采空區對地表窯洞穩定性的影響研究

薛丹丹，茍瑞君，馬震宇，王學雷，趙燕兵，鄭俊杰

(中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051)

采空區對地表窯洞穩定性的影響研究

薛丹丹，茍瑞君，馬震宇，王學雷，趙燕兵，鄭俊杰

(中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051)

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

采空區；FLAC3D；窯洞；建筑穩定性

目前國內許多建筑物都位于煤礦采空區上方，采空區的存在破壞了巖體原有的應力平衡狀態，當開采規模達到一定程度后，會導致地表沉陷，對處于沉陷范圍內的建筑物造成影響，嚴重時甚至發生房屋倒塌、人員傷亡的事故[1]。因此研究采空區對地表建筑的影響具有現實意義。

地表建筑結構的穩定性分析已經較為成熟，但受采空區影響的地表黃土窯洞的穩定性分析較少。馬榕等從采動影響對窯洞變形破壞的規律出發，論述了采空區引起窯洞變形破壞的若干因素[2]；劉永等應用FLAC3D軟件和自編接口程序，研究了采空區對地面沉降的影響[3]；井征博等通過人為地給柱腳支座以支座沉陷，模擬采空區引起的地表變形對框架結構的影響[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律進行了合理預測[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，對地表建筑物的穩定性進行了分析[6]。

本文針對黃土高原特有的窯洞建筑，借助專業的巖土工程數值模擬軟件FLAC3D對采空區地表三孔窯洞的穩定性進行計算分析，研究了窯洞受不同的采空區參數影響時，沉降量的變化規律。

1 數值模擬

1.1 模型參數

1.1.1 窯洞和礦區模型幾何參數

經過對窯洞的實地考察測量及參考相關文獻[7]，建立窯洞模型如圖1所示，窯洞進深(Y方向)為6 m，之后設立2 m的土體，以模擬真實窯洞與洞后土體的連接。

礦區計算模型如圖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中央正上方及邊界正上方兩種情況進行分析。

圖1 窯洞尺寸

圖2 計算模型(單位：m)

1.1.2 材料參數

黃土窯洞與礦區材料選用Mohr-Coulomb模型，采空區開挖部分選用null模型。所需的材料參數有：密度ρ、體積模量G、剪切模量K、內聚力c、內摩擦角φ、抗拉強度σt，如表1所示[8-9]。

1.2 模擬方案

對礦區的四個側面(X和Y方向)進行法向位移約束，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力；采空區無邊界條件的約束，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；地表窯洞和礦區采用Attach命令完成共節點。

2 模擬結果與分析

三孔窯洞自身結構存在對稱性，I號、III號窯洞對應的各監測點沉降量相同，且均大于II號窯洞的對應沉降量，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，是無采空區影響時窯洞在自重作用下產生的，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土體的壓力，使得底部進口處發生了向上的隆起；拱頂處的豎直位移在負方向上最大，為17.17 mm，該處主要受到窯洞上部土體的自重作用，發生下沉。

發生變形后，窯洞會出現頂壓，若頂壓持續時間過久，壓力會超過土層的抗拉強度，導致窯頂開始出現裂隙，窯洞產生破壞。故應在窯臉處對拱頂進行加固，以防患未然。窯洞在建成之后，會緩慢的達到自穩定的狀態，各點的沉降值也會逐漸減小，因此在考慮采空區作用之前，應先將自重產生的位移清零。

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

受到采空區影響后，由于窯洞特有的自支撐結構且整體處于土層內部，故沉降量從拱頂至兩側底部逐漸減小。在完成所有的模擬計算后，發現窯洞最大沉降量出現在拱頂處，最小沉降量出現在窯洞底部中心處，故以下分析只選取I號窯洞的拱頂和底部中心作為監測點，用以分析窯洞的穩定性。

選取開采深度為40 m、工作面推進度為80 m、窯洞位于采空區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，結果如圖4所示，圖4中負號僅表示方向，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系；當采厚為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%，沉降差出現略微減小的現象，但變化幅度很小。

開采厚度越大，窯洞沉降量越大，這是由于采空區上方垮落帶高度與開采厚度成正比關系。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，這會導致上覆巖層的垂直位移增大，從而造成了采空區覆巖結構失去穩定性，進一步地破壞土體的初始平衡狀態；同時在窯洞自身荷載作用下，垮落帶、斷裂帶巖體進一步活化，最終致使窯洞沉降值更大，故應選擇合理的開采厚度以保證窯洞的沉降值在安全范圍內。

根據模擬結果，回歸求得窯洞最大、最小沉降量與開采厚度的關系，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、工作面推進度80 m、窯洞位于采空區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，結果見圖5。

