（岩土工程专业论文）采空区建筑地基稳定性分析的非线性有限元理论和应用研究.pdf

查堕里王查堂堡主堡苎 。! 采空区建筑地基稳定性分析5 1 8 2 3 3 的非线性有限元理论和应用研究 摘要 随着“西部大开发”战略和“可持续发展”战略的实施， 许多公路、铁路、厂房、住宅楼等需要建立在或穿越老采空区 上。由于对老采空区缺乏深入的理论研究和较少工程实践，工 业和民用建筑及交通设施等在附加静荷载和运输工具的动荷载 的影响下，采空区在部分地区出现了“活化”，导致地表残余 变形过大，影响到了正常使用甚至发生了事故。 近年来，计算机技术的飞速进步使数值计算方法不断发展 并广泛应用于科研和工程实践中，包括隧道开挖、矿业工程、 水利工程以及地下工程等。其突出的优点是能够代替昂贵耗时 的试验，对所研究的问题进行数值模拟。 本课题是应用非线性有限元方法研究采空区建筑地基的稳 定性。根据采空区的实际情况，将其抽象为平面应变模型，以 非线性有限元为工具进行计算模拟。在有限元的有效求解过程 中，采用先进的计算机技术，遵循严格的步骤，获得所需要的 结果。其中，课题的研究核心是建立符合实际情况的模型。塑 i 太原理工大学硕士论文 性力学内容包括塑性力学大变形理论，i & r i 咖h h ( 依留申) 塑 性公设，各项同性的等向硬化法则，d p 屈服准则和非相关流动 法则，非线性方程的求解方法采用混合迭代法。研究采空区的应 力分布特征以及在附加荷载作用下的地表残余变形规律和影响 采空区建筑地基稳定性的主要因素。 我们将研究的内容分为六章。前面四章对非线性有限元及 其采空区的基本概念和理论进行了深入研究。第五章是工程实 例，试验资料来自于霍州矿物局辛置煤矿。第六章为结论和进 行下一步研究的建议。 本课题是岩土力学研究中较薄弱的一个环节，涉及到的学 科领域众多。这不但对于岩土力学理论的丰富和发展，而且对 于指导工程实践，都具有积极的意义。 关键词：非线性有限元，采空区，大变形理论，混合迭代 法，地基稳定性 太原理工大学硕士论文 t h es t u d yo nt h en l f e mt h e o r ya n d a p p l i c a t i o ni nt h es t a b i l i t y o f 覃程嚣b 玎l l 戮n gl u n 弱 a t l o nw i t 珏g o 皮f a b s t r a c t t h e a d v a n t a g e so f n u m e r i c a lm e t h o d sa r et op r o v i d eav a l u a b l ea l t e r n a t i v e t o p h y s i c a l m o d e l st h a tc a nb e e x p a n s i v ea n dt i m ec o n s u m i n g n u m e r i c a l m e t h o d sh a v ec o n t i n u e dt oe x p a n da n dd i v e r s i f yi n t oa l lt h em a j o rf i e l d so f s c i e n t i f i ca n de n g i n e e r i n gs t u d i e si n c l u d i n g t u n n e l i n g ，m i n i n g ，a n dc o n s t r u c t i o n o fw a t e rc o n s e r v a n c yf a c i l i t i e sa n du n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s ，a n ds oo n + t h e n o nl i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( n l f e m ) o f t h e mi s a p p l i e dt os t u d yt h e f o u n d a t i o n ss t a b i l i t ya n a l y s i so f g o a l i nt h i ss u b j e c t t h es i t u a t i o n so f g o a f i nt h ef a c t u a ls i t eh a v ea l m o s ta l w a y sb e e n v e r y c o m p l i c a t e d ，s om u c h w o r kh a st od ot oc r e a t eas u i t a b l em o d e lt h a tr e q u i r e db y n l f e m a n dt h eo r d e r so f n l f e mm u s tb e s t r i c t l yf o l l o w e dt oc o r r e c t l ys o l v e t h em o d e la n dt o e a s i l y o b t a i nt h ep r e c i s eo u