土木工程職稱論文：采空區現狀與處理方案描述

　　土木工程是建造各類工程設施的科學技術的統稱。它既指所應用的材料、設備和所進行的勘測、設計、施工、保養、維修等技術活動，也指工程建設的對象。以下是學習啦小編今天為大家精心準備的土木工程職稱相關論文：采空區現狀與處理方案描述。內容僅供閱讀與參考!
采空區現狀與處理方案描述全文如下：

　　【摘 要】本文主要介紹了我國采空區的研究現狀，采空區形態，采空區所引起的問題的分析，采空區地基穩定性的研究方法(力平衡分析法，附加應力法，數值分析法)，以及采空區處理的主要方法。

　　1. 緒論

　　(1)隨著國民經濟的持續發展，不僅事先要選擇在地質條件良好的場地上進行工程建設，而且有時也不得不在地質條件不良的場地上進行建設。

　　(2)在采空區上建筑時，有時僅采用地面各種保護措施難以保證地面建筑物的安全，必須進行采空區處理，特別是在淺部的部分開采條件下，廢棄采空區頂板跨落、煤柱破碎，或煤柱壓入較軟的底板，由此造成的上覆巖層移動破壞、地面沉陷常常在開采滯后幾十年甚至上百年后都可能發生，沉陷量和沉陷時間難以準確預測，對地面的建筑危害極大;在這種情況下，采空區的處理問題日益突出。本文就采空區現在及采空區處理方法做一個歸納。

　　2. 我國采空區現狀

　　2.1 按采煤技術和方法大致分類。

　　(1)目前我國采用的采煤技術，按其明顯的特征可分為旱采和水采兩大類。水采在上個世紀五十年代到八十年代有一些礦井大規模采用過，從現有采空區總量來看，相對量較少;旱采有20種左右采煤方法，按技術上的不同特點，主要分為壁式采煤方法和柱式采煤方法兩大類。

　　(2)壁式采煤方法的工作面較長，少則30～40m，多則200m以上，甚至更長;柱式采煤方法的工作面較短，一般均在30～40m以下，有的只有5～10m。

　　2.2 采空區形態。

　　采煤技術、采煤方法的不同所形成的采空區也不同，目前可能有如下幾種采空區形態。

　　(1)長壁工作面全部垮落法所形成的采空區(傾斜或緩傾斜煤層) ，其特征是采空區上覆巖層的破壞具有明顯的垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。

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

　　(3)短壁半垮落條帶回采工作面所形成的采空區，其特征是回采時頂板不垮落，過一段時間，頂板形成不充分垮落。

　　(4)短壁非垮落條帶回采工作面所形成的采空區，其特征是頂板相當完整，煤層堅硬，采寬小，采留比小，煤柱能形成長久性支撐。

　　3. 采空區所引起的問題

　　(1)目前，地下空區已經成為制約礦山發展及采空區上部城市化發展的一個重要難題 ，隨著礦山向深部開采，容易發生坍塌事故，而且受到采空區的影響，很多建筑物無法進行建設，給人們的生活生產帶來不便;地下開采殘留大量的采場、硐室、巷道沒有進行及時處理，對露天開采帶來了嚴重的隱患，同時給礦山工作人員和設備帶來嚴重的威脅。

　　(2)自20世紀末以來，我國礦業開采秩序較為混亂，非法無序的亂采濫挖在一些礦山及其周邊留下了大量的采空區，這是影響目前礦山安全生產的主要危害源之一 。山西、廣西、甘肅等省的許多礦山都存在大量的采空區，致使礦山開采條件惡化，引起礦柱變形、相鄰作業區采場和巷道維護困難、井下大面積冒落、巖移及地表塌陷等，更為嚴重的是空區突然垮塌的高速氣流和沖擊波造成的人員傷亡和設備破壞，這些都給礦山安全生產構成嚴重威脅，并造成環境惡化、礦產資源嚴重浪費。

　　4. 采空區治理時應著重考慮的幾個影響因素

　　4.1 斷層對地表移動與變形的影響。

　　斷層對地表移動與變形產生影響的原因在于斷層帶處巖層的力學強度大大低于周圍巖層的力學強度。由于應力的集中作用，故使該處成為巖層變形集中的有利位置;地下煤層開采后，在上覆巖層發生移動與變形的同時，巖層還沿著斷層面發生滑動，于是在斷層基巖露頭處的地表就出現臺階狀的破壞。在斷層露頭處的地表變形加劇，大大地超過了正常值，而位于斷層露頭兩側附近的地表變形變得緩和，小于正常值。故在建筑物平面布置時，重要建筑物應盡量避開斷層基巖露頭帶。