圖5 窯洞沉降量隨開采深度的變化規律

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，而當開采深度大于60 m時，拱頂與底部進口處的沉降量變化相對較小。這說明存在一臨界深厚比(本文中采空區臨界深厚比為15)，超過此深厚比時，采空區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小；同時垂直應力增加，位于采空區上方的彎曲帶巖層可形成壓力拱，而采深越大，壓力拱效應就越明顯，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定性。

2.4 開采工作面推進度的影響

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度的變化見圖6。工作面推進度為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m。

由圖6可知，隨著工作面推進度的增大，拱頂和底部中心的沉降量逐漸增大。從20 m推進至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%；當推進度大于60 m時，沉降量開始大幅度增加，且變化速率很快。即當工作面推進度由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力平衡，在形成新的應力平衡過程中，窯洞產生附加應力，強度隨之降低，抗剪能力減弱。導致窯洞自身結構從底部到拱頂遭到不同程度的破壞，即工作面推進度越大，對窯洞穩定性越不利。

2.5 窯洞與采空區相對位置的影響

窯洞位于采空區上方不同位置時，其沉降規律也不相同，因此模擬窯洞位于采空區中央正上方和位于采空區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，當窯洞位于采空區正上方時，其沉降值較大。

圖6 窯洞沉降量隨工作面推進度的變化規律

表2 窯洞位于采空區不同位置處沉降量變化值

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

進一步分析兩種相對位置下窯洞在進深方向的不均勻變形。在窯洞基礎的深度方向(圖2中Y方向)兩端各設置一觀測點，以這兩點的沉降差作為房屋不均勻沉陷的指標，則距離窯洞基礎中心不同距離處，房屋前后的不均勻沉降差見圖7。

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

窯洞位于采空區中央正上方時，覆巖充分破壞，水平離層、裂縫發育完善，造成下沉較大，但分布較為均勻的現象。當窯洞位于采空區邊界上方時，由開采引起的覆巖裂隙發育程度不同，采空區一側的窯洞下沉更大，使地表產生了顯著的位移差，這種情況會造成窯洞變形更加不均勻，窯洞的穩定性更差。因此應避免將房屋建在與采空區邊界相交的區域。

3 采空區充填對窯洞的影響

在本文計算條件下，選取使窯洞產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、工作面推進度為100 m、房子位于采空區中央正上方時的情況，分析采空區充填前后對窯洞沉降值的影響，結果見表3。

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

圖7 窯洞底部監測點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)采空區未充填-216-204采空區充填后-6496-5156變化率70%75%

4 結 論

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

1)受采空區影響時，窯洞從拱頂至底部沉降量逐漸減小，應在窯臉處對拱頂進行加固，避免裂隙的產生。

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定性。

3)窯洞沉降量隨開采深度的增大而減小，在開采未達到臨界深厚比時，開采深度對窯洞沉降量的影響較大，而當超過這一深厚比后，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度的增加而增大，在煤礦開采時，應結合礦區建筑物的具體要求，合理安排掘進深度。

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

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

[1] 張海波，宋衛東.基于FLAC3D數值模擬的采空區穩定性分析[J].黃金，2013，34(3)：31-34.

[2] 馬榕，李鳳明，吳德儒，等.采煤引起窯洞破壞的原因及其對策[J].煤礦開采，1999，36(3)：13-15.

[3] 劉永，張志軍，賀桂成，等.某礦山地下采空區對地表穩定性的影響研究[J].中國礦業，2012，21(9)：118-121.

[4] 井征博，路世豹，蔡文進，等.采動引起的地表變形對框架結構的影響[J].青島理工大學學報，2011，32(2)：27-32.

[5] 張健，王佳玲，李志明，等.構造措施對采空區砌體結構抗變形的影響分析[J].中國礦業，2012，21(9)：106-110.

[6] 賀麗萍，于永江.采空區建筑物地基穩定性影響因素分析[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2011，30(6)：814-817.

[7] 童麗萍，韓翠萍.黃土窯居自支撐結構體系的研究[J].四川建筑科學研究，2009，35(2)：71-73.

[8] 孫超，薄景山，劉紅帥，等.采空區地表沉降影響因素研究[J].吉林大學學報：地球科學版，2009，39(3)：498-502.

[9] 陳莉粉.黃土地區窯洞建筑中結構穩定性的研究[D].西安：西安科技大學，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，碩士研究生，研究方向為礦區建筑安全，E-mail：727595992@qq.com。

茍瑞君(1968-)，女，教授，碩士生導師，研究方向為安全科學與技術。

TD325

A

1004-4051(2017)02-0129-04