t c o m ei n c l u d i n gd r a w i n gt h e g e o m e t r i c a lm o d e l ，d e f i n i n gt h ep a r a m e t e r so ft h em o d e l ，m e s h i n gt h em o d e l ， s e t t i n g t h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n di m p o s i n gt h el o a d s t h ec o r eo ft h e r e s e a r c hs u b j e 戎i st oc r e a t et h em o d e l ，a n dt h ek e y g o a l o ft h a ti st h ea n a l y s i so f t h eo u t c o m ea n dd i s c o v e r st h e p r i n c i p l e so ff u n d a m e n t a ld e f o r m a t i o no ft h e g o a fa n dt h em a t e r i a l f a c t o r s a f f e c t i n gt h ef o u n d a t i o ns t a n l i t yo ft h eg o a t a d d i t i o n ，t h ea d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n i q u ei su t i l i z e di ns e a s o n sa n ds o m e k i n d so fs o f t w a r ea r ec o m p r e h e n s i v e l yu s e di nt h i s s u b j e c tt ob ec o m p l e t e d s u c c e s s f u l l y t h ec o n t e n t so ft h i ss u b j e c ta r ed i v i d e di n t os i xc h a p t e r s a n dt h e p r e v i o u s l l i 太原理工大学硕士论文 f o u r c h a p t e r s i su t i l i z e dt od e m o n s t r a t et h eb a s i c c o n c e p t s a n dt h e o r i e s a s s o c i a t e dw i t ht h eg p a fa n dn l f e m ，a n dt h ef i f t hc h a p t e ri s g a v eaf a c t u a l e x a m p l e w h i c hm a t e r i a l si sf r o mx i z h ic o l l i e r ya f f i l i a t e dw i t hh u o z h o u c o a la d m i n i s t r a t i o na n ds i x t hc h a p t e rs u m st h eo u t c o m ea n dp r o p o s e ss o m e a d v i c e st of u r t h e rs t u d y i ns h o r t ，t h i s s t a g g e r e ds u b j e c th a sw i d e l yd r a w ni t s m a t e r i a l sf r o m r e s e a r c hw o r k s p e r f o r m e db y s c h o l a r sa n de n g i n e e r si nm a n y p n c i p l e sa th o m e a n da b r o a di nr e c e n td e c a d e s a n dih o p ei tc a n p r o v i d es o m eh e l pt on e x ts t u d y a n dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：n o nl i n e a rf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，l a r g er e f o r mt h e o r y c o m p r e h e n s i v er e p e a t i n gm e t h o d ，g o a f f o u n d a t i o n ss t a b i l i t y 太原理工大学硕士论文 参数及符号： c 岩石的粘聚力，帕( p a ) 扩一岩石的内摩擦角，度( ) e 岩石的杨氏弹性模量，帕( p a ) e 一剪切模量，帕( p a ) 旷一岩石的泊松比；u = 0 5 时表示不可压缩材料。 