Y方向)為6 m，之后設(shè)立2 m的土體，以模擬真實(shí)窯洞與洞后土體的連接。

礦區(qū)計算模型如圖2所示，從上到下分為黏土和砂巖兩層，地表覆蓋土層為2 m的黏土，其下為厚度118 m的砂巖。采空區(qū)位于砂巖中，煤層平均傾角α為6°，模擬時可視為水平。工作面寬度(X方向)為40 m，同時考慮到采空區(qū)上方不同位置的建筑物，其受力變化也不同，故分別選取了窯洞位于采空區(qū)中央正上方及邊界正上方兩種情況進(jìn)行分析。

圖1 窯洞尺寸

圖2 計算模型(單位：m)

1.1.2 材料參數(shù)

黃土窯洞與礦區(qū)材料選用Mohr-Coulomb模型，采空區(qū)開挖部分選用null模型。所需的材料參數(shù)有：密度ρ、體積模量G、剪切模量K、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、抗拉強(qiáng)度σt，如表1所示[8-9]。

1.2 模擬方案

對礦區(qū)的四個側(cè)面(X和Y方向)進(jìn)行法向位移約束，底面全約束，以保證豎直方向自由沉降；窯洞無約束，只考慮窯洞的自重應(yīng)力；采空區(qū)無邊界條件的約束，允許其大變形；在地表施加-5.6 kPa的均布荷載，以模擬車輛和行人通過的情況；地表窯洞和礦區(qū)采用Attach命令完成共節(jié)點(diǎn)。

2 模擬結(jié)果與分析

三孔窯洞自身結(jié)構(gòu)存在對稱性，I號、III號窯洞對應(yīng)的各監(jiān)測點(diǎn)沉降量相同，且均大于II號窯洞的對應(yīng)沉降量，故下文只針對I號窯洞展開分析。

2.1 窯洞未受采空區(qū)的影響分析

為清楚地分析不同因素對窯洞沉降的影響，截取窯洞部分的豎直位移云圖(圖3)。圖3所示的豎直位移，是無采空區(qū)影響時窯洞在自重作用下產(chǎn)生的，I號窯洞的底部中心處豎直位移正向最大，為19.48 mm，該處同時受到了上部土體和兩側(cè)土體的壓力，使得底部進(jìn)口處發(fā)生了向上的隆起；拱頂處的豎直位移在負(fù)方向上最大，為17.17 mm，該處主要受到窯洞上部土體的自重作用，發(fā)生下沉。

發(fā)生變形后，窯洞會出現(xiàn)頂壓，若頂壓持續(xù)時間過久，壓力會超過土層的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致窯頂開始出現(xiàn)裂隙，窯洞產(chǎn)生破壞。故應(yīng)在窯臉處對拱頂進(jìn)行加固，以防患未然。窯洞在建成之后，會緩慢的達(dá)到自穩(wěn)定的狀態(tài)，各點(diǎn)的沉降值也會逐漸減小，因此在考慮采空區(qū)作用之前，應(yīng)先將自重產(chǎn)生的位移清零。

圖3 窯洞在自重作用下的豎直位移云圖

2.2 開采厚度的影響

受到采空區(qū)影響后，由于窯洞特有的自支撐結(jié)構(gòu)且整體處于土層內(nèi)部，故沉降量從拱頂至兩側(cè)底部逐漸減小。在完成所有的模擬計算后，發(fā)現(xiàn)窯洞最大沉降量出現(xiàn)在拱頂處，最小沉降量出現(xiàn)在窯洞底部中心處，故以下分析只選取I號窯洞的拱頂和底部中心作為監(jiān)測點(diǎn)，用以分析窯洞的穩(wěn)定性。

選取開采深度為40 m、工作面推進(jìn)度為80 m、窯洞位于采空區(qū)中央正上方時的情況，計算不同開采厚度條件下，窯洞拱頂及底部中心的沉降量的變化值。開采厚度分別取2 m、4 m、6 m，結(jié)果如圖4所示，圖4中負(fù)號僅表示方向，下文分析均以沉降量的絕對值為研究對象。

圖4 窯洞沉降量隨開采厚度的變化規(guī)律

由圖4可以看出，隨著開采厚度的不斷增大，窯洞拱頂及底部中心的沉降量也隨之增大，二者變化趨勢一致，沉降量變化值與開采厚度呈近似線性關(guān)系；當(dāng)采厚為2 m時，最大沉降量為64.63 mm，最小沉降量為52.12 mm；采厚為6 m時，最大沉降量為80.99 mm，最小沉降量為68.62 mm；相對于采厚2 m的情況，采厚為6 m時的最大沉降量增大了約20%，最小沉降量增大了約24%，沉降差出現(xiàn)略微減小的現(xiàn)象，但變化幅度很小。

