土木工程职称论文：采空区现状与处理方案描述

　　土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动，也指工程建设的对象。以下是学习啦小编今天为大家精心准备的土木工程职称相关论文：采空区现状与处理方案描述。内容仅供阅读与参考!
采空区现状与处理方案描述全文如下：

　　【摘 要】本文主要介绍了我国采空区的研究现状，采空区形态，采空区所引起的问题的分析，采空区地基稳定性的研究方法(力平衡分析法，附加应力法，数值分析法)，以及采空区处理的主要方法。

　　1. 绪论

　　(1)随着国民经济的持续发展，不仅事先要选择在地质条件良好的场地上进行工程建设，而且有时也不得不在地质条件不良的场地上进行建设。

　　(2)在采空区上建筑时，有时仅采用地面各种保护措施难以保证地面建筑物的安全，必须进行采空区处理，特别是在浅部的部分开采条件下，废弃采空区顶板跨落、煤柱破碎，或煤柱压入较软的底板，由此造成的上覆岩层移动破坏、地面沉陷常常在开采滞后几十年甚至上百年后都可能发生，沉陷量和沉陷时间难以准确预测，对地面的建筑危害极大;在这种情况下，采空区的处理问题日益突出。本文就采空区现在及采空区处理方法做一个归纳。

　　2. 我国采空区现状

　　2.1 按采煤技术和方法大致分类。

　　(1)目前我国采用的采煤技术，按其明显的特征可分为旱采和水采两大类。水采在上个世纪五十年代到八十年代有一些矿井大规模采用过，从现有采空区总量来看，相对量较少;旱采有20种左右采煤方法，按技术上的不同特点，主要分为壁式采煤方法和柱式采煤方法两大类。

　　(2)壁式采煤方法的工作面较长，少则30～40m，多则200m以上，甚至更长;柱式采煤方法的工作面较短，一般均在30～40m以下，有的只有5～10m。

　　2.2 采空区形态。

　　采煤技术、采煤方法的不同所形成的采空区也不同，目前可能有如下几种采空区形态。

　　(1)长壁工作面全部垮落法所形成的采空区(倾斜或缓倾斜煤层) ，其特征是采空区上覆岩层的破坏具有明显的垮落带、断裂带和弯曲带。

　　(2)回采工作面全部充填或局部充填法所形成的采空区，工作面顶板只是有部分下沉。

　　(3)短壁半垮落条带回采工作面所形成的采空区，其特征是回采时顶板不垮落，过一段时间，顶板形成不充分垮落。

　　(4)短壁非垮落条带回采工作面所形成的采空区，其特征是顶板相当完整，煤层坚硬，采宽小，采留比小，煤柱能形成长久性支撑。

　　3. 采空区所引起的问题

　　(1)目前，地下空区已经成为制约矿山发展及采空区上部城市化发展的一个重要难题 ，随着矿山向深部开采，容易发生坍塌事故，而且受到采空区的影响，很多建筑物无法进行建设，给人们的生活生产带来不便;地下开采残留大量的采场、硐室、巷道没有进行及时处理，对露天开采带来了严重的隐患，同时给矿山工作人员和设备带来严重的威胁。

　　(2)自20世纪末以来，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区，这是影响目前矿山安全生产的主要危害源之一 。山西、广西、甘肃等省的许多矿山都存在大量的采空区，致使矿山开采条件恶化，引起矿柱变形、相邻作业区采场和巷道维护困难、井下大面积冒落、岩移及地表塌陷等，更为严重的是空区突然垮塌的高速气流和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏，这些都给矿山安全生产构成严重威胁，并造成环境恶化、矿产资源严重浪费。

　　4. 采空区治理时应着重考虑的几个影响因素

　　4.1 断层对地表移动与变形的影响。

　　断层对地表移动与变形产生影响的原因在于断层带处岩层的力学强度大大低于周围岩层的力学强度。由于应力的集中作用，故使该处成为岩层变形集中的有利位置;地下煤层开采后，在上覆岩层发生移动与变形的同时，岩层还沿着断层面发生滑动，于是在断层基岩露头处的地表就出现台阶状的破坏。在断层露头处的地表变形加剧，大大地超过了正常值，而位于断层露头两侧附近的地表变形变得缓和，小于正常值。故在建筑物平面布置时，重要建筑物应尽量避开断层基岩露头带。

　　4.2 地下水大量流失对建筑物的影响。

　　煤层回采后凡是断裂带波及到的基岩含水层(砂岩、页岩、石灰岩) ，含水层的水体要溃入工作面。砂岩、页岩含水层水体属于孔隙裂隙水，如果不具备补给条件，经过长期流失会造成含水层被疏干。因含水层水体流失而形成的空洞也是残余变形影响的一个重要因素，不容忽视。

　　4.3 采空区残留煤柱。

　　残留煤柱基本特征是：工作面区段隔离煤柱倾斜长一般10m，不回收;薄煤带属于未开采区;断裂构造煤柱不回收。上山煤柱一般在采区结束前收，只能回收大部分;采区边界煤柱不回收，宽20 m左右;冲积层防水煤柱永久不回收;矿井边界煤柱宽50 ～ 60m，永久不回收;大巷煤柱、工业广场煤柱一般在矿井闭坑前回收。

　　4.4 采空区残留人工工程。

　　一个矿井或采区报废后，采空区残留人工工程主要有上山及联络巷、采区车场、井底车场、水仓及各种硐室大巷、转载硐室等。一般地，矿井的这些工程所涉及的面积和体积都是十分巨大的。这些残留工程因矿井报废失去维护，时间长以后逐渐垮塌。如果这些巷道集中在某段时间垮塌，远比回采2m厚的煤层所带来的地表沉降要严重。因此，在选择建筑地基时应避开残留人工工程区。