p 岩石的密度，千克立方米( k m 3 ) ； e 法向应变； o 法向应力，帕( p a ) ； t 切向应力，帕( p a ) ； y 切向应变； t 时间，秒( s ) ； d 2 非负的比例系数，大小取决于质点的位置和荷载水平； d 。u 弹性应变增量，由h o o kp r i n c i p l e 计算； dep i j 塑性应变增量，由塑性增量理论计算； d ；i k l 弹性模量张量； g 塑性势函数； ，+ 应变空间上的屈服面函数； ，应变空间上的屈服面函数： a 应力空间上的硬化参数： a + 应变空间上的硬化参数； g 塑性势函数； h k 冒落带高度( m ) ： 太原理工大学硕士论文 h l 裂隙带高度( m ) ： r 最大影响半径： r l 下沉系数； b 水平移动系数： 0 。走向主要影响角( 。) ； 日，倾向主要影响角( 。) ： u 走向移动角( 。) ： y 走向边缘角( 。) ： c o 走向裂缝角( 。) ： a 。上山方向移动角( 。) ； y 、上山方向边缘角( 。) ； s z 走向拐点偏移距( m ) ； s 。- f 顷向拐点偏移距( m ) ； t t 总移动时间( 月) ； h 开采深度( m 1 ； v 工作面推进速度( m d ) 1 v 一一岩层倾角( 。) ： b 应变矩阵； k ( e ) 单元刚度矩阵； 2 太原理工大学硕士论文 第一章绪论 第1 节本课题研究的意义 一、社会及经济发展的要求 在过去的几十年中，我国中西部的煤炭资源的开发对国民经济的建设 和发展做出了巨大的贡献。但是，由于煤炭资源的开采，在我国中西部的 一些老能源基地造成了大范围、大规模的采空区，同时在以上地区出现了 耕地裂缝、塌陷及房屋倒塌。由于地下采空，导致上覆岩体在自重作用下 冒落、断裂和弯曲，承载能力大大降低，并在长时期内不能稳定。随着 “西部大开发”和“可持续发展”战略的实施，许多公路、铁路、厂房、 住宅楼等需要建立在或穿越老采空区。预计在未来二十年内，国民经济仍 将处于持续、稳定、高速的发展时期，各类岩土工程、铁道工程、大型水 利电力工程、高层建筑等基础设施建设正以前所未有的速度推进，由于对 老采空区缺乏深入的理论研究和较少工程实践，工业和民用建筑及交通设 施等在附加静荷载和运输工具的动荷载的影响下，采空区在部分地区出现 了“活化”，导致地表残余变形过大，影响到了正常使用甚至发生了事 故。所以，从降低成本，确保安全的角度出发，使所建工程能够安全、有 效的发挥作用，对于采空区的地基稳定性进行深入、系统的研究就显得十 分紧迫。 二、科学研究的要求 采空区的地基稳定性问题在国内外都属于一个较新的研究课题，目前 尚处于起步阶段。但是许多学科的发展为其深入研究提供了新的研究契 机。从丰富岩土力学内容，将理论的发展转化为生产力的角度出发，本课 题的研究也显得非常迫切必要。 太原理工大学硕士论文 ( 1 ) 近几十年来，岩石力学的理论有了很大的发展。由于各个学科 的交叉渗透，科研人员建立了许多新的岩石力学模型，使人类对于岩土的 工程性质和本质有了进一步的认识，并且开辟了许多新的研究领域，但是 相关理论模型的应用却是一个薄弱环节。这限制了岩石力学进一步的发 展。理论的发展和完善不但为开展研究提供了一个较好的基础，而且对其 进一步发展提出了新的要求。 ( 2 ) 在过去的几十年中，国内外对三下( 建筑物下、铁路下、水体 下) 采煤进行了长期、深入、细致的研究，在采空区破坏变形规律和地表 移动规律等研究方面积累了丰富的资料，取得了大量的科研成果，并在实 际中发挥着十分积极的作用。但是关于在采空区再建建筑物及其他工程的 研究没有得到有效的开展。关于采空区在附加荷载作用下的地表残余变形 规律和影响采空区地基稳定性的主要因素没有得到系统地研究。从研究发 展的角度看，开展后续课题的研究非常有必要。 ( 3 ) 过去仅有的关于采空区的地基稳定性的研究基本上集中于运用 传统的方法，主要通过测量观察，然后结合实地数据分析来判别其稳定 性。这种方法耗时长，费用大，而且对采空区的一些资料没有充分利用， 不利于科研下一步进行。计算机技术飞速发展及其工程应用软件不断完善 为开展研究提供了新的工具。运用数值模拟的方法，能够利用较短的时 间，较少的费用，在较充分利用采空区地质资料的基础上，寻求采空区在 附加荷载作用下地表移动规律和影响地基稳定性的主要因素。有利于这个 领域的广泛而系统研究。 总之，采空区建筑地基稳定性问题是一个复杂的系统问题。采用数值 分析、计算机模拟的方法不但可行，可以花费较少的人力、物力和较短的 时间找到影响采空区地基稳定性的破坏机理和主要影响因素。这不但对岩 石力学理论发展，而且对于工程实践都具有非常积极的意义。 4 太原理工大学硕士论文 第2 节研究现状和存在的问题 在岩石力学的研究理论中，有弹性力学、塑性力学、流变力学、损伤 力学等等。它们从不同角度，引用不同理论来解释其本构关系，大大地推 动了岩石力学的发展。计算机技术的发展，为应用数值模拟的方法研究岩 土力学提供新的途径。 一、岩石力学模型的发展概况 岩石在工作荷载的作用下，各点处于空间应力状态。根据岩石所处应 力一应变状态和时间范围，建立岩石力学本构模型是解决实际岩石力学问 题和深入认识岩石本质的关键所在。 