　　4.2 地下水大量流失對建筑物的影響。

　　煤層回采后凡是斷裂帶波及到的基巖含水層(砂巖、頁巖、石灰巖) ，含水層的水體要潰入工作面。砂巖、頁巖含水層水體屬于孔隙裂隙水，如果不具備補給條件，經過長期流失會造成含水層被疏干。因含水層水體流失而形成的空洞也是殘余變形影響的一個重要因素，不容忽視。

　　4.3 采空區殘留煤柱。

　　殘留煤柱基本特征是：工作面區段隔離煤柱傾斜長一般10m，不回收;薄煤帶屬于未開采區;斷裂構造煤柱不回收。上山煤柱一般在采區結束前收，只能回收大部分;采區邊界煤柱不回收，寬20 m左右;沖積層防水煤柱永久不回收;礦井邊界煤柱寬50 ～ 60m，永久不回收;大巷煤柱、工業廣場煤柱一般在礦井閉坑前回收。

　　4.4 采空區殘留人工工程。

　　一個礦井或采區報廢后，采空區殘留人工工程主要有上山及聯絡巷、采區車場、井底車場、水倉及各種硐室大巷、轉載硐室等。一般地，礦井的這些工程所涉及的面積和體積都是十分巨大的。這些殘留工程因礦井報廢失去維護，時間長以后逐漸垮塌。如果這些巷道集中在某段時間垮塌，遠比回采2m厚的煤層所帶來的地表沉降要嚴重。因此，在選擇建筑地基時應避開殘留人工工程區。

　　5. 采空區建筑物地基的穩定性分析方法

　　采空區建筑地基的危害程度及穩定性評價在國內外都屬于一個較新的課題。在采空區上方修建建筑物的關鍵問題是對采空區建筑地基的穩定性評價問題。目前，我國的相關分析方法有以下三種。

　　5.1 力平衡分析法。

　　如圖1 所示，礦層采空后其頂板巖塊ABCD 因重力W 的作用而下沉，兩邊的楔體ABM 和CDN 也對其施加水平壓力P。因此，在AB 和CD 兩個面上又受到因P 的作用而產生的摩阻力f 的抵抗。現取采空段(巷道) 單位長度為計算單元，則作用在巷道頂板的壓力為：

　　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 ——巷道單位長度頂板上所受的壓力，KN/m;

　　W ——巷道單位長度頂板上所受的總重力，KN/m;

　　P——楔體ABM和CDN作用在AB和CD面上的主壓應力的最大值，KN/ m;

　　f ——巷道單位長度側壁的摩阻力，KN/ m;

　　H ——巷道頂板的埋藏深度，m;

　　B ——巷道寬度，m;

　　φ——巖層的內摩擦角 (°) 。

　　當建筑物建在采空區上時(設建筑物基底單位壓力為P0 ) ，根據力平衡分析，有：

　　Q=W+BP0 -2f (5)

　　即：

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

　　當H增大至某一深度， 使頂板巖層恰好保持自然平衡狀態(即Q = 0) ，此時的H 稱為臨界深度H0 ，可得臨界深度的計算公式：

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

　　當H

　　圖1 頂板穩定性示意圖

　　5.2 附加應力法。

　　附加應力法是以建筑物荷載影響深度與采空區冒落裂隙帶發育高度是否重疊來確定建筑物層數、判斷采空區地基穩定性的方法。

　　冒落裂隙帶發育高度與建筑物荷載影響深度之間存在三種情況，其中建筑物荷載影響深度是由地基產生的附加應力決定，即當地基中附加應力σz=0.1σc(σc為自重應力)時，把此時的深度z作為建筑物荷載影響深度。

　　(1)當建筑物荷載影響深度與冒落裂隙帶頂界面之間有一定的距離時，這種情況不會影響冒落裂隙帶的穩定性。

　　(2)當建筑物荷載影響深度與冒落裂隙帶頂界面正好接觸時，在這種情況下建筑物荷載為臨界荷載。

　　(3)當建筑物荷載影響深度進入冒落裂隙帶內時，這種情況建筑物荷載會影響冒落裂隙帶的穩定性，建筑物會受到較大不均勻沉降的影響。

　　(4)該方法難以考慮上覆巖層復雜的地質構造條件及冒落裂隙帶的后期變化，而且也只能算作一種定性分析方法。

　　5.3 數值分析法。

　　(1)國外學者在20 世紀80 年代后期運用有限元和邊界元法研究采動覆巖產生垮落的開采條件和垮落高度、覆巖產生離層裂縫的力學條件及離層裂縫的位置和高度等。20 世紀末國內學者康建榮運用相似材料模擬和離散元法研究了采動覆巖離層形成的過程、機理及基本規律，并開發了適用于任意形狀、多工作面、多開采線段的開采沉陷預計系統。