開采厚度越大，窯洞沉降量越大，這是由于采空區(qū)上方垮落帶高度與開采厚度成正比關(guān)系。垮落帶高度隨著開采厚度的增大而增大，斷裂帶、彎曲帶的影響范圍也隨之增大，使巖石的移動過程更加劇烈，這會導(dǎo)致上覆巖層的垂直位移增大，從而造成了采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，進(jìn)一步地破壞土體的初始平衡狀態(tài)；同時在窯洞自身荷載作用下，垮落帶、斷裂帶巖體進(jìn)一步活化，最終致使窯洞沉降值更大，故應(yīng)選擇合理的開采厚度以保證窯洞的沉降值在安全范圍內(nèi)。

根據(jù)模擬結(jié)果，回歸求得窯洞最大、最小沉降量與開采厚度的關(guān)系，分別見式(1)、式(2)。

Wmax=-56.147-4.087M

(1)

Wmin=-43.557-4.125M

(2)

式中，M為開采厚度，單位為m。

2.3 開采深度的影響

選取開采厚度4 m、工作面推進(jìn)度80 m、窯洞位于采空區(qū)中央正上方時的情況。計算不同開采深度條件下，窯洞拱頂及底部中心的沉降量變化值。開采深度分別取40 m、45 m、50 m、60 m、80 m，結(jié)果見圖5。

圖5 窯洞沉降量隨開采深度的變化規(guī)律

由圖5可以看出，隨著開采深度的增大，窯洞拱頂及底部中心的沉降量隨之減小。開采深度從40 m增大到60 m時，拱頂沉降量由71.86 mm減小到29.33 mm，減少約59%。底部沉降量由59.43 mm減小到16.60 mm，減少約72%。開采深度小于60 m時對拱頂及底部中心處的沉降量影響很大，而當(dāng)開采深度大于60 m時，拱頂與底部進(jìn)口處的沉降量變化相對較小。這說明存在一臨界深厚比(本文中采空區(qū)臨界深厚比為15)，超過此深厚比時，采空區(qū)開采深度對窯洞沉降的影響較小。

開采深度越大，窯洞沉降量越小，這是由于當(dāng)采厚不變時，垮落帶和斷裂帶的高度是確定的；此時開采深度決定了彎曲帶的厚度。采深越大，彎曲帶厚度越大，變形延伸到地表所需時間越長，致使地表下沉速度減??；同時垂直應(yīng)力增加，位于采空區(qū)上方的彎曲帶巖層可形成壓力拱，而采深越大，壓力拱效應(yīng)就越明顯，對地表附近巖層的作用越小，即開采深度的增加有利于提高窯洞的穩(wěn)定性。

2.4 開采工作面推進(jìn)度的影響

選取采厚為4 m、開采深度為40 m、窯洞位于采空區(qū)正上方時的情況，計算得到窯洞拱頂與底部中心沉降量隨工作面推進(jìn)度的變化見圖6。工作面推進(jìn)度為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m。

由圖6可知，隨著工作面推進(jìn)度的增大，拱頂和底部中心的沉降量逐漸增大。從20 m推進(jìn)至60 m時，變化趨勢比較緩慢，拱頂沉降量由14.94 mm增大至25.98 mm，增大約42%；底部中心沉降量由2.11 mm增大至13.37 mm，增大約84%；當(dāng)推進(jìn)度大于60 m時，沉降量開始大幅度增加，且變化速率很快。即當(dāng)工作面推進(jìn)度由60 m增大到100 m時，拱頂沉降量由25.98 mm迅速增大至161.97 mm，增大約84%；底部中心沉降量由13.37 mm增大至146.78 mm，增大約91%。

煤礦開挖會擾動周圍巖層，從而引起地層移動和變形，這勢必會對地表窯洞造成影響。隨著推進(jìn)度的不斷增大，地表的移動和變形破壞了窯洞自身的初始應(yīng)力平衡，在形成新的應(yīng)力平衡過程中，窯洞產(chǎn)生附加應(yīng)力，強(qiáng)度隨之降低，抗剪能力減弱。導(dǎo)致窯洞自身結(jié)構(gòu)從底部到拱頂遭到不同程度的破壞，即工作面推進(jìn)度越大，對窯洞穩(wěn)定性越不利。

2.5 窯洞與采空區(qū)相對位置的影響

窯洞位于采空區(qū)上方不同位置時，其沉降規(guī)律也不相同，因此模擬窯洞位于采空區(qū)中央正上方和位于采空區(qū)邊界正上方時的兩種情況。選取開采厚度為6 m、開采深度為40 m、工作面推進(jìn)度為40 m時的情況，得到窯洞位于采空上方不同位置時拱頂與底部中心的沉降量(表2)。由表2可知，當(dāng)窯洞位于采空區(qū)正上方時，其沉降值較大。