弹性和塑性的根本区别不在于它们的应力应变关系是否为线形， 而在于卸载时，是否保留一个永久性的变形。变形的不可恢复性是塑性的 基本特征“1 。塑性变形不但与荷载路径有关，而且与应力作用的应力历史 有关，它反映着介质材料内部物质结构随着变形而变化，影响到力学参数 发生变化。塑性变形理论实质上是把塑性变形过程看成是非线形弹性变形 的过程一种特例。1 。所以弹塑性力学应力一应变关系不再是单值对应关 系，不再具备弹性力学中迭加关系。所以，建立塑性力学本构方程，严格 地讲，再也不仅仅是应力与应变之间的关系。在力学研究的领域中，一般 将考虑时间因素对材料的影响问题划分到流变学的研究范畴，属于不平衡 问题的研究”1 。所以，塑性力学增量理论贡献在于它改变了全量理论在本 构方程仅建立应力应变间的关系，建立起应力同应变增量的关系。 过去很长一段时间内，许多专家、学者在试验的基础上，通过宏观表 面的应力一应变曲线关系的途径来确定岩石的本构关系，如线弹性模型 ( 如虎克定律) 、弹塑性模型( 如剑桥模型) 、粘弹塑性模型( 如修正的 索费尔德一斯科特一布内尔模型) 等。这些模型都在一定程度上反映了岩 太原理工大学硕士论文 石的力学性质。支撑上述模型的理论大体上可分为三支： ( 一) 弹塑性理论。它是最早引入岩石材料的力学理论，根据岩石内 部的应力一应变关系建立本构模型，然后采取与材料相适应的屈服条件来 求解，屈服函数的主要作用是作为进行应力迁移判断的依据。工程实践表 明，岩石材料是一种内磨擦材料“1 ，且各向异性。在复杂应力作用下，会 发生主应变方向与主应力轴偏转的问题，这时不但主应力和偏应力都会引 起体应变，而且存在着剪切屈服和体积屈服；在这种应力状态下，62 、 63 的相对关系对岩石的破坏性状影响明显。 ( 二) 流变理论。流变理论是在材料的应力一应变关系中考虑时间因 素，与弹塑性理论处理问题思想最大的不同之处在于流变过程是一个应力 不平衡、应变随时间继续变化的过程。对于岩石来讲，在一定的应力作用 下，岩石内部的裂缝随时间的发展仍在不断地发生变化而趋向均匀”1 。 ( 三) 岩石损伤力学( d a m a g em e c h a n ic s ) 理论。在实际工程中，岩 石是对其本身缺陷十分敏感的脆性材料，岩石中一系列相邻单元的相继破 裂，在整个研究领域中裂纹不断扩展，贯通形成破裂面，并沿此曲面发生 剪切滑移所造成的。1 。损伤岩石力学目前有二种理论，第一是能量损伤理 论；第二是分形维数理论。分形维数勾通了微观量和宏观量问的联系，简 化分析和计算过程，并可获得较为精确的结果，为其发展注入新的活力。 综上所述，关于岩石力学本构模型研究仍是一个充满挑战的领域，从 目前研究的进展来看，有以下三个趋势：一是材料非线性，研究表明，岩 石材料的粘滞系数n 不仅是时间t 的函数，而且也是应力z 的函数；二 是力学非线形；三是几何非线形，由宏观唯象研究建立损伤本构模型深入 到由微观、细观机理研究建立本构模型。 二、数值分析方法概述 近年来，随着计算机技术的不断发展，数值方法已经渗透到科学与工 6 太原理工大学硕士论文 程技术研究的各个领域。岩土力学是一门交叉学科，其理论广泛应用于隧 道开挖、矿山开采、兴建水利设施及地下建筑物的修建等。利用数值分析 的方法来研究岩石的受力变形破坏机理，把岩石体作为一种结构体来研究 ( t h es u r r o u n d i n gr o c k sa n dt h es u p p o r t si nal o n g w a l l a r et a k e n a sa l l i n t e g r a l o ras y s t e m ) 。 数值分析的理论和方法包括的内容广泛。但是每种理论和方法都有一 定的应用范围。了解每种理论应用的范围对科研工作者和工程技术人员来 说是非常必要。在岩土工程中，数值法主要包括了以下主要内容：非线性 有限元法、边界元法、离散元法、接触问题、材料参数反演分析、耦合问 题、动力问题及有限元的误差和自适应问题等”1 。各类方法既有相同的地 方，即它们都是建立在严格的数学基础上的，将岩土体作为连续介质来研 究；它们又都有各自的长处，如边界元法使用于半无限体的弹性问题：离 散元法可以应用脆性破坏材料；接触问题可以考虑大位移摩擦问题，耦合 问题可以用于考虑两种及其以上不同结构材料的相互作用问题，如水和岩 土体相互作用的问题等等。同时也有可以互补之处，如有限元与边界元法 的结合就可以有效地解决半无限体的弹塑性问题。这样做即可以保证计算 精度，又可以提高速度，这不论对于科学研究，还是工程技术都非常有意 义。 三、a n s y s 软件的发展 2 0 世纪8 0 年代以来，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达 到数百种之多，较著名的有a s s y s 、n a s t r a n 、a s k a 、a n d i a 和s a p 等“。 a n s y s 是许多大型通用有限元程序系统中的种。由美国a n s y s 公司开发 的工程分析软件。开发的初期主要是为了应用于电力工业，现在已经广泛 应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程及岩石力学等众多领域”1 ，基 本能够满足各行业进行有限元分析( f e a ) 的需要。 