　　(2)這些研究成果為進一步研究老采空區在建筑物荷載作用下的地基穩定性問題奠定了基礎。常江以彈塑性理論為依據，將老采空區地層概化為一個連續介質和碎裂介質的耦合體，運用有限元法分析了不同覆巖組合對采空區建筑地基穩定性的影響。

　　(3)老采空區建筑地基穩定性的力學分析是一個極其復雜的問題。它不僅和開采煤層的厚度、傾角、埋深、上覆巖層的巖性、物理力學性質、厚度、賦存狀態、場地地形地貌、地質構造、水文地質條件以及煤礦開采方法、開采面積、開采次數、頂板管理方法等地質采礦條件有關，而且也和新建建筑物荷載的大小、位置、基礎類型等密切相關。

　　6. 采空區的處理方法

　　6.1 采空區埋深較小時的處理。

　　對于埋深較小的采空區，一般可選用以下方法進行處理：

　　(1)對于埋深很小的采空區，可采用從地表開挖，一直挖至采空區，然后分層回填夯實。該方法工藝簡單，操作簡便，施工質量容易檢查和控制。

　　(2)開挖后用漿切片(或干切片)分層砌筑、填塞，上面加蓋鋼筋混凝土蓋板。

　　(3)開挖后，用碎石充填后灌注水泥砂漿。

　　(4)高能量強夯法處理采空區上方松散地基。當采空區埋深較淺，而上方為松散地基且厚度較大時，可采用高能量強夯處理松散破碎巖體，提高松散破碎巖體的地基承載力。

　　6.2 采空區埋深較大時的處理。

　　采空區埋深較大時常用的處理方法主要有以下五種：

　　(1)充填注漿法。

　　注漿技術是一項實用性強、應用廣泛的工程技術。它的實質是在地面鉆孔至老采空區，采用液壓、氣壓或電化學方法，將采空區所有空洞和覆巖裂隙用由水泥、粉煤灰、砂子等混合而成的漿液全部充填和加固，使整個采空區恢復為接近原始巖體狀態，徹底消除采動破碎巖體的移動變形空間。為了避免漿液流至地基控制邊界以外，需要在地基以外的控制邊界處鉆孔至采空區，再灌粗骨料填充，注漿固結，以封堵住采空區兩端。

　　(2)覆巖結構加固補強法。

　　采用注漿加固技術對上覆巖層結構進行結構補強，增強覆巖結構的長期穩定性。其具體做法是從地面打鉆孔，然后壓力灌漿，使漿液滲入巖層裂隙，并膠結而使破碎巖體形成一強度高、剛度大，類似于“大板結構”的完整巖體，達到類似于跨越的目的和避免地表塌陷的發生。這種方法具有工程量小、工程費用低、巖體結構穩定、效果好等顯著特點，實踐表明效果良好。

　　(3)灌注樁法。

　　在采空區上方地表布置大直徑鉆孔，注入填料和漿液，用漿液固結填料和破碎巖體，在巖層中形成灌注柱，承受上方建筑荷載。

　　(4)設計高架橋跨越采空區。

　　當采空區分布面積過大，充填注漿法造價過高時，可考慮采用高架橋跨越采空區，或者采用處理與高架橋結合的方法處理采空區。

　　(5)綜合治理方法。

　　根據實際工程情況，結合以上兩種或兩種以上的方法處理采空區。

　　7. 結束語

　　7.1 隨著城市化進程的發展，城市面積越來越大，在不良場地上的建筑也會越來越多，尤其在資源充分利用和高度開采的今天，會有越來越多的多層、高層、甚至超高層建設在下部或周邊存在采空區的區域，對采空區處理的研究也會越來越深入。本文旨在歸納總結前人對采空區的理解及對采空區處理

　　方式方法的總結，希望通過本文讓不太了解采空區現狀及采空區處理方法的人，對采空區有一個系統的了解。希望越來越多的人參與到采空區處理技術的研究及采空區處理施工的工作中來。

　　7.2 采空區治理技術是礦區建設需要解決的技術難題之一。有很多問題期待我們解決：(1)采空區損傷巖體長期蠕變問題的研究。(2)采空區空間分布范圍探測技術的研究。(3)采空區活化機理及處治標準的進一步研究等。

　　最后感謝所有為地質工作默默付出的前輩，沒有你們的努力就沒有中國地質現今的發展。

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