圖6 窯洞沉降量隨工作面推進(jìn)度的變化規(guī)律

表2 窯洞位于采空區(qū)不同位置處沉降量變化值

相對位置拱頂(mm)底部中心(mm)位于采空區(qū)正上方-1887-661位于采空區(qū)邊界上方-1746-469

進(jìn)一步分析兩種相對位置下窯洞在進(jìn)深方向的不均勻變形。在窯洞基礎(chǔ)的深度方向(圖2中Y方向)兩端各設(shè)置一觀測點(diǎn)，以這兩點(diǎn)的沉降差作為房屋不均勻沉陷的指標(biāo)，則距離窯洞基礎(chǔ)中心不同距離處，房屋前后的不均勻沉降差見圖7。

分析圖7并結(jié)合表2，由于三孔窯洞的受力對稱性，與窯洞基礎(chǔ)中心不同距離處的監(jiān)測點(diǎn)的沉降值變化情況呈左右對稱。雖然窯洞位于采空區(qū)中央上方時的拱頂沉降量較大，但基礎(chǔ)不均勻沉降差較小，與其相比，窯洞位于采空區(qū)邊界上方時，其基礎(chǔ)各組監(jiān)測點(diǎn)的不均勻沉降差均增大。

窯洞位于采空區(qū)中央正上方時，覆巖充分破壞，水平離層、裂縫發(fā)育完善，造成下沉較大，但分布較為均勻的現(xiàn)象。當(dāng)窯洞位于采空區(qū)邊界上方時，由開采引起的覆巖裂隙發(fā)育程度不同，采空區(qū)一側(cè)的窯洞下沉更大，使地表產(chǎn)生了顯著的位移差，這種情況會造成窯洞變形更加不均勻，窯洞的穩(wěn)定性更差。因此應(yīng)避免將房屋建在與采空區(qū)邊界相交的區(qū)域。

3 采空區(qū)充填對窯洞的影響

在本文計算條件下，選取使窯洞產(chǎn)生最大沉降位移的一組作為研究對象，即開采深度為40 m、開采厚度為6 m、工作面推進(jìn)度為100 m、房子位于采空區(qū)中央正上方時的情況，分析采空區(qū)充填前后對窯洞沉降值的影響，結(jié)果見表3。

計算結(jié)果表明：煤礦開采后及時充填，有利于提高窯洞的穩(wěn)定性，即最大沉降值減少約70%，最小沉降值減小約75%。

圖7 窯洞底部監(jiān)測點(diǎn)的不均勻沉降差變化

表3 不同情況下窯洞沉降變形

拱頂(mm)底部中心(mm)采空區(qū)未充填-216-204采空區(qū)充填后-6496-5156變化率70%75%

4 結(jié) 論

與僅受自重時相比，窯洞受采空區(qū)影響時，拱頂和底部中心的沉降量發(fā)生了較大的變化，故采空區(qū)的影響不可忽視。本文對影響窯洞穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行了分析，結(jié)論如下所述。

1)受采空區(qū)影響時，窯洞從拱頂至底部沉降量逐漸減小，應(yīng)在窯臉處對拱頂進(jìn)行加固，避免裂隙的產(chǎn)生。

2)窯洞的沉降量隨開采厚度的增大而線性增大，即開采厚度的增大會降低窯洞的穩(wěn)定性。

3)窯洞沉降量隨開采深度的增大而減小，在開采未達(dá)到臨界深厚比時，開采深度對窯洞沉降量的影響較大，而當(dāng)超過這一深厚比后，開采深度對窯洞沉降量無明顯影響。

4)窯洞沉降量及其變化率隨著工作面推進(jìn)度的增加而增大，在煤礦開采時，應(yīng)結(jié)合礦區(qū)建筑物的具體要求，合理安排掘進(jìn)深度。

5)窯洞處于采空區(qū)邊界上方時，雖然沉降量較小，但不均勻沉降更加明顯，這會對窯洞穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，應(yīng)盡量避免將建筑物建在與采空區(qū)邊界相交的區(qū)域。

6)煤礦開采后及時填充，可利于提高窯洞穩(wěn)定性，使其沉降值明顯減小。即采空區(qū)充填可有效解決地表建筑物的沉降變形問題。

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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，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V區(qū)建筑安全，E-mail：727595992@qq.com。

茍瑞君(1968-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榘踩茖W(xué)與技術(shù)。

TD325

A

1004-4051(2017)02-0129-04