太原理工大学硕士论文 a n s y s 的发展是伴随着计算机技术的发展而发展的。a n s y s 的第一个 版本与现在广泛应用于微机上的版本有很大区别。仅仅提供了热分析和线 形结构分析的功能。而且只是一个批处理程序，只能在大型机上运行。随 后逐渐在a n s y s 中加入了许多技术和客户需求的功能，包括非线形、予结 构以及更多的单元类型，程序从而有了更广泛的通用性。应用领域也从结 构领域扩展到若干个物理场的分析。随着矢量终端的发展，a n s y s 中加入 了交互式操作模式，大大简化了模型的生成和对计算结果的评价( 前处理 和后处理) ，可以进行高级结构的非线形分析、计算流体力学、优化设 计、自适应网格的划分、大应变分析和参数化建模以及蠕变计算分析等 + 。同时，a n s y s 拥有的数据接口程序，可以把由a u t o c a d 等系统生成的 模型应用到a n s y s 中进行设计分析和结构优化。 四、存在的问题 在过去的几十年中，岩石力学模型的理论发展获得了较大的发展，但 在工程实际的应用中却步履艰难。 ( 一) 岩石力学模型。岩石力学模型体现着人类对岩石本质的认识程 度，也是岩石力学发展的三大问题之一。根据现代岩石力学的研究，岩石 全程应力一应变曲线可分为压密阶段、线弹性变形段、弹塑性变形阶段和 软化阶段等“。岩石的变形过程中变形和破裂是没有明确界限的，这是岩 体变形性质区别于其他材料的最主要的特点之一。由此可见，长期以来， 采用经典的连续介质力学理论分析计算的岩石力学模型有以下缺陷： ( 1 ) 它们都没有认真地考虑岩体的微观结构及其在荷载作用下的相 互作用，岩石本身不是一种理想的连续介质，但也不是一种完全离散介 质；他们也没有从细观的角度考虑岩石内大量微裂隙的产生、扩张、汇合 对岩石的力学性质的弱化作用，不能满足实际工程的应用”1 。 ( 2 ) 它们所反映的多属于应力达到峰值前的硬化情况，没有属于反 太原理工大学硕士论文 映应力峰值后的应变软化阶段规律的模型。试验所获得的参数，不能有效 反映岩石在复杂应力状态下的变形和破坏特性。 ( ： ) 岩石材料本身微结构的复杂性、影响因素的多样性以及破裂前 后岩石行为的复杂性等是现有的岩石断裂力学所无法单独考虑的。 ( 4 ) 从细观出发，建立反映岩石宏观力学特征的细观力学模型还不 多。采用分形几何理论分析岩石受荷损伤演化行为的模型还比较少。 ( 5 ) 虽然损伤岩石力学为研究开辟了新思路，但目前的模型中仍没 有反映在压缩状态下的曲线斜率递增的现象，而多把应力一应变曲线分段 建立来解释力学机理和建立本构方程。 ( 6 ) 到目前为止，仍没有找到一种较普遍适用的岩石本构关系模 型。这既有固体力学、流体力学及其相互耦合作用理论方面的发展原因， 更重要的是对岩石的力学本质认识还不够深入。 ( 二) 采空区地基稳定性分析。无论国内外，对于采空区研究的特点 是对“三下”采煤( 建筑物下、水体下、铁路下) 研究的比较丰富，也比 较成熟：而对老采空区稳定性的观测和理论则缺乏系统深入研究。2 0 世 纪7 0 年代，j o n c e 等人研究了采空塌落对公路的影响；8 0 年代以来， s a r g o a n d 等人又分别研究了采矿及下伏空洞对建筑物的影响。这些研究 都是建立在特定的实验点上，依靠的主要是以往的经验，而且侧重于对灾 害的评价，对于破坏机理和防治措施并没有进行深入的研究。d r u m m 等一 些欧美国家的专家学者在实际调查的基础上，通过建立简单的弹性力学模 型，研究了弹性极限条件下岩土体的沉陷破坏机理以及对基础工程的影 响。工程地质手册( 第二版，1 9 9 2 ) 中根据“活化理论”提出了计算 临界埋深的公式，用以评价采空区建筑场地的适宜性1 。实践证明，该方 法仅适用于埋深浅，地层组成简单的小煤窑的采空区。腾永海等人 ( 1 9 9 7 ) 在上述理论的基础上做了进一步的发展并付诸于实际工程。他是 9 太原理工大学硕士论文 以建筑物荷载的影响深度、采空区裂隙带发育高度不互相重合来判断采空 区地基的稳定性“。由此可以看出，上述方法都没有充分考虑采空区的规 模、地层的岩性、岩层的组成和层位、以及采空区的采动性质、变形历史 等影响采空区稳定性的重要因素，不考虑实际场地的具体性质而笼统的给 出的经验公式，最多也只能算做是一种定性分析的方法，在使用中具有很 大的局限性，在很大程度上已不能适应工程建设规模的需要。应当讲，这 是与当前和今后一段时期的生产发展的实际情况不相适应的。它是岩石力 学研究课题中的一个非常薄弱的环节。 第3 节本项目主要研究内容 关于老采空区地基的稳定性评价从当前的研究情况来讲属于一个较 新的课题。本课题的重点是在运用岩石力学有关理论研究老采空区地基稳 定性的过程中，全面引进非线形理论。通过对采空区的实际情况抽象为能 够运用力学模型求解的问题，最后通过分析附加荷载作用下的采空区地表 变形规律和影响采空区地基稳定性的主要因素。 本课题的主要内容分为两个部分： 第一部分是非线性有限元理论的研究，这一部分主要是非线性力学的 增量理论、各物理力学参数间的关系、有限元网格划分的理论、边界条件 的确定、非线性问题的混合求解方法以及计算结果的误差估计和结果处理 等内容。 第二部分为非线性有限元理论的运用。通过对试验点的实际情况调 查、有关资料搜集和对试验点的资料的分析。根据采空区的实际情况，将 其抽象为比较合适的力学模型来研究，为了研究方便，其中需要做一些前 提和假设。然后通过控制些重要的位移指标来模拟采空区的实际情况， 太原理工大学硕士论文 这里所有未考虑的情况基本上都通过参数来反映；通过对采空区的应力、 应变及变形的模拟分析，确定采空区地表变形的主要规律和影响采空区稳 定性的主要因素；最后通过参照工程地质手册及有关资料的稳定性评价标 准，并结合实际资料综合判断老采空区在附加静荷载作用下的建筑地基的 稳定性。 总之，本课题在研究采空区地基稳定性时，充分考虑了老采空区覆岩 的变形破坏特点和影响的因素，从多方面引入了非线性理论，运用数值模 拟的方法研究其基本规律和主要影响因素。这一点不但对于岩土力学的本 质有更深刻的理解，而且对于工程实际也具有指导意义意义。 太原理工大学硕士论文 第二章开采沉陷的基本规律 第1 节采空区及其特征 我国国土面积辽阔，矿产资源丰富，采矿历史悠久。所以，采空区 在我国的大部分省、区、市都有不同程度的存在。 一、基本概念和特征 所谓采空区是指地下矿体采出后所留下的空间区域。“。当矿体( 如 煤、金属矿石等) 从地下被开采出来后，上部覆岩体失去支撑而导致平衡 破坏，应力重分布，以期达到新的平衡。在此过程中，采空区上部岩体变 形和移动会向上波及地表，在此过程中，地层内部岩石的强度和内聚力会 大大降低，并在地表呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式的变形，并形成 地表移动盆地，我们将其称之为采动区【l 。当开采宽度增加到相当大以 。一c o a lp i l l a r ； - - a b s c i s sl a y e r ； - - r e c o m p r e s s i n gz o n e 图2 1 老采空区的断面变形、破坏图 f i g 2 1s e c t i o n a ld e f o r m a t i o na n dd e s t r o yo f g o a f 太原理工大学硕士论文 后，再增加开采宽度对停采上方地表移动和变形几乎没有影响时，即在盘 形盆地的中央平底部分的移动值都达到该条件下的最大值，并且相等，我 们称之为“充分采动”，否则为“非充分采动” 15 o 在采空区形成后的一 段时间内，会形成如图2 一l 所示的情况，在采空区的上部岩土层中一般 会形成“横三区”( 即煤臂支撑区、离层区和重新压实区) 和“纵三带” ( 即冒落带、裂隙带和弯曲带) 1 1 6 1 o 在采矿学上，有几个反映采空区变形的特征参数：( 1 ) 下沉系数 n ，下沉系数是反映采动区地表最大沉降值与采厚关系的一个量度。 ( 2 ) 主要影响角b ，地表的移动和变形主要集中于开采边界上方宽度为 2 r 的范围内，连接主要影响范围边界点与开采边界直线与水平线所成的 夹角，称为主要影响角( 在一些 资料中称之为移动角) ，其大小 一般在5 0 0 一9 0 0 之间。( 3 ) 水 平移动系数b ，它是指在充分或 接近充分采动的情况下，开采所 引起的地面最大水平位移与地面 的最大下沉值之比值，其大小一 般在02 5 0 4 之间。( 4 ) 总移 动时间，它是指从下沉值达到 l o m m 时开始计，到6 个月内累 计沉降值不超过3 0 m m 时所经历 的时间；一般来讲，其持续时间 为几年到十几年，个别的可达几 十年甚至上百年。( 5 ) 边界角， 图2 2 煤层柱状图 f i g 2 _ 2t h ec o l u m no f c o a ls e a m 1 3 太原理工大学硕士论文 它是指采空区移动盆地主断面上的移动盆地边界点( 下沉量为1 0 r i o n 的 点) 和采空区边界点的连线与水平线之间在采空区外侧的夹角；( 6 ) 裂 缝角，它是指在充分采动的情况下，采空区上方地面的最外侧的裂缝位 置和采空区的边界连线与水平线之间在采空区外侧的夹角。( 7 ) 拐点偏 移距，它是指下沉曲线的拐点在理论上应位于开采边界的正上方，但由 于工作面开采边界附近的顶板岩石往往不能充分冒落，因此，拐点一般 不位于工作面边界的正上方，而向采空区的偏移。拐点与工作面边界之 间的距离称为拐点的偏移距。 二、纵向三带的高度估算 在采用全部垮落法和煤柱支撑法管理顶板而采用条带开采时，采空 区上覆岩层的变形破坏可以划分为冒落带、裂隙带和弯曲带等三个特征 不同的区域。 ( 1 ) 冒落带是指采用全部跨落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引 起煤层直接顶板岩层产生的破坏范围。其形成的机理主要是由于巷道顶 板的岩石重量超过其抗拉强度引起的。一般来讲，矿层越薄，冒落带高 度越小，项板管理方式不同，冒落带的高度也不同【。7 】，同时，冒落带具 有不规则性、碎胀性和可压缩性等特点。其高度h k 可采用如下经验公式 估算： 黔嵩 式中：m 一煤层的采厚( m ) ： k 。一碎胀系数。这里保守的取为1 1 1 1 1 ， 估算的高度为：h k = 3 5 m 。 关于碎胀系数，各种资料的意见分歧较大，而且其试验测定也非常 复杂。