　　5. 采空区建筑物地基的稳定性分析方法

　　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。在采空区上方修建建筑物的关键问题是对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。

　　5.1 力平衡分析法。

　　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 两个面上又受到因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，则作用在巷道顶板的压力为：

　　Q=W-2f (1)

　　W=BHγ (2)

　　f=Ptanφ= 1 2 γH2 〔45°- φ 2 〕 (3)

　　P= γH 2t

　　an2 〔45°- φ 2 〕 (4)

　　式中： Q ——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面上的主压应力的最大值，KN/ m;

　　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，m;

　　B ——巷道宽度，m;

　　φ——岩层的内摩擦角 (°) 。

　　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：

　　Q=W+BP0 -2f (5)

　　即：

　　Q = W + B P0 - 2 f=γH[B-HtanφHtan2〔45°- φ 2 〕]+BP0 (6)

　　当H增大至某一深度， 使顶板岩层恰好保持自然平衡状态(即Q = 0) ，此时的H 称为临界深度H0 ，可得临界深度的计算公式：

　　H0= Bγ B2γ2 +4BγP0tanφtan2〔45°- φ 2 〕 2γtanφtan2〔45°- φ 2 〕 (7)

　　当H

　　图1 顶板稳定性示意图

　　5.2 附加应力法。

　　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叠来确定建筑物层数、判断采空区地基稳定性的方法。

　　冒落裂隙带发育高度与建筑物荷载影响深度之间存在三种情况，其中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σz=0.1σc(σc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之间有一定的距离时，这种情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，建筑物会受到较大不均匀沉降的影响。

　　(4)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，而且也只能算作一种定性分析方法。

　　5.3 数值分析法。

　　(1)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生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用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。

　　(2)这些研究成果为进一步研究老采空区在建筑物荷载作用下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岩组合对采空区建筑地基稳定性的影响。

　　(3)老采空区建筑地基稳定性的力学分析是一个极其复杂的问题。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、顶板管理方法等地质采矿条件有关，而且也和新建建筑物荷载的大小、位置、基础类型等密切相关。

　　6. 采空区的处理方法

　　6.1 采空区埋深较小时的处理。

　　对于埋深较小的采空区，一般可选用以下方法进行处理：

　　(1)对于埋深很小的采空区，可采用从地表开挖，一直挖至采空区，然后分层回填夯实。该方法工艺简单，操作简便，施工质量容易检查和控制。

　　(2)开挖后用浆切片(或干切片)分层砌筑、填塞，上面加盖钢筋混凝土盖板。

　　(3)开挖后，用碎石充填后灌注水泥砂浆。

　　(4)高能量强夯法处理采空区上方松散地基。当采空区埋深较浅，而上方为松散地基且厚度较大时，可采用高能量强夯处理松散破碎岩体，提高松散破碎岩体的地基承载力。

　　6.2 采空区埋深较大时的处理。

　　采空区埋深较大时常用的处理方法主要有以下五种：

　　(1)充填注浆法。

　　注浆技术是一项实用性强、应用广泛的工程技术。它的实质是在地面钻孔至老采空区，采用液压、气压或电化学方法，将采空区所有空洞和覆岩裂隙用由水泥、粉煤灰、砂子等混合而成的浆液全部充填和加固，使整个采空区恢复为接近原始岩体状态，彻底消除采动破碎岩体的移动变形空间。为了避免浆液流至地基控制边界以外，需要在地基以外的控制边界处钻孔至采空区，再灌粗骨料填充，注浆固结，以封堵住采空区两端。

　　(2)覆岩结构加固补强法。

　　采用注浆加固技术对上覆岩层结构进行结构补强，增强覆岩结构的长期稳定性。其具体做法是从地面打钻孔，然后压力灌浆，使浆液渗入岩层裂隙，并胶结而使破碎岩体形成一强度高、刚度大，类似于“大板结构”的完整岩体，达到类似于跨越的目的和避免地表塌陷的发生。这种方法具有工程量小、工程费用低、岩体结构稳定、效果好等显著特点，实践表明效果良好。

　　(3)灌注桩法。

　　在采空区上方地表布置大直径钻孔，注入填料和浆液，用浆液固结填料和破碎岩体，在岩层中形成灌注柱，承受上方建筑荷载。

　　(4)设计高架桥跨越采空区。

　　当采空区分布面积过大，充填注浆法造价过高时，可考虑采用高架桥跨越采空区，或者采用处理与高架桥结合的方法处理采空区。

　　(5)综合治理方法。

　　根据实际工程情况，结合以上两种或两种以上的方法处理采空区。

　　7. 结束语

　　7.1 随着城市化进程的发展，城市面积越来越大，在不良场地上的建筑也会越来越多，尤其在资源充分利用和高度开采的今天，会有越来越多的多层、高层、甚至超高层建设在下部或周边存在采空区的区域，对采空区处理的研究也会越来越深入。本文旨在归纳总结前人对采空区的理解及对采空区处理

　　方式方法的总结，希望通过本文让不太了解采空区现状及采空区处理方法的人，对采空区有一个系统的了解。希望越来越多的人参与到采空区处理技术的研究及采空区处理施工的工作中来。

　　7.2 采空区治理技术是矿区建设需要解决的技术难题之一。有很多问题期待我们解决：(1)采空区损伤岩体长期蠕变问题的研究。(2)采空区空间分布范围探测技术的研究。(3)采空区活化机理及处治标准的进一步研究等。

　　最后感谢所有为地质工作默默付出的前辈，没有你们的努力就没有中国地质现今的发展。

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