美国矿业局对各种岩石的碎胀性进行的统计研究表明：破碎后的 太原理工大学硕士论文 岩石比未破碎岩石的原体积平均增加6 0 ，体积的增加与岩石的块度成 比例。但在压力的作用下，膨胀了的体积又将缩小 1 2 。可见其大小与时 间因素有关。 ( 2 ) 裂隙带位于冒落带之上，主要由岩层离层及其相对滑移而生 成，与冒落带之间并无明显的界限。冒落带和裂隙带同称为透水裂隙 带。其断裂裂缝的形式具有垂直或接近垂直的规律性，在靠近冒落带的 岩层，断裂严重，裂缝的贯通性明显。在这一区域内，一般会有顺层面 脱开的离层裂缝。其高度h i 可由如下经验公式估算： m = 罴( 2 - - 1 - - 2 ) 式中：c 、d 一经验系数，因地质情况差异而变化。根据上覆岩层为泥岩 和细砂岩，这里取c = 2 5 ，d = 3 o 1 。 估算高度为：h i = 2 9 9 8 m 。 ( 3 ) 弯曲带又称整体移动带，是指裂隙带以上至地表的岩土层。在 垂直剖面图上，其上下各部分的沉降差异很小，一般不会出现离层现 象。这一区域也有可能出现裂缝，但其微小，数量较少，贯通性很差， 导水性微弱。 总之，采空区的“三带”特征是为了研究方便而人为划分的，事实上 覆岩的破坏形态是连续的，他们之间存在一定的过渡高度。 第2 节顶板管理及采空区的处理 煤层顶板包括伪顶、直接顶和基本项( 如图2 2 ) 。伪项是紧贴于 煤层之上的薄而易碎的软弱岩层( 一般厚o 3 m 一0 5 m ) 特征是随煤层的 开采而垮落，常见的伪顶有碳质页岩和泥质页岩等；直接顶是由一层或几 层具有一定强度的稳定岩层，通常为泥质页岩、页岩、砂质页岩等，其破 太原理工大学硕士论文 坏是以破碎为主。基本顶( 又称老顶) 是位于直接顶之上的厚而坚硬的岩 层其整体性较强，以石灰岩、砂岩、砂砾岩等。破坏形式以断裂为主。 一、项板管理 顶板管理方法决定着覆岩破坏，影响着采空区的基本特征和最大高 度，常见的顶板管理方法有全部跨落、全部充填和煤柱支撑等三种类型。 不同的顶板管理方法形成不同的覆岩破坏高度。 ( 1 ) 全部跨落法是目前应用最普遍、使覆岩破坏最严重的一种顶板 管理方式。采用全部跨落法管理顶板时，除了采厚极小( 0 5 m o 7 m 以 下) 时会引起顶板缓慢下沉和顶板极坚硬时不发生破坏外，一般都发生冒 落性和开裂性破坏，并形成纵向三带。 ( 2 ) 全部充填法对覆岩的破坏比较小，采用全部充填法管理顶板 时，一般只引起开裂性破坏，而无冒落性破坏，同时导水裂隙带的最大高 度比采用全部跨落法管理顶板法低一些。但当工作质量不好而且采厚较大 时，也可能发生一定范围的冒落。当然，采用不同的充填方法和充填材 料，由于充填体的压缩率不同，对于覆岩的破坏性影响也是不同的。 ( 3 ) 煤柱支撑法管理项板。一般是在煤层顶板和底板都比较坚硬的 情况下采用。与此相应的开采方法有条带法、房柱法、刀柱法等，这时根 据煤柱的尺寸大小、留采比大小及采空区的处理与否，覆岩的破坏情况和 最大破坏高度都大不相同。 二、采空区的处理 在采矿学上，采空区的处理也是顶板管理的一项重要内容，其目的是 控制由于采空区引起的地压显现的强度，从! 鱼压显现的规律上看，开采空 间的扩大及其长期存在，往往会造成大规模的地压现象，从而危及矿山的 生产与安全。因此，采用空场法开采时，在采场回采后会进行及时处理。 其处理的原则是对采空区围岩的变形与破坏进行因势利导，使其不威胁生 太原理工大学硕士论文 产安全并有利于待开采地段的生产。其执行的原则有以下两条：一是使围 岩的破坏或位移以较缓和的形式发展；二是令采空区的围岩在预控范围或 规定的时间内破坏或冒落。 一般来讲，采矿结束后，对采空区的处理方法有以下几种： ( 1 ) 自然闭合。对于某些极薄的矿脉，当顶板较软时，可控制顶板 缓慢下沉，直至顶板与底版闭合。 ( 2 ) 充填。将采空区的部分或全部采空区用碎石、煤矸石、水砂、 混凝土等充填，一般用于采厚较大的煤层。一般来说，由于填充体也被压 缩变形，所以，填充体对围岩提供的支撑力有限。但这样就延缓了采空区 内应力调整的时间和最终稳定时间，对于老采空区的地基稳定性是不利 的。 ( 3 ) 封闭采空区。对于采空区边缘的分散或孤立的小空区，可不处 理，任其自然发展，但为了预防其围岩突然冒落时出现的气浪冲击，将其 与其他采场的通道封闭堵塞。 ( 4 ) 崩顶。有控制地崩落上盘围岩处理采空区的方法称之为崩顶。 崩顶法处理采空区，能及时消除空区，防止应力过分集中和大规模的地压 活动产生。这有利与采空区冒落带的压实。 第3 节影响采空区稳定性的主要因素 采空区的建筑地基是否稳定，对于采空区建筑物的安全正常使用关 系重大。评价建筑地基稳定性的主要指标包括附加作用下地层中的应力 的影响范围、残余地表的倾斜量、残余地表的水平位移、残余地表的曲 率等。影响这些指标的主要因素，除了建筑物本身的因素外，主要是采 空区性质及其覆岩的性质的影响( m i n i n g s u b s i d e n c ei sa c o m p l e x 太原理工大学硕士论文 p h e n o m e n o nt h a td e p e n d su p o nt h em i n i n gm e t h o d s ，t h eg e o m e t r y o ft h e m i n e do u ta r e a ，t h eh e i g h to fr o c ka n ds o i la b o v et h em i n e ，a n dt h eg e o l o g i c c o n d i t i o n si nw h i c ht h em i n i n gt a k e sp l a c e ) f 1 8 1 。研究表明：影响老采空区建 筑地基稳定性的主要因素包括以下方面： ( 1 ) 采空区的开采方式和开采面积。一般来讲，对于缓倾斜煤层， 从覆岩的破坏程度来讲，非充分采动的破坏高度小于充分采动的破坏高 度。但是对于充分采动性质的采空区，由于采动面积大，破坏程度大， 在经过一定的年限后，破坏部分压实比较充分的地基稳定性较好。 ( 2 ) 顶板管理方式。就煤矿的回采工作面顶板管理而言，基本顶是 主要支撑对象，直接顶是主要维护对象，即顶板管理中的“支”与 “护”是针对不同的对象采取的相应的控制措施。伪顶板尽管也属于顶 板范畴，但一般不作为顶板管理的对象，顶板以上的上覆岩层，一般不 作为工作面项板管理的考虑范围。顶板管理方式对采动区地表的变形移 动规律有很大影响，它直接关系到采空区的填充方式和填充的密实度， 进而关系到上部一定年代覆岩在附加荷载作用下的地基稳定性。 ( 3 ) 上部岩石的组成、层位及其岩石的物理力学性质。岩石的完整 程度受到较大破坏，裂缝发展比较充分。但一般来讲，岩石的硬度较大 时，采动区的沉降值较小，反之则大。当地层中含有较软或富含水层的 岩石或者是流沙，由于岩石的变形、破坏和地层移动，会起到疏干作 用，可能会出现地层移动沉降速度加快和地表最大沉降值大于采空区的 高度。岩层的层位对于地表的移动也有较大的影响，主要表现在两个方 面：首先物理性质和厚度都差异较大岩层层位对地表变形的剧烈程度影 响较大；其次是在倾斜岩层中，层位不同会影响到两带的分布的高度。 ( | ) 开采深度( 即采空区的埋深) 。般来说，随着开采深度的增 加，最大沉降值将减小，当采空区的深厚比大于1 5 0 倍时，其影响就非 1 8 太原理工大学硕士论文 常小了f 1 9 】。另一方面，采空区的埋深增大，地表的移动变形时间就越 长，但是其地表的残余变形也趋向均匀。 ( 5 ) 上部土层的厚度。一般来讲，土体的物理力学性质远低于岩 体，在采空区的破坏变形中，土层一般随基岩的变形而变形，即岩、土 层的变化范围一致。主要影响角在岩体和土体的扩散程度是不同的。当 矿层及其上覆岩层的倾角很小时，最大水平位移一般情况下取决于最大 沉降值。当土层很厚时，其性质对地表移动有很大的影响，它可以使地 表出现的移动和变形分布规律不同于基岩，而且可以掩盖和缓冲基岩中 的各种裂缝及其破坏，并缓和地表变形曲率。 ( 6 ) 采空区的倾角。倾角的增大，会使地表的水平位移增加，出现 地表裂缝的可能性增加，地基出现不均匀沉降的可能性增加；倾斜采空 区使上覆岩土的应力分布更加趋于复杂，造成采空区及其以上部分的位 置不对称，尤其对主要影响角的影响较大。同时，倾角较大的采空区会 使上部岩土体中的裂隙和节理更加发育。 ( 7 ) 岩体本身的一些缺陷对采动区的地基稳定性也有很大影响。实 际中，岩体中赋存着无数的节理面、裂隙面和断层等，这样岩体的强度 会大大降低。无论是规则分布，还是杂乱无章，在岩层移动的情况下， 都会促使裂缝区的扩大，变形加剧【l “。有资料表明，岩层移动所产生的 裂缝几乎全是原有裂缝的发展和扩大，而不产生新的裂缝。 ( 8 ) 边缘煤柱的稳定性。在采用煤柱支撑法管理顶板时，煤柱的稳 定性是至关重要的。岩层的变形和破坏是从直接顶开始，自下而上扩 散，破坏时，直接顶最下部岩层的碎胀性最大。因此，基本顶和所有上 覆层的下沉量一般都比煤层开采的高度要小【引。这样，在很长一段时间 内，在煤柱内部，尤其是煤柱边缘区存在着较大的集中应力。如果煤柱 边缘区因应力过大而导致其破坏( 如图2 3 ) ，岩层的两帮会失去支 太原理工大学硕士论文 撑，将会引起应力调整而使裂隙带的高度继续增大，从而导致支撑压力 向煤柱深部发展，同时会弓l 起基本该悬饕跨度鲍增大。装煤桂擐零不足 以承受覆岩的压力，在一段时间内，煤柱将被压跨。 ( 9 ) 潆厚发。采零怒造成采空区覆密酸舔戆摄本瓣素之一，磅究 资料表明：随着采厚的增加，冒落带和裂隙带的高度按线形比例增加， 即农穗同条件下，采厚越大，酸坏波及静范围裁越大，岩石豹破筇遣就 越严重【2 0 l 。 第4 节采空区覆岩的破坏理论 人类采矿的历史非常悠久。但在1 9 世纪以前，人们对煤炭的需求量 还不大。j 9 瞧纪末，采矿释致的覆岩移动和破坏以及由此造成的地面建 筑物破坏引起了人们的注意。2 0 世纪以来，随着社会发展对能源的需求 和机械设备的发展，尤其解决了“三下”采煤的难题后，大大的推进了工 程技术人员对采区鼢岩层与她表移动规德黪认识达烈了一个凝数毫度。 翻2 3 煤柱边缘的变形簸坏圈 f i g 23 t h ed e f o r m a t i o ni nm a r g i no f n i l a r 2 0 太原理工大学硕士论文 关于覆岩的破坏机理的理论有四种比较流行的理论，他们都在不同程 度上解繇了不闲遮覆条件、不同开采方式帮不嗣开聚阶段覆密破壤_ 秘遗表 移动特缎。隧羲开采技术的发展和对岩层破坏变形规律研究的深入，研究 认为，郾使是在闯一地区，对于采空医不嚣的壤深和蘸段，箕破坏桃惩也 不